地下水處理技術

1、反滲透水處理技術反滲透水處理技術摘要 由于人類的生產及生活活動, 地下水受到不同程度的污染, 嚴重危害著人們的健康, 制約著經濟的發(fā)展。關鍵詞：地下水 反滲透 全球可飲用的淡水有97% 是儲藏在地下蓄水層中。地下水的最直接而且又是最重要的方面, 是其作為飲用水供水水源。由于原生地質條件和人類生產活動中諸多不合理因素, 越來越多的地下水受到了不同程度的污染, 進一步加劇了城市水資源短缺的矛盾。國際水文地質學家協會主席米歇爾奈特指出, 全球地下水源有一半正在受到污染, 因此21 世紀人們將為保護水源而斗爭。1991-1992 年我國城市地下水的環(huán)境狀況調查顯示: 幾乎98%的城市地下水均遭受到不同

2、程度的污染。例如, 由于某石化公司的一系列生產裝置建在水源地上, 致使該地區(qū)地下水不同程度地受到石油化工污染物的污染。研究表明, 在水源地56km2 的開采面積上, 大部分地區(qū)地下水存在石油類污染物, 其中重污染區(qū)地下水中油含量較高, 最高達每升幾十毫克, 既不適于飲用, 也不能用于工業(yè)生產。這就造成“水質型”缺水, 嚴重制約著齊魯化學工業(yè)區(qū)及附近地區(qū)的進一步發(fā)展。20 世紀70 年代初, 西歐、北美等發(fā)達國家開始研究工業(yè)化學物質對地下水的污染。1973 年以來多次召開地下水污染的國際學術會議, 對重金屬、硝酸鹽、石油化學物質等造成的地下水污染問題進行了大量研究, 提供了一些受污染地下水控制的

3、有效事例, 國外在這方面的研究分為2 個階段: 20 世紀70 年代初期, 以認識地下水污染機理及其危害為主要方向, 大量開展受污染地下水檢測方法、評價方法、遷移轉化規(guī)律的研究, 建立了地下水污染研究的技術方法; 20 世紀70 年代末至80 年代初, 轉入以治理為主的研究方向, 并且地下水污染研究從無機污染轉向有機污染。同時從治理的觀點研究各種措施, 對已受污染和原生劣質地下水進行治理。目前, 受污染地下水的處理技術可分為原位置處理技術、抽出處理技術2 種方法。原位置處理是利用物理化學方法或生物法在地下含水層直接凈化的技術。這種方法比較新,已經吸引了很多研究注意力, 而且應用的實例也在增加。

4、地下水的原位生物修復法, 主要依靠土著微生物的作用, 將污染物質分解為無毒無害物質。該技術最初被用于修復碳氫化合物污染的地下水。近幾年, 逐步被用于修復其他類型污染的地下水。原位生物修復法包括生物通風技術、曝氣技術、液體輸送技術、可滲透反應器。生物通風技術指把空氣注入受有機污染的包氣帶土層, 促進有機污染物的揮發(fā)及好氧生物降解, 這是一種治理包氣帶有機污染的技術。該技術去除污染物的主要機理是揮發(fā)和生物降解。研究表明, 好氧生物降解是生物通風技術的主要貢獻者。因為空氣中的氧為微生物提供好氧環(huán)境,為污染物提供電子受體從而促進污染物的好氧生物降解。該技術設備費用低, 不受外界氣溫影響等特點。但是難于

5、控制質量, 需頻繁檢測。曝氣技術處理地下水有機污染特別是石油烴污染很有效。石油烴在地下水中主要以吸附態(tài)和殘余液態(tài)存在: 吸附態(tài)的吸附在介質顆粒表面, 殘余液態(tài)的被截留在部分空隙里。這兩種形式的石油烴不隨水流動。該技術的主要機理為揮發(fā)、好氧生物降解和增加有機物的溶解。在去除地下水中石油烴方面, 該技術比傳統的抽出處理法更有效, 但只適用于易揮發(fā)又能生物降解的石油烴, 還必須嚴格控制空氣注入速度, 以防止揮發(fā)性物質轉移到大氣中。液體輸送技術與傳統的污水處理有類似之處, 電子受體通常是氧氣, 并加入營養(yǎng)物質, 以強化生物反應器中污染物降解過程。該技術在污染地區(qū)注入壓縮空氣和營養(yǎng)鹽, 微生物在含有營養(yǎng)

6、鹽的富氧地下水中, 通過新陳代謝作用將污染物降解; 在地下水流向的下游地區(qū), 用泵將地下水抽出地面, 可以用其溶解營養(yǎng)鹽再回灌到地下水中,如需要時也可對其進行進一步處理。其優(yōu)點為:可以處理沉積物吸附和夾帶的污染物、避免污染沉積物的遷移。但是該方法也可能導致微生物的過分生長, 造成含水層的堵塞, 致使后期的營養(yǎng)物無法注入。可滲透反應器是一個填充有活性反應材料的被動反應區(qū), 當受污染地下水通過時, 污染物能被降解或固定。污染物靠自然水力傳輸通過預先設計好的介質時, 溶解的有機物、金屬、氮磷等污染物被降解、吸附、沉淀或去除。屏障中含有降解揮發(fā)性有機物的還原劑、固定金屬的絡( 螯) 合劑、微生物生長繁

7、殖所需要的營養(yǎng)物和氧氣, 用以增強生物處理。多孔處理墻就是一種可滲透反應器, 將混合介質以一定厚度填到地下水水位以下, 形成多孔墻體, 該墻體與地下水水流垂直, 污染物流經處理墻時經生物或化學作用而去除。在地下水位較淺地區(qū)以鋸末和泥土混合, 就能構成一道松散多孔的脫氮墻, 鋸末降解緩慢, 可以為反硝化菌創(chuàng)造厭氧環(huán)境, 并提供碳源。地下水中的NO3- 流經脫氮墻時, 通過生物和化學作用而得以去除, 實地試驗表明反硝化菌是完成脫氮的主要因素。使用該種方法的前提, 是必須先了解地下水中污染物的種類和數量, 以保證投入的反應物或吸附質能有效地發(fā)揮作用; 同時又不會因反應物或吸附質投加過量, 而引入新的

8、污染物。目前較為常用的地下水凈化技術, 依然是傳統的抽出處理法。在這一過程中, 污染的地下水被從蓄水層抽出來, 然后通過地上處理設施處理,使溶于水中的污染物得以去除。抽出處理技術也主要分為物理化學處理、生物處理法等。物理化學方法主要包括空氣吹脫、炭吸附、化學氧化等技術。吹脫方法早期應用于去除水中溶解的CO2、H2S、NH3 等氣體, 同時增加水中的溶解氧來氧化水中的金屬。在20 世紀70 年代中期, 這項技術開始用于受低濃度揮發(fā)性有機物污染的水處理。但該法把水中有機物轉移到空氣中, 需要尾氣處理裝置, 增加了處理成本, 否則又會造成新的污染。 活性炭吸附是目前利用微孔吸附原理, 去除有機污染應

9、用最為廣泛的方法之一。早在19 世紀60 年代, 倫敦就開始利用動物炭用于飲用水來去除色度和味; 20世紀20 30 年代粉末活性炭用于食品和飲料工業(yè)生產超純水。1966 年, 美國馬薩諸塞州的第一座砂濾- 粉末活性炭串聯過濾設備的建立, 將顆粒活性炭運用于飲用水除污染處理系統中。此外, 活性炭是微生物生長的良好載體, 只要合理運作, 活性炭上的微生物對提高水處理效果,特別是延長活性炭使用周期都會起到積極的作用, 這種活性炭與微生物的協同技術成為生物活性炭。目前, 已得到很多應用。但是采用該法時,應避免預氯化處理, 否則微生物就不會在活性炭上生長, 因而失去生物活性炭的生物氧化作用。 化學氧化

10、被廣泛應用于地下水污染物的去除方面, 在地下水處理中比其他方法有更大的優(yōu)點。近來, 化學法的改進使得這種方法在地下水處理中越來越廣泛。其中三種化學氧化物質在工業(yè)和地下水處理方面被廣泛的應用( 即Cl2、O3、H2O2) , 還有氧氣用于去除地下水中的鐵和錳。氯氣氧化雖然成本較低, 但是會產生“三致”副產物。其他化學氧化法雖然降解有機污染物的能力較強, 但又存在成本過高問題。膜過濾法是新興的高效分離、濃縮、提純、凈化技術, 系用高分子薄膜作介質, 以附加能量為推動力, 對雙組分或多組分溶液進行表面過濾分離的物理處理方法。膜過濾技術是解決目前飲用水水質不佳的有效途徑之一, 但在目前情況下, 其成本

11、及操作維護費用太高, 限制了其推廣使用。1748年AbbleNelki發(fā)現水能自然地擴散到裝有酒精溶液的豬膀膚內,首次揭示膜分離現象。由于當時人們認知能力和科技條件的限制,直到1864年Traunb才成功研制出人類歷史上第一張人造膜一亞鐵氰化銅膜。隨后,雖有GibbS的滲透壓理論以及其他熱力學理做基礎,由于沒有可靠的膜可供利用,該方面的研究一直沒能有更大的突破。直到20世紀中葉,由于物理化學、生物學,聚合物學、醫(yī)學等學科的深入發(fā)展,新型膜材料及制膜技術的不斷開拓,各種膜分離技術才-相繼出現和發(fā)展,并滲入到研究和工業(yè)生產的各個領域。反滲透膜的發(fā)展史嚴格意義上說應該是始于20世紀50年,1953年

12、初,美國佛羅里達(Florida)大學的教授里德(Reid)首先發(fā)現醋酸纖維素具有良好的半透性,但是透水率卻非常小。不久,1960年位于洛杉磯(LosAngeles)的加里福尼亞(Califomia)大學教授洛布(Leob)和索里拉金sourirajan)等對膜材料進行了廣泛的篩選,也發(fā)現了乙酸纖維素具有特殊的半透性,他們采用氯酸鎂水溶液為添加劑,經過反復試驗,制成了第一張高性能非對稱的乙酸纖維素反滲透膜，該膜具有高通量，高脫鹽率，而且膜厚僅為100pm，為反滲透和超濾膜分離技術奠定了基礎。隨著第一張高性能反滲透膜的制成,反滲透開始作為經濟實用的海水和苦咸水淡化技術進入實用和裝置的研制階段。2

13、0世紀70年代初,杜邦公司的芳香族聚酸胺中空纖維膜反滲透器“PermasePB一90”問世,該產品獲得1971年美國Kirkpatrick化學工程最高獎,使反滲透膜的性能有了大幅度的提高。20世紀80年代初,全芳香族聚酞胺復合膜及其卷式膜問世并逐漸工業(yè)化。20世紀90年代中超低壓全芳香族聚酞胺復合膜開始進入市場,從此反滲透技術進入了快速發(fā)展和應用的階段。反滲透目前已成為海水和苦咸水淡化最為經濟的技術。反滲透是利用反滲透膜選擇性的透過溶劑(通常是水)而截留離子物質的性質,以膜兩側靜壓差為推動力,克服溶劑的滲透壓,使溶劑通過反滲透膜來實現對液體混合物進行分離的膜過程。因此,反滲透過程必須滿足兩個條

14、件:一是有一種高選擇性和高透過率(一般是透水)的選擇性透過膜;二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。在實際的反滲透過程中膜兩邊的靜壓差還必須克服透過膜的阻力。隨著我國地下水開采量的增加,地下水污染問題日益嚴重。硝酸鹽是地下水中普遍存在的一種污染物,特別是我國的北方地區(qū),地下水中硝酸鹽含量大面積超標。由于很多超標地區(qū)居民直接飲用地下水,地下水硝酸鹽污染嚴重影響到了當地居民的飲水安全，去除地下水中硝酸鹽的方法有很多,常用的有離子交換法、反滲透法以及生物法等。用離子交換法脫除地下水中的硝酸鹽,會產生含鹽量很高的再生廢液。生物反硝化雖然具有脫氮完全、運行成本低等特點,但生物法的脫氮效果易受環(huán)境因素影響,運

15、行管理人員必須掌握一定的生物技術，因此,生化反硝化脫氮技術不宜在農村飲用水處理工程中應用;反滲透技術具有處理效果好、效率高、工藝簡單等優(yōu)點,并且可以實現自動化,運行管理比較方便,當然,反滲透處理過程中也有濃水產生,通過控制合適的產水率,濃水可以用于農田灌溉或者養(yǎng)殖。因此關于反滲透技術脫除地下水中硝酸鹽的研究逐漸增多。地下水中的硝酸鹽是以離子狀態(tài)存在的,利用反滲透技術可以將地下水中的硝酸鹽和其他離子一起轉移到濃縮液中,從而達到去除硝酸鹽的目的。反滲透技術在處理苦咸水領域應用較早,在大部分苦咸水中都含有硝酸鹽,由于反滲透技術自身的特點,在處理苦咸水的過程中,硝酸鹽和其他離子一起從水中去除。反滲透工

16、藝包括混凝過濾、盤式過濾器、超濾膜過濾裝置、殺菌處理、高壓泵、阻垢劑和還原劑、保安過濾器、反滲透元件與裝置、系統控制等。由于地下水受到下雨等外在因素的影響很大，水中常夾帶大量泥沙，濁度變化較大，易造成反滲透預處理系統運轉不穩(wěn)定，故在預處理中要加入混凝過濾，目的在去除地下水中膠體、懸浮雜質，降低濁度。在反滲透處理中通常用污染指數（SDI）來計量，要求進入反滲透設備的給水的SDI4。由于地下水懸浮物較多，且隨下雨等因素影響較大，故預處理系統常選用聚合氯化鋁作為混凝劑，礬花快速形成并成網狀結構，沉降速度較快。超濾膜系統主要是去除水中的懸浮物（SS），保證反滲透的進水SDI4。通常情況下超濾膜的出水S

17、DI非常小，在2左右。另外由于超濾膜系統前有盤式過濾器，所以超濾膜系統的進水中不會泥沙的出現和懸浮物的過量情況，在運行過程中不會出現“斷絲”的情況，從而保證了反滲透進水對SDI的要求。超濾膜的材質一般選用聚偏氟乙烯（PVDF），孔徑在20nm左右。通常情況下，超濾膜過濾裝置后會加個水箱，用來存放超濾膜過濾水，為了防止水箱中有微生物滋生，會添加些殺菌劑進行殺菌處理，常用的殺菌劑為次氯酸鈉（NaClO）。高壓泵是為反滲透裝置提供能量的必須的設備，高壓泵的型號通常根據反滲透系統設計軟件中的流量和壓力來選型，高壓泵的揚程和進水鹽含量有很大關系，另外也受到進水溫度等因素的影響。由于地下水的硬度和堿度都是

18、非常高，為了使得反滲透系統能夠更好的運行，系統始終在沒有結垢的情況下運行，需要根據具體的水質投加相對應的阻垢劑；另外因為反滲透預處理中投加了氧化劑殺菌，故在反滲透進水時需要投加還原劑來還原，使得反滲透系統的進水余氯小于0.1ppm（或ORP<200mV），滿足反滲透系統對進水氧化物質含量的要求。由于反滲透之前要添加一些化學藥劑，為了防止沒有溶解的顆粒狀的藥劑進入到反滲透系統中，同時也為了給反滲透進水SDI提供雙保險（超濾系統是其中一個保險），所以添加了保安過濾器。通常保安過濾器濾芯的孔徑為5m，流量視進水流量而定。反滲透膜在運行過程中易受水中懸浮物、膠體、生物、結垢物以及有機物等引起的膜污染，造成膜性能下降進而