饮用水水质安全与健康

饮用水水质安全与健康

饮水源中的氮、磷污染越来越受到重视。氮、磷的过量导致湖泊和其他封闭水域的富营养化，水质恶化，供水处理的难度增加。通过传统处理，很难实现饮用水的国家标准。有研究表明,在供水管网中,0.25mg·L-1的NH4+就足以使硝化细菌生长繁殖,且硝化细菌在代谢过程中会释放出嗅味;过量的硝酸氮会在人胃中还原为亚硝酸氮,与胃中的仲胺或酞胺作用形成致癌性物质亚硝胺。因此,法国和德国规定饮用水中的氨氮(NH3-N)≤0.5mg·L-1;荷兰更是严格至0.2mg·L-1;我国生活饮用水卫生标准规定NH3-N≤0.5mg·L-1。近几年,磷对饮用水生物稳定性的影响也引起了研究人员的关注。1996年,MiettinenIT博士指出饮用水中细菌的生长受到水中磷限制的情况,当磷浓度为1~3μg·L-1时,磷可能成为饮用水中微生物生长的限制因子。磷含量过高会造成饮用水中生物的再度繁殖,无法获得生物稳定的饮用水,直接威胁着饮水安全。本文主要介绍了微污染原水处理常见方法的脱氮除磷效果及其它一些脱氮除磷的方法,并对未来微污染原水脱氮除磷技术进行展望。1微污染原水的净化处理生物法是目前除氮最有效、最经济的方法,在常规工艺前进行生物处理,主要应用有生物过滤、生物接触氧化、生物流化床等。由于常规工艺不能有效的去除有机物和NH3-N;而且液氯易与原水中的腐殖质结合产生消毒副产物和三卤甲烷,直接威胁饮水健康。生物除氮在国内外已有不少研究和应用,尤其可用来代替折点加氯。法国AnnetsurMame水厂采用曝气生物滤池,NH3-N的去除率达97.5%;英国Mesmenham采用生物流化床工艺,NH3-N的去除率达95%。黄海真等利用四段式生物接触氧化池预处理微污染珠江原水,处理水量为25m3·h-1,填料段的接触时间为1.9h,总水力停留时间为2.5h,气水比为1.5~2.5。结果表明,出水NH3-N、CODMn分别为0.41、3.41mg·L-1,该工艺对NH3-N的去除率高达92.03%。嘉兴地区的水厂实施了生物预处理/臭氧-活性炭深度处理组合工艺,O3投量为2~3mg·L-1,出水CODMn≤3.00mg·L-1,NH3-N去除率为70%~100%,出水NH3-N≤0.05mg·L-1,使出水水质达到国家标准,这对微污染原水的净化处理有一定的参考价值。在给水处理中,磷的去除主要通过混凝沉淀和过滤2个工艺阶段进行,通过与混凝剂形成沉淀以及非溶解性的磷形成矾花而被去除。桑军强等研究表明常规混凝沉淀砂滤工艺使水中的微生物可利用磷(MAP)以及总磷、溶解性正磷酸盐大大降低,对MAP和TP的去除率分别在90%和80%以上;并且生物陶粒预处理对原水中MAP的去除率超过70%,对TP的去除率为51.3%。2o3-bac工艺去除有机物的研究O3-BAC工艺将活性炭物理化学吸附、O3的化学氧化、生物降解作用结合起来,使出水水质明显提高。关春雨等采用载锰颗粒活性炭催化O3氧化与活性炭工艺处理微污染松花江水。结果发现,对NH3-N的平均去除率在80%左右。陆少鸣等以东江水源枯水期的水质试验数据为依据,证明了采用O3-BAC治理微污染水源,出水COD、NH3-N和NO2--N平均值分别为1.25、0.449和0.004mg·L-1,达到国家生活饮用水水质标准。叶辉等人证明O3-BAC工艺不适于处理高NH3-N的原水。它有两方面不良影响,一是NO2--N在炭层内积累,可能生成致癌的亚硝胺类化合物;二是由于硝化反应过度消耗DO,影响O3-BAC工艺去除有机物的效率。O3-BAC工艺对氮磷的去除主要依靠生物的新陈代谢作用,虽然NH3-N能够得到较高的去除率,但仅靠生物作用磷的去除有限,若再增设混凝沉淀工艺,则可有效除磷。3传统工艺的改进3.1温度、ph对发酵及干燥温度的影响强化混凝是指改善混凝剂匹配和优化混凝工艺的条件,提高混凝沉淀对有机物的去除效率,降低消毒副产物的前驱物的浓度,从而降低滤后消毒副产物超标的风险。黄晓东等利用强化混凝工艺处理微污染水源水,研究表明,强化混凝→沉淀→生物陶粒预处理→砂滤→消毒工艺出水的常规指标均能达标。而杨艳玲等研究表明强化混凝除磷与温度、pH有关,最佳pH为7,水温升高有利于提高混凝除磷的效果;溶解性磷的去除总体上来说更困难,但当混凝剂投量增加到一定程度,正磷酸盐也能有效的去除,说明强化混凝有助于提高除磷效果。强化混凝不能有效除氮,对AOC的去除效果也不明显,无法提高水的生物稳定性,因此需增设活性炭吸附或生物处理单元。黄仕元、袁杏等研究表明,微污染原水经高锰酸钾强化混凝与亲水性悬浮填料生物降解处理后,水中浊度、CODMn、NH3-N等的去除率分别为63.25%、59.5%、58.6%。故对一些老水厂而言,采用高锰酸钾与亲水性悬浮填料联用是一种经济有效的手段。3.2微环境处理研究强化过滤是在保证滤池对浊度去除效果的同时,使滤池具有去除水中NH3-N、亚硝酸盐氮和有机物的能力。其核心是将常规工艺中的普通滤池改造成生物滤池,用于强化过滤的滤料有沸石、陶粒、石英砂、颗粒活性碳等。常规水处理工艺中滤料对NH3-N的去除能力很差(15%左右)。Wilderer等对以沸石作为生物膜载体的SBR系统进行研究,结果表明,其对冲击负荷有一定的缓冲作用,可实现出水稳定达标排放。汪胜等进行了生物沸石滤池处理微污染水的中试研究,结果表明,在最佳水力负荷为3.18m3·m-2·h-1时,NH4+-N、COD的去除率分别为75.2%、31.8%。张小东等采用生态纤维及陶粒作为填料,生态纤维是一种模拟天然水草形态加工而成的新型水处理材料,以人工湿地作为构筑物对崇明前卫生态村水体进行处理。结果表明,处理后的水体COD、TP、TN、NH3-N等指标达到或优于国家Ⅲ类水质标准。王圃等采用新型AF滤料在水厂进行了模型试验,结果表明,单层AF滤料滤池和双层AF-无烟煤滤料滤池在充氧条件下,滤速为4m·h-1时,对NH3-N的去除率分别为55%和61%,出水水质均优于国家饮用水标准。王俊岭等试验研究了活性氧化铝在饮用水工艺中对微量磷和浊度的去除效果,结果表明,活性氧化铝对溶解性总磷(DTP)的去除效果明显,平均去除率为82.19%,出水DTP平均浓度为8μg·L-1。为提高水质,我国大多数水厂必须改进现有的处理工艺或增设新的深度处理工艺,而改进现有的水处理工艺是对大多数水厂来说最可行的方法。强化过滤弥补了常规工艺除氮效果差的缺点,使其具有了脱氮除磷的双重功效;且无需增加建设用地,投资少,是较有竞争力的技术措施。4改性沸石去除废水中的磷酸盐天然非金属矿物材料处理废水,设备简单、操作简便、无二次污染,有些矿物材料还能再利用,在大规模废水处理中成本低、效果好,如沸石、土壤、方解石、粉煤灰等,正在引起国内外各界的关注。Ciambeli等人研究了利用PhiliPsit沸石从城市废水中去除氨的效果。结果表明,NH4+的去除率大于95%,出水NH4+达标排放。赵统刚等利用粉煤灰合成沸石,去除模拟废水中的磷酸盐。结果表明,粉煤灰合成沸石除磷效果明显,其磷酸吸收系数几乎是原料粉煤灰的4倍。张美兰等利用天然沸石和硅酸钙为介质的过滤装置处理含氮磷的污水处理厂出水,通过静态试验,得出了每g天然沸石粉末对NH3-N的吸附容量为5.76mg;每g硅酸钙粉末的磷酸盐吸附容量为60mg。该工艺可将NH3-N和磷酸盐降低至达标排放,为污水处理厂的出水提供了一种合适的生态型处理方式。而林建伟等通过试验研究了方解石去除水中磷酸盐的影响因素。结果表明,Ca2+促进了方解石对磷酸盐的去除,并且Ca2+浓度越高,对磷酸盐去除的促进作用越强。薛传东等采用底泥掩蔽技术,选取天然红土,添加适量的粉煤灰及石灰粉作为掩蔽覆盖物,对滇池富营养化水体进行现场修复试验。结果表明,用天然矿物材料减小底泥内源营养盐负荷的释放修复富营养化水体的效果良好,这为滇池及类似湖库富营养化水体的修复提供了崭新的思路。5纳滤、膜生物反应器和预处理的研究膜技术处理微污染原水可得到优质、安全、可靠、稳定的饮用水,且膜技术具有能耗低、工艺简便、操作简单、易与其他工艺组合使用等优点。DietzeA等在给水除磷中使用了微/超滤膜工艺,并进行了多年的对比考察。研究发现,该工艺的除磷效果与混凝过滤工艺相当,避免了化学除磷所要求的大量药剂。何圣兵等人就曾研究过经活性炭过滤后直接用纳滤膜处理实验室自来水,结果表明活性炭过滤对NH3-N的去除率为零,而经过纳滤膜后NH3-N的去除率可达37.5%。王娟等考察了一种新型荷负电羧甲基甲壳素/聚丙烯腈复合纳滤膜对污水(中水)的处理效果。结果表明,在1.0MPa、30L·h-1、室温下,纳滤膜出水总氮浓度为2.7~3.5mg·L-1,达到生活饮用水标准(GB5749-85);溶解态总磷浓度为1.0~1.7mg·L-1,已接近1mg·L-1的污水Ⅱ级排放标准(GB8978-1996)。Koyuncu等进行了反渗透膜去除地表水中NH4+的研究,结果表明NH4+的去除率可达到95%,出水中氨的浓度仅为0.2mg·L-1。膜技术是一种绝对的物理过滤,多与生物法联用除氮。目前常见的工艺有膜生物反应器和预处理加膜过滤等。日本扎幌大学曾采用膜生物反应器去除饮用水中的NH3-N,法国的DelenagheB和ChangJ及波兰的Ewa也采用分置式膜生物反应器去除过水中的硝酸盐氮。付婉霞等对NH3-N含量为7~14mg·L-1的废水采用膜生物反应器处理,NH3-N去除率为32.4%~100%。吴志超等研究表明,采用混凝沉淀-生物曝气-超滤组合工艺,当原水NH3-N<10mg·L-1时,出水NH3-N<1.0mg·L-1,去除率达90%以上。6资源保护及磷处理效果人工湿地法可有效去除废水中的悬浮物、有机物、氮、磷和重金属等,由于其具有污染物去除能力强、耐冲击负荷能力强、开发和维护费用少、能耗低和高稳定性等优点,在国内外得到了广泛应用。人工湿地一般用于处理生活污水、工业废水及农业点源污染等,但目前更趋向用于治理富营养化水体和水资源保护。ShallGray等研究以Maerl(钙化海藻)基质潜流型人工湿地系统的磷去除效果,结果磷去除率达到98%。汪俊三等采用人工湿地处理星云湖富营养化水(1000m3·d-1),共筛选出60多种植物,并将水力负荷提高到1m3·m2·d-1。连续32个月的运行结果表明,高水力负荷人工湿地对非离子氨、叶绿素a和蓝藻的平均去除率分别达90%以上,对TN和TP去除率分别为68.83%和50.0%,可将地表IV类水质处理为II类水质。王方园等利用一种新型水生植物伊乐藻净化微污染地表水,通过对其生长特点及栽培后净化效果的试验研究,结果表明这种新型水生植物对水体中的氮、磷及有机质具有显著净化作用,由劣Ⅴ类水可以提高到Ⅲ类水质,磷的去除率达85.6%,不存在二次污染。此伊乐藻在养殖业和小规模流动差的水处理及饮用水净化领域具有实际推广应用价值。故人工湿地所特有的脱氮除磷效果将越来越为人们所重视。7其他工艺7.1同步脱氮除磷技术磷酸铵镁(鸟粪石)沉淀法是一种有效的去除废水中高浓度NH3-N、磷酸盐的技术,它是基于水中的NH4+、PO43-、Mg2+可生成MgNH4PO4·6H2O沉淀,从而实现同步脱氮除磷的技术,是一种很被看好的可持续发展水处理技术。蒋京东等研究表明鸟粪石结晶沉淀法适合处理NH3-N浓度400mg·L-1以上中、高浓度废水,NH3-N去除率能达到96.7%以上。汤琪等研究知最佳的试验条件为温度25℃左右,反应时间为30min,陈化时间为20min,n(Mg)/n(N)为1.2,n(P)/n(N)为1.03,pH为9.5,此时磷酸盐的去除率为99.73%,NH3-N的去除率为98.83%。若能将此法用于处理氮磷浓度较低的微污染水,对于富营养化水体的修复将是不错的选择。7.2循环电解法电凝聚是用电化学法在电凝聚装置内直接产生Al(OH)3,再利用Al(OH)3的网捕作用协同多核配合物的电中和作用,产生絮凝作用。曾有日本人试验研究此法的除磷效果,使用碳、铝、铜或铁为电极,在直流0.5A的条件下,电解家庭污水2h,磷的去除率高达99.5%。黄丽华等研究表明,在水样pH为7,电流密度为8.754mA·cm-2,电解20min和静沉10min的最佳条件下,总磷去除率达71.2%。还有人研究将电解法与生物法结合,用铝板做电极,通过循环电解与不循环相比,可使磷的去除率提高约40%。此法的优点在于去除氮磷和降低COD。7.3微污染水源水雷国元等针对富营养化源水中有机物、氮、磷污染物的去除,将生藻类刚毛藻与生物膜相结合,组成刚毛藻-生物膜共生系统。结果表明,在自然条件下,刚毛藻-生物膜共生系统可以有效地降低水中的有机物、NH3-N、总氮、总磷含量。施锦岳等研究臭氧、生物沸石、活性炭相结合的集成净水工艺,经对宁波姚江微污染水源水中试,结果显示出了去除污染物质的良好效果。该工艺能去