納濾膜分離水處理技術(shù)可提高飲用水安全

　　環(huán)保網(wǎng)訊：飲用水水源水質(zhì)，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，呈現(xiàn)出明顯的時(shí)代特征。為了保證飲用水水質(zhì)安全，相應(yīng)的，飲用水處理技術(shù)也必須隨著人類文明的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不斷地創(chuàng)新和進(jìn)步。

　　在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化水平相對(duì)較低的20世紀(jì)初及之前，飲用水水源中的污染物主要是懸浮物、膠體以及病原微生物、病毒等，特別是在該時(shí)期由于人口相對(duì)較少，人類的需水量不大，大部分飲用水水源采用地下水，所以該時(shí)期威脅飲用水安全的主要污染物是病原微生物和病毒，即生物安全性。

　　到了近代，由于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)，特別科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量人工合成化學(xué)品的問(wèn)世及使用，導(dǎo)致飲用水水源的水質(zhì)惡化（現(xiàn)代先進(jìn)的水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)可以分析出絕大部分污染物）。而與水源水質(zhì)相適應(yīng)的飲用水處理技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，導(dǎo)致人們對(duì)飲用水安全的擔(dān)憂。1974年以來(lái)，美國(guó)在飲用水中發(fā)現(xiàn)2100種化學(xué)物質(zhì)，其中190種是可疑的，99種致癌或可疑致癌物，82種致突變物，28種急性或慢性致毒物。美國(guó)環(huán)保局（簡(jiǎn)稱美國(guó)EPA，USEPA）對(duì)全國(guó)范圍的飲用水進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)氯化消毒的飲用水中普遍含有鹵代烴類，在被檢測(cè)的289種化合物中，有111種鹵代有機(jī)物。我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，而城市污水和工業(yè)廢水的治理跟不上經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未經(jīng)處理的污水直接排入水體，加上農(nóng)藥和化肥的濫用，導(dǎo)致飲用水源水質(zhì)不斷惡化。對(duì)全國(guó)35個(gè)江段有機(jī)污染物的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水體中痕量有機(jī)物種類繁多，致癌、致畸、致突變的“三致”物超標(biāo)倍數(shù)高。在7個(gè)流域的14個(gè)典型江段中共檢出197種有機(jī)化合物，其中致癌化合物25種，屬于USEPA的優(yōu)先污染物53種。我國(guó)南方某水源中多種有機(jī)氯農(nóng)藥共存，仲丁威、阿特拉津常年存在。近代水源水質(zhì)的這些顯著的特征，是對(duì)飲用水安全，以及飲用水處理技術(shù)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

　　當(dāng)前人類已經(jīng)進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了前所未有的高度和水平，人們的生活水平也空前提高?？茖W(xué)的發(fā)達(dá)和產(chǎn)業(yè)化浪潮，雖然給人類帶來(lái)物質(zhì)文明，但也導(dǎo)致人們對(duì)化學(xué)品的過(guò)度依賴。例如，為了使牛、羊多長(zhǎng)肉、多產(chǎn)奶，人們給這些牲畜體內(nèi)注射了大量雌激素；為了讓池塘里的魚(yú)蝦迅速生長(zhǎng)，養(yǎng)殖戶添加了“催生”的激素飼料；為了促使蔬菜、瓜果的個(gè)頭大，提前進(jìn)入市場(chǎng)，菜農(nóng)和果農(nóng)們不惜噴灑或注射一定濃度的乙烯利、脫落酸等“催生劑”。這些人工合成化學(xué)品在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪械膹V泛應(yīng)用，雖然獲取了暫時(shí)的利益，但是也使人類賴以生存的環(huán)境蒙受了巨大危害。目前從地表水水源、污水處理廠的出水、甚至飲用水中都檢測(cè)出了有別于一般化學(xué)品的新興污染物，這些污染物包括環(huán)境激素（也稱內(nèi)分泌干擾物，EDCs）；藥品和個(gè)人護(hù)理品（PPCPs）類化合物，尤其備受關(guān)注的是具有藥物活性的化合物（PhACs）；等等。這些新興污染物較一般的化學(xué)污染物的危害更大，其含量在非常小的情況下（幾十萬(wàn)分之一或更小的含量），就可以引起生物免疫功能紊亂而導(dǎo)致許多人們意想不到的疾病甚至癌癥；可以引起生物生殖系統(tǒng)紊亂和生殖系統(tǒng)疾?。ㄖT如引起生物雌雄同體現(xiàn)象或最終導(dǎo)致不孕不育而走到滅絕的境地）；也可以引起生物神經(jīng)系統(tǒng)紊亂而使生物自殺現(xiàn)象日趨嚴(yán)重或患有精神病人數(shù)屢屢增加。如何有效地去除飲用水源中這些新興污染物，使飲用水水質(zhì)滿足新的飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006）要求，是當(dāng)前飲用水處理中面臨的嚴(yán)峻課題。

　　聯(lián)合國(guó)把飲用水的安全保障和基本衛(wèi)生設(shè)施的擴(kuò)大，作為千年計(jì)劃目標(biāo)（MDGs）之一。這說(shuō)明，保證飲用水安全是聯(lián)合國(guó)實(shí)現(xiàn)MDGs其他目標(biāo)——諸如削減貧窮和饑餓、保障衛(wèi)生保健、普及教育、性別平等和可持續(xù)發(fā)展等目標(biāo)，所必須具備的重要條件。因?yàn)槟壳笆澜缟线€有11億人口不能使用安全的飲用水，特別是在撒哈拉沙漠以南的非洲地區(qū)，這方面的設(shè)備投入進(jìn)展緩慢，但是人口卻激增，實(shí)現(xiàn)飲用水安全保障目標(biāo)非常困難。

　　目前我國(guó)飲用水處理工藝大多仍然采用常規(guī)處理工藝——混凝、沉淀、過(guò)濾和消毒，該工藝處理的主要目標(biāo)污染物是懸浮物和細(xì)菌等，但對(duì)病原微生物（如隱孢子蟲(chóng)和賈第鞭毛蟲(chóng)，常稱為兩蟲(chóng)）不能可靠去除。而微濾（MF）∕超濾（UF）可以可靠分離賈第鞭毛蟲(chóng)和隱孢子蟲(chóng)等耐氯性生物和浮游生物，是混凝沉淀砂濾工藝的理想替代工藝，目前利用者在迅速增加。砂濾工藝在分離隱孢子蟲(chóng)時(shí)3log是分離極限，但是MF/UF分離可以達(dá)到5-6log的高去除率，已經(jīng)可作為通用水處理技術(shù)進(jìn)行推廣。但不論是砂濾還是MF/UF分離都屬于固液分離工藝，并不能期待利用它們可以有效地去除水中的有機(jī)物（包括新興污染物）。

　　不過(guò)與鋁系混凝劑相比，鐵系混凝劑具有更高的有機(jī)物去除率，因此，在強(qiáng)化常規(guī)飲用水處理工藝處理有機(jī)物時(shí)，考慮用鐵系混凝劑替代鋁系混凝劑是一個(gè)很好的選擇。

　　為了有效地去除飲用水水源中的各種有機(jī)污染物（包括新興污染物），特別是那些對(duì)人類健康具有現(xiàn)實(shí)或潛在危害的有機(jī)物，以及可以產(chǎn)生有毒有害消毒副產(chǎn)物的有機(jī)物，研究人員已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究，并開(kāi)發(fā)出很多處理技術(shù)，其中高級(jí)氧化技術(shù)，以及臭氧/生物活性碳工藝就是這些飲用水深度處理技術(shù)的代表。目前由于臭氧/生物活性炭工藝在去除水源中消毒副產(chǎn)物前質(zhì)、降解水中各種穩(wěn)定化學(xué)污染物、破壞產(chǎn)生異嗅異味物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)以及有效滅活水中各類病原微生物等方面具有較好的效果，再加上其工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，所以在飲用水深度處理中得到比較廣泛的應(yīng)用。不過(guò)需要指出的是，臭氧—生物活性炭工藝也存在明顯的不足。單獨(dú)的臭氧氧化對(duì)一些穩(wěn)定性的農(nóng)藥類物質(zhì)、有機(jī)鹵代物的分解效率很低，這時(shí)，往往需要使用高級(jí)氧化技術(shù)（如臭氧/過(guò)氧化氫技術(shù)）等。另外，當(dāng)原水中存在一定濃度溴離子時(shí)，臭氧處理會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)致癌性的溴酸鹽。溴酸鹽生成控制及降解技術(shù)的研究，目前是飲用水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)。除此之外，由于臭氧/生物活性炭工藝中，炭池中微生物及水生動(dòng)物的生存環(huán)境好，導(dǎo)致炭池中的微生物、微型水生動(dòng)物，特別是病原微生物（如病毒、病原菌、“兩蟲(chóng)”、攜帶寄生蟲(chóng)的后生動(dòng)物等）數(shù)量的過(guò)度孳生，并代謝產(chǎn)生有毒物質(zhì)。由于微型水生動(dòng)物是某些病原微生物的寄主，其大量增殖，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致病原微生物的增加，從而增加了病原微生物從炭池泄漏的可能性。另外，由于目前臭氧/生物活性炭通常是置于砂濾池之后，故炭池中的生物活性炭顆粒容易泄漏到出廠水中，而該炭粒包裹的微生物，對(duì)消毒劑的滅活起保護(hù)作用，將大幅度降低處理水的消毒效果。因此，臭氧/生物活性炭的處理水存在生物安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　納濾（NF）膜是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來(lái)的一種新型分離膜，其特點(diǎn)主要有兩個(gè)：一是它的截留分子量（MWCO）介于反滲透膜和超濾膜之間，約為200-1000Da（孔徑0.5-1.0nm），兼有反滲透（RO）和UF的特點(diǎn)；二是因其表面分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成（帶電荷），而使得它對(duì)無(wú)機(jī)電解質(zhì)具有一定的截留率。即納濾膜是一種具有納米級(jí)帶電微孔結(jié)構(gòu)的分離膜，其在應(yīng)用過(guò)程中具有兩個(gè)顯著特性：一是篩分效應(yīng)，可以截留小分子量的中性溶質(zhì)——有機(jī)物和病毒；二是對(duì)于不同價(jià)態(tài)的陰離子具有篩分和電荷雙重效應(yīng)（電荷效應(yīng)又稱為Donnan效應(yīng)，即離子與膜所帶電荷的靜電相互作用），這就是納濾膜在很低壓力下（相對(duì)反滲透的高壓）仍對(duì)離子型無(wú)機(jī)物具有一定截留率的重要原因。由于納濾分離兼有RO和UF的特點(diǎn)，可以同時(shí)去除水中有機(jī)物和無(wú)機(jī)離子，所以將納濾膜用于飲用水深度處理，可以將水中的有機(jī)物（包括溶解性有機(jī)物和新興有機(jī)污染物）和有害無(wú)機(jī)物等一次性同時(shí)去除，但保留對(duì)人體有益的礦物質(zhì)；而且運(yùn)行管理和MF/UF膜分離一樣可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，既可用于人力資源缺乏的小型水廠，又可作為臭氧/生物活性炭的替代工藝在大型水廠應(yīng)用；并且納濾分離是一種“清潔”的分離技術(shù)（沒(méi)有副產(chǎn)物）。所以，以納濾膜為基礎(chǔ)的飲用水處理工藝，可能是臭氧/生物活性炭的理想替代工藝。事實(shí)上，目前在以國(guó)際河流為水源的歐洲國(guó)家，為了應(yīng)對(duì)由蒸發(fā)殘留物等問(wèn)題引發(fā)的諸多水處理問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施由臭氧/生物活性炭工藝向以納濾分離為基礎(chǔ)的飲用水處理工藝轉(zhuǎn)換。

　　納濾膜在大型飲用水深度處理中應(yīng)用存在的主要問(wèn)題，首先是現(xiàn)有納濾膜的操作壓力大（0.5-1.0MPa），電耗高；其次納濾膜的通量低（10-30L/m2.h），膜設(shè)備的投資大；納濾膜的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染嚴(yán)重，運(yùn)行費(fèi)用高，操作管理復(fù)雜；并且納濾膜的預(yù)處理要求高，預(yù)處理工藝組成復(fù)雜。

　　降低納濾膜的操作壓力主要有三種途徑：一是制備多層復(fù)合膜，并使用親水性的支撐層；二是采用超薄的、高親水性的膜皮層（分離層）；三是通過(guò)引入功能性的化學(xué)基團(tuán)，達(dá)到既能降低膜壓力，又能保證膜通量及污染物截留率的目的。

　　降低納濾膜的成本，包括降低膜設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。納濾膜設(shè)備的價(jià)格主要與制備膜的原料及膜通量有關(guān)，通過(guò)開(kāi)發(fā)廉價(jià)的新型膜材料，并制備高通量的納濾膜組件，可以降低納濾膜設(shè)備的投資；運(yùn)行費(fèi)用主要決定于膜的操作壓力（電費(fèi)）和膜的壽命（換膜周期）。

　　納濾膜污染一方面會(huì)使膜通量降低（恒壓運(yùn)行），導(dǎo)致設(shè)計(jì)的膜設(shè)備數(shù)量增加；另一方面膜污染會(huì)使納濾膜操作壓力增大（恒流量運(yùn)行），運(yùn)行費(fèi)用（電費(fèi)）提高?？刂萍{濾膜污染的方法，一是將膜與其他處理工藝組合，去除可以對(duì)膜產(chǎn)生污染，特別是不可逆污染的污染物；二是優(yōu)化膜系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)；三是研究各種有效的清洗方法（包括物理清洗和化學(xué)清洗），恢復(fù)污染膜通量；四是開(kāi)發(fā)新型抗污染膜材料。

　　目前就降低納濾膜的操作壓力、提高膜通量、控制膜污染以及簡(jiǎn)化預(yù)處理工藝等方面的研究很多，但是建立在納濾膜與污染物相互作用機(jī)理基礎(chǔ)上的新型膜材料及相應(yīng)的制備技術(shù)的突破是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。

　　經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化浪潮給人類帶來(lái)物質(zhì)文明的同時(shí)，也使人類蒙受了很大危害。其中水源嚴(yán)重污染，進(jìn)而導(dǎo)致飲用水的安全性危機(jī)就是典型的危害。針對(duì)目前十分嚴(yán)峻的飲用水水源污染的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)可靠、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的，與水源水質(zhì)相適應(yīng)的飲用水深度處理技術(shù)，保證飲用水安全是目前亟待解決的重要課題。納濾膜兼有RO和UF的特點(diǎn)，可以將水中的有機(jī)物和有害無(wú)機(jī)物等一次性同時(shí)去除，保留對(duì)人體有益的礦物質(zhì)；便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；并且納濾分離是一種“清潔”的分離技術(shù)（沒(méi)有副產(chǎn)物），是臭氧/生物活性炭的理想替代工藝。不過(guò)，建立在納濾膜與污染物的相互作用機(jī)制基礎(chǔ)上的新型膜材料及相應(yīng)的制備技術(shù)的突破是納濾膜在飲用水深度處理領(lǐng)域中推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。