基于河岸过滤的一步反渗透饮用水净化技术.docx

一、引言在过去的几十年中，供水公司面临着新污染物越来越多或水源中污染物愈发令人担忧的问题。这一事实，加上实验室设备的不断改进，能够以越来越低的检测限检测更多的化合物，以及公众对饮用水中添加药物这一概念的高度敏感和直观排斥，导致了现有水净化技术的不断改进。在不断变化的世界中，水行业面临的这些挑战需要我们更新现有的水净化技术，以便在未来可持续地利用水资源。药物、个人护理产品、紫外线(UV)过滤器、环境激素、违禁药物、添加剂、代谢物、消毒副产品、阻燃剂和杀虫剂等新兴污染物是主要由人类活动产生的化学和(或)生物物质的剩余产物。一旦被释放到水环境(如地下水和地表水)中，这些新兴污染物就会经历化学、光化学和生物降解过程，从而改变其环境行为和生态毒理学特征。新兴污染物的生物累积性、生物放大性、持久性和毒性对水生生物和人类都是有害的，会造成内分泌系统紊乱、雌激素或激素紊乱、胎儿畸形，甚至损伤DNA等问题。为确保饮用水安全，已为数量有限的人为化合物制定了全球法定水质标准。例如，美国环境保护署最近确定饮用水中全氟辛烷磺酸(PerfIUoroOCtaneSUlfOnate,PFOS)和全氟辛酸(PerfIUOrOOCtanOiCaCid,PFOA)的建议健康水平为70ng1.o这个数值与普遍接受的毒理学关注阈值(toxicologicalconcern,TTC)相比，低得难以置信，因为TTC值低于0.1mg1.的物质被认为是无关紧要的。在分配无氯饮用水的荷兰，防止分配网络中的细菌再生是另一个值得关注的问题。研究有力地证明，在饮用水中颗粒物和营养物质较少的情况下，机会病原体生长的风险也会降低。当今饮用水生产和分配的高标准，导致现有处理厂增加了额外的净化步骤。由于工业发展，水源中出现的污染物可能会对人类健康造成影响，而传统的饮用水处理方法不能完全去除这些单个化合物或化学混合物的微量浓度。根据水源和特定供水设施的关键参数，传统的一系列生物、化学和物理净化步骤（即混凝、沉淀、慢砂过滤、软化和滴滤）通过额外的处理工艺得到增强。例如，据报道，包括基于紫外线（UV）/臭氧（Oj的应用、Fenton工艺和光催化氧化工艺在内的高级氧化工艺可有效去除天然有机物并减少消毒副产物。然而，高级氧化法仅将天然有机物分解成小的脂肪族和亲水性化合物，而不能将天然有机物完全氧化。低分子量亲水化合物可能是可降解的，也可能是持久且有毒的，并且其副产物的产生给大规模应用带来了挑战。颗粒或粉末活性炭吸附以及二氧化硅、氧化铝、沸石和金属氧化物吸附剂也可用于去除饮用水设施中出现的污染物，但是吸附剂的能耗和成本非常高。此外，饮用水处理厂的每个阶段（如建设、运营、化学品使用、处理过程）对气候变化（即能源消耗和温室气体排放）的影响意味着需要对供水技术进行改进及发展更可持续的供水技术。因此，水务部门迫切需要一种以自然为基础，可以绿色、高效地去除新兴污染物的技术。为了提供高质量和低风险的饮用水，饮用水公司倾向于使用最清洁的可用水源，并结合先进的处理方法来提高处理效率，同时尽可能降低投资、劳动力、运营成本和能源需求。因此，水务部门需要在自然发生过程的基础上，将自然过程与工程系统(COmbinationofnaturalandengineeredsystems,cNES)相结合，以改善水质。二、基于河岸过漉的一步反渗透技术一一一种自然且高效的饮用水生产工艺本文提出使用反渗透(RO)作为单步处理，以便从河岸滤液中生产高质量饮用水。虽然RO膜可以从给水中去除几乎所有种类的物质，但它们通常配备有预处理步骤，以调节和改变给水，防止膜组件的堵塞和结垢。由于其天然的预处理和改善水质的能力，与直接从河流取水相比，河岸过滤(RBF)是RO的有利来源。为了进一步提高饮用水质量和RO性能，本文建议将RBF与RO结合起来，成为一步反渗透(OSRC)处理技术，目的是以更低能耗和更少的化学添加剂实现自然净化。如图1所示，河水流经土壤通道以去除颗粒、有机物、细菌和病毒。之后，经过RBF预处理的水从抽水井中被抽出，并用Ro膜进行进一步净化以供应饮用水。图1基于RBF的OSRO示意图。在RBF中发生自然净化过程，河水在被提取为饮用水源之前通过河岸土壤通道流向收集井。提取的河岸滤液还会通过R。膜进行深度处理，以生产高质量的饮用水。（一）河岸过滤地表水和地下水是全球饮用水的两个主要水源。然而，地表水质量的日益恶化、城市化进程和人类文明的发展导致淡水资源的枯竭和污染，尤其在干旱地区这一现象更为严重。在这种情况下，稳定可靠的饮用水供应对于保障人类健康而言至关重要。经过150多年的使用和改进，RBF在欧洲已被公认为饮用水净化的成熟技术。其自然清洁能力（即过滤、吸附和生物降解）己在多项研究中得到证实，且RBF己被证明具有全球供水的潜力，如在美国、韩国、印度、埃及和巴西。RBF是一种天然的水净化过程。这一过程不是直接抽取河水，而是在被抽取为饮用水之前，让水通过河岸土壤中的土壤通道流到收集井,RBF可以去除悬浮固体、有机物、营养物质、可溶性化学物质、微生物和新出现的污染物。RBF包含两个基本部分：土壤含水层和抽水井。土壤含水层一侧与河床水力连接，另一侧与抽水井连接。一旦开始取水，地下水位就会降低，水从地表通过河床流向土壤含水层并流向抽水井。通过这种方式，地表水被土壤净化。河水在土壤含水层长时间的停留时间内会发生物理化学和生物过程，如过滤、生物降解、吸附和离子交换。RBF性能在很大程度上取决于含水层的特性。季节性变化、氧化还原条件和河水基质等环境因素会影响污染物去除效率。由于农业或医疗应用和污染物降解造成的季节性变化决定了河水中污染物的初始浓度。好氧和（或）厌氧条件对不同类型污染物的清除具有选择性，河水中的有机物含量促进某些有机微污染物（organicmicro-pollutants,OMP）的共同代谢。RBF性能还受河岸地质状况和厚度以及滞留时间、移动距离、流速等因素的影响。这些水文地质因素也影响污染物在含水层中的衰减。最近，RBF不仅被单独应用，而且还与人工补水、人工湿地和其他自然水净化过程相结合。与直接作为水源的地表水相比，RBF水的水质更高、更稳定，且后处理更简单。（二）反渗透尽管RBF能够去除生物和化学杂质，但并非所有污染物都能在通过河岸渗透的过程中被消除（如OMP和人工化合物）。为了获得高质量的饮用水，额外的处理可能仍是必要的。在外加压力下RC）使用部分可渗透的膜，这通常用于深度饮用水净化过程。之前与饮用水生产相关的RO研究主要是在RO元件用于海水脱盐的假设下进行的。浓差极化会影响Ro膜的能量消耗、结垢及对污染物的吸收和保持。当将RO应用于淡水时，由于渗透压差可以忽略不计，浓差极化对能量消耗的影响明显变小。最近，人们更加关注使用RO技术净化淡水资源。使用RO进行淡水净化的主要原因是它提供了一个有效的屏障，防止不断出现的微米和纳米污染物通过，而传统的处理技术无法轻易去除这些污染物。RO是一种物理分离过程，在此过程中，为了克服渗透压，通过正静水压力迫使自然流动的水通过膜流向浓度更高的溶液。RO膜的聚合材料形成分层的网状结构，水分子必须沿着曲折的路径穿过膜才能到达渗透侧。流体的流动取决于膜的孔隙率、膜体积分数和曲折度(即分子必须穿过膜的距离除以膜的厚度)。假设通过膜的流体流量遵循溶液-扩散模型，该模型取决于复杂的溶质-膜相互作用，包括空间位阻、静电相互作用和疏水-亲水相互作用。与其他膜相比，包括纳滤(nanofiltrationzNF)、超滤(ultrafiltration,UF)和微滤(microfiltration,MF)膜，RO膜(孔径在0.1lnm之间)可以滤除最小的污染物和单价离子。RO膜通常是以横流模式运行，最常见的是螺旋缠绕膜(SPiraI-WoUndmembrane,SWM),其中膜片缠绕在收集渗透物的内管上。研究表明，Ro可以在很大程度上去除离子物质。当RC)被结合到常规处理过程中时，能耗是很高的。然而，通过使用需要最少预处理的天然水作为独立RO的给水，RBF和RO的组合构成了一种可以生产高质量饮用水的新工艺，且运营成本低，对环境影响小。三、基于河岸过滤的一步反渗透一一荷兰某案例研究中的可行性和有效性评为了更加直观地了解OSRo概念，OaSenDrinkWater饮用水处理站（北纬51°53'37.5"、东经4°38'29.2”,位于荷兰1.ek河沿岸）进行了一项将RBF与Ro相结合的试点研究。该研究从温度波动、氧化还原条件、水质、生物稳定性、潜在必要的后处理和能源消耗等方面评估了OSRO的可行性和有效性。河水的季节性温度变化会改变水流量，并可能降低RO性能。当RO与涉及RBF的预处理相结合时，河水会流经土壤通道，抑制季节性温度变化，从而为RO膜提供温度恒定的水。在河水温度从425°C之间变化的地区，抽取的RBF水的温度始终为1112。这种稳定的温度对RO膜单元的稳定工艺提供了有利条件,从而形成了一个无压力变化的体系，并且由于沿膜的聚合浓度较低，因此结垢较少。进水的氧化还原条件是下游RO系统设计和运行的重要因素。营养物质和氧气造成的生物污垢需要额外的关注和维护。此外，同时含有Fe和02的进水通常会产生Fe（OH）3的沉淀。这种沉淀会严重影响Ro膜的性能，因此需要对给水进行额外的预处理步骤，例如，在膜过滤单元之前设置滴滤器。由于缺乏氧气和营养物质，厌氧地下水可以最大限度地减少反渗透装置中的生物污染问题。因此,纯好氧河岸滤液是RO膜净化装置的充分来源。原水水源中的颗粒物是RO处理设施的主要关注点。进水中存在的颗粒物会污染膜，降低RO膜的去除效率。在从RBF井中抽取的水中，原水的浊度下降了95%99%,这提高了RC）膜给水的水质。除颗粒物外，原水中的病原体，尤其是病毒，在60110天后，通过好氧（厌氧）河岸地下通道被去除到6个对数单位（即99.9999%的杀菌率）。在RBF之后，颗粒和病原体都被有效去除，提高了Ro后处理的净化能力。因此，OSRO处理完全能够生产无氯饮用水。新出现的OMP,包括杀虫剂、药品和个人护理产品、家用化学品和工业废品，进入天然水源后可能会对饮用水的人构成高风险。由于RBF涉及物理渗透、化学吸附和生物降解过程，OMP首先被自然预处理，然后可以通过Ro处理进一步去除。在中试规模的OSRO处理中，研究人员从2018年到2019年监测了10种选定OMP的去除情况（图2）o该检测观察到大多数OMP的去除效率超过75%,并发现从2018年和2019年的原水中提取的阿特拉津、苯达松、卡马西平、二甘醇二甲醛、碘帕醇、1,4-二氧杂环己烷、非那松和1,2-二氯苯的OMP被完全去除（100%）o此外，我们之前的研究调查了OSRo在处理混有30种选定模型C）MP的原始厌氧河岸滤液的稳健性。这些OMP包括中性和中等疏水性、中性亲水性、阴离子和阳离子化合物，它们可以通过人们使用药物和个人护理产品、杀虫剂、工业化学品和废物进入水源。观察到模型OMP的去除效率为乃99%。因此，RBF作为一种自然处理方法与RO工程工艺相结合，可以被认为是对抗大多数新出现的OMP的有力屏障。20182019图2使用OSRO处理选定的OMP的去除效率。2018年和2019年，在1.ek河和OSRO渗透物中测量了OMP浓度。MTBE：甲基叔丁基酸。()roJro>0EH为了在输水管网中获得无氯消毒和无消毒剂残留的饮用水，从生产到配水的饮用水供应必须是生物稳定的。饮用水质量受处理过的水和分配系统中存在的微生物的负面影响，军团菌等机会病原体对人体健康有害。饮用水的生物稳定性与可生物降解有机碳(biodegradableorganiccarbon,BDOC)和可同化有机碳(assimilableorganiccarbon,AOC)浓度有关。这种有机物可以通过Ro膜去除,从