我國飲用水質(zhì)量現(xiàn)狀及對策

吳馨源

(北京交通大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100081)

1 飲用水水質(zhì)現(xiàn)狀

“民以食為天，食以水為先”，水是生命的源泉和保障。隨著人口的增多和社會的發(fā)展，安全潔凈的飲用水成為我們的必需品。遺憾的是，目前全世界有半數(shù)以上的國家和地區(qū)缺乏干凈的飲用水，而有限的水資源又面臨各種污染的威脅。特別是第三世界國家，目前約17億人喝不上清潔的水。我國水資源總量較豐富，全年總量約為32466億m3[1]，在全球水資源中約占6%，位于巴西、加拿大和俄羅斯之后，居全球第四位。然而，就人均水資源而言我國的水資源卻相當(dāng)貧乏，僅人均2300 m3，且嚴重分布不均。同時，中國的用水量是世界上最多的，全國總用水量達到6040億m3[1]，約占全球年用量的13%。目前，我國飲用水水質(zhì)明顯低于發(fā)達國家，水龍頭中偶爾還會散發(fā)出難聞的味道，時而渾濁，更有甚者水龍頭中會流出蟲子，飲用水的質(zhì)量令人擔(dān)憂。究其原因，一方面是由于我國多數(shù)水源的原水水質(zhì)相對較差，污染嚴重，水中濁度、色度及有機物、重金屬離子濃度偏高；另一方面則源于水廠的水處理工藝，我國大多數(shù)自來水廠依然采用混凝-沉淀-過濾-液氯消毒等傳統(tǒng)工藝(圖1)，對重金屬、有機污染物的去除效率有限，在水資源緊缺的大背景下不得不取水于水質(zhì)漸趨惡化的水源，因此新飲用水標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)成為一個較難達到的標(biāo)準(zhǔn)。此外，輸水管道中還會存在二次污染，同樣會導(dǎo)致飲用水質(zhì)量的下降。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查結(jié)果，人類疾病的80%跟水污染有聯(lián)系，因而對飲用水進行深度處理，提升飲用水質(zhì)量刻不容緩。

圖1 常規(guī)水處理工藝路線

2 飲用水深度處理技術(shù)

相對于常規(guī)水處理技術(shù)，深度水處理技術(shù)是指經(jīng)傳統(tǒng)工藝處理后采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段除掉傳統(tǒng)工藝水處理難以去除的以及在輸送過程中產(chǎn)生的重金屬、有機污染物[2]。目前深度水處理技術(shù)有很多種，研究報道較多的有氧化法[3]、生物預(yù)處理、吸附法[4]、膜法及光催化法[5]等。

生物預(yù)處理技術(shù)主要通過接觸氧化實現(xiàn)凈水目的[6]，常用于微污染水的處理。當(dāng)原水與生物膜接觸發(fā)生作用時，水中的污染物如氨氮、鐵、錳和有機物等氧化和轉(zhuǎn)化而凈化水質(zhì)[7]，是傳統(tǒng)飲用水處理方法的重要補充。近年來，生物預(yù)處理法逐漸引起了國內(nèi)外重視，在該方面取得了很多有意義的理論和應(yīng)用研究成果。但這種方法對水工藝凈化技術(shù)要求很高，目前還不很成熟，且對三鹵甲烷等污染物的去除率較低。

氧化法常用于水的深度處理中。其中，氯氣、臭氧、二氧化氯等氧化劑是目前最常用的氧化藥劑，常用于水廠的殺菌消毒[8-9]。由于氯化消毒過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物可能致癌，引起了人們的關(guān)注，臭氧氧化消毒逐漸被人們重視[3,10]。臭氧可用于水處理工藝的多個環(huán)節(jié)，目的在于通過其強氧化性將水中有機污染物去除。而且可以有效控制三氯甲烷這種致癌物質(zhì)的生成量。目前在歐美各主要城市早已普及自來水的臭氧氧化消毒處理技術(shù)。但臭氧氧化法也不是完美無瑕的，它的主要缺點在于基建和運行成本較高，臭氧往往需要現(xiàn)場制備從而不利于設(shè)備運行和維護；此外且臭氧脫除低濃度有機物效果有限。臭氧氧化有機物過程產(chǎn)生的過氫氧化物、環(huán)氧衍生物等中間產(chǎn)物的毒性和對人體健康的危害尚待深入研究。臭氧氧化會使水中的可降解物質(zhì)增多，出水水質(zhì)穩(wěn)定性下降，因此臭氧氧化很少單獨使用，常與吸附法等聯(lián)用[3,11]。二氧化氯(ClO2)作為一種氧化劑，其氧化性介于氯氣和臭氧之間，除了在除臭、消毒、除鐵錳、殺菌效果好、性價比高等特點之外，還能抑制鹵代烴的形成，在水處理研究和應(yīng)用中受到重視。美國印第安那州Evansville 城水廠采用常規(guī)凝聚沉淀、過濾后，經(jīng)液氯消毒處理的出水中的三氯甲烷超標(biāo)，采用二氧化氯ClO2消毒的出水與原水中的三氯甲烷含量基本相同，說明ClO2消毒并沒有引起三氯甲烷濃度的提高[12-13]。然而，水中原有的有機物可以將ClO2大量轉(zhuǎn)變?yōu)镃lO3-、ClO2-，這些物質(zhì)對人體紅血細胞會造成損害，并干擾碘的吸收代謝和升高血液膽固醇，從而限制了ClO2法的大面積推廣應(yīng)用。

活性碳是吸附法中最常用的水處理吸附劑，這種吸附劑原料來源廣，而且比表面積高、吸附量大、能吸附除掉水中多數(shù)有機物，其脫色除臭和對毒性物質(zhì)的去除效果良好，所以這種吸附劑應(yīng)用廣泛。但活性碳對極性短鏈含氧有機物、鹵代烴等物質(zhì)的脫除效果不好，宜與臭氧氧化等方法聯(lián)用。

膜法在水處理中的研究與應(yīng)用源于二十世紀六、七十年代，也是一種深度水處理的高級手段，主要包括微濾、超濾、納濾、反滲透等技術(shù)，可有效去除臭味、消毒副產(chǎn)物前體、有色物質(zhì)、微生物等[14]。為提高使用壽命，膜法對被處理水的要求較高，高昂的投資及運行成本是阻礙膜法大量應(yīng)用的主因。盡管超濾操作壓力相對較低但很難去除小分子有機物、反滲透和納濾處理過程的濃縮液需要進行后處理，這些都是制約其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸性難題。

光催化法是指有機物在紫外或可見光的作用下，將無機物氧化成為水、二氧化碳和微小離子的過程。光催化分解包括直接光解和間接光解兩大類。在利用光催化降解有機廢水的過程中，所采用的光源主要為紫外光。在紫外光和光催化劑的作用下，可激發(fā)水中的溶解氧產(chǎn)生高活性的激發(fā)態(tài)氧原子，這種物質(zhì)可與有機物發(fā)生自由基反應(yīng)從而降解有機物，可通過這種氧化作用破壞芳香族類化合物、酚類物質(zhì)等難生化降解物質(zhì)。紫外光處理難以獨立將有機物完全氧化，往往起到調(diào)質(zhì)作用，通過與生化降解等技術(shù)的聯(lián)用可大幅改善有機廢水處理效果。

3 活性碳纖維在飲用水深度處理中的應(yīng)用展望

活性碳纖維(Activated carbon fiber，簡稱ACF)為纖維狀活性碳，是繼粉狀、粒狀活性碳后于上世紀七十年代發(fā)展起來的第三代新型碳材料[4]，主要通過物理活化或化學(xué)活化方法制備。活性碳纖維的直徑一般在10～13 μm，具有比表面大、微孔豐富且分布窄、易與吸附質(zhì)接觸、擴散阻力小等特點[4,15]，故吸、脫附速率快，利于吸附分離。目前ACF已廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、輻射防護、環(huán)境保護、食品、醫(yī)用、衛(wèi)生等方面[15-16]，且越來越受到人們的重視。

ACF與傳統(tǒng)顆粒狀或粉狀的活性碳比較，具有以下特點[4,6]：(1)ACF直徑小，接觸面積大，吸附效率高；(2)吸附容量大、吸脫附速率快，可快速吸附低濃度廢氣或高活性的有機物；(3)孔徑分布窄，且以微孔為主。可通過調(diào)整工藝參數(shù)使其孔徑大小與被吸附物質(zhì)的分子尺寸相匹配，從而達到高效分離的目的；(4)體積密度小、擴散阻力小、動力消耗少，可以吸附粘度較大的液體物質(zhì)；(5)吸附層薄、漏損小，可制成輕小型設(shè)備；(6)強度高、不易粉化，不易造成二次污染；(7)純度高、雜質(zhì)少，可用于食品、衛(wèi)生醫(yī)療行業(yè)；(8)可以根據(jù)實際需要加工成布、氈、紙等多種形式以及圓筒蜂窩狀，具有適應(yīng)性強、操作簡便安全、節(jié)能經(jīng)濟等特點。

圖2 活性碳纖維水深度處理工藝路線

ACF孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，表面有大量的官能團，機械強度和良好的形態(tài)使其不易粉碎，且流體壓損小，填充層不易堵塞，易再生。近年來國內(nèi)外相繼開展了活性碳纖維飲用水深度處理研究，且多與臭氧氧化等聯(lián)合使用(圖2)。以活性碳纖維為核心材料制造的飲用水凈化裝置不僅凈化效率高，而且處理量大，裝置緊湊，效費比高。活性碳纖維水質(zhì)凈化與現(xiàn)在純凈水生產(chǎn)中常用的膜分離工藝相比，活性碳纖維不需高壓，濾阻小，能耗和水耗低。活性碳纖維的一大優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)易于調(diào)控。針對微污染水中有機物濃度低而含有部分用其他方法難以去除重金屬離子這一特點，利用適當(dāng)?shù)幕罨椒ê透男苑椒梢灾瞥霰缺砻娣e高、孔徑分布窄、吸附量大、吸脫附效率高的ACF[4]，從而達到利用ACF高效去除重金屬和有機物質(zhì)之效。

總之，由于水質(zhì)復(fù)雜多變，傳統(tǒng)工藝的混凝、沉降、過濾等技術(shù)已難以滿足人們對飲用水質(zhì)量的要求，需要大面積推廣吸附、臭氧氧化等深度水處理技術(shù)。同時，飲用水處理技術(shù)正向多技術(shù)聯(lián)合的方向發(fā)展，將活性碳纖維吸附催化功能與臭氧氧化殺菌功能相結(jié)合，有望解決目前飲用水中存在的有機物、金屬離子超標(biāo)等難題，切實提高飲用水的質(zhì)量，是非常有應(yīng)用前景廣闊的飲用水深度處理技術(shù)。