水体颗粒物与饮用水质处理

汤鸿霄
中国科学院生态环境研究中心 环境水化学国家重点实验室

　　水体颗粒物的现代概念

　　在自然界的天然水体和水处理流程中的工艺水体内, 都含有形形色色的颗粒物。作为研究对象，颗粒物并无统一的严格定义。一般说来, 它是指比溶解的低分子更大的各种多分子或高分子的实体，不同学科根据其研究目的赋予不同的含义内容。在现代环境水质科学范畴内，颗粒物的概念相当广泛,并不仅限于原来以0.45微米(μm)滤膜截留以上的悬浮物范围。它把矿物微粒，无机和有机的胶体、高分子，有生命的细菌、藻类等都归类为广义颗粒物，实际上包括了粒度大于1纳米(nm)的所有微粒实体，其上限可达数十到上百微米。这种考虑是从对环境水质的影响作用出发的。颗粒物群体具有十分广阔的微界面(micro-interface)。它们本身既可成为污染物，而更重要的是与微污染物相互作用成为其载体，在很大程度上决定着微污染物在环境中的迁移转化和循环归宿。
　　广义颗粒物包括了多种多样的物质，它们都是生活饮用水中与人体健康密切有关的内容。构成浊度的微细胶体聚集体，构成色度的天然腐殖质和各种有机有毒物也都在广义颗粒物范围之内，溶解性有机低分子和无机络离子与颗粒物也有密切的相互作用。因此，水体颗粒物包含着饮用水标准的主要指标和水质处理的核心对象。

　　水体颗粒物与诨浊度

　　水中多种多样的颗粒物常常不是单独存在，而是相互结合成为聚集体。它们可以归纳为某种结构模型，便于统一研究和讨论。颗粒物的聚集体以无机颗粒物为骨架，它们是各种矿物微粒和粘土矿物，在天然水体中以高分子腐殖质及铁、铝、硅的水合氧化物为架桥物质而结合到一起。它们在土壤中成为团粒。在污染水体中，界面上吸附了各种微污染物和藻类、细菌等。饮用水的浑浊度指标就是反映这类颗粒物聚集体的数量和形貌，水处理工艺中则进一步与投加的无机和有机絮凝剂结合而成为絮团，并且吸附水中各种污染物，成为随后流程中分离去除的主要对象。
　　饮用水质最原始而直观的清洁标准是浑浊度，只是一种感官体现。现代水质标准中的浑浊度则具有更复杂的内涵和定标方法。目前水处理技术中对浊度的要求是以NTU为指标。它是以标准操作制备的化学物质溶液的光学效应定标。浑浊度反映的实际是广义颗粒物聚集体的综合内容，其中包含着界面吸附的各种微污染有毒有害物，因而与人体健康有直接关系。浑浊度的标准要求日益严格，生活饮用水过去控制在10度，后来降低到5度，目前又降低到1度以下，甚至达到0.3以至0.1度。这种发展趋势说明科学对水质的理解逐步深入，相应对水质处理技术的要求也随之提高，近年来发展的高效絮凝、深床过滤、纳膜过滤等技术都是围绕着浑浊度的严格要求形成的。

　　有机有毒化学品与高级化学氧化

　　近代世界有机化学品的生产量逐年成直线上升，达到每年数亿吨之多，据统计，日常应用的就有70000多种，在工业化国家进入环境的化学品量相当于每年每平方米300克，其中相当部分对生态和人类具有毒性，对人体健康造成很大威胁。各类有机有毒化学品是当前国际上最关注的污染物，国外目前已注意到除致癌物外甚至包括神经毒素、发育和生殖障害物等化学品，近来欧洲的二恶因事件就是突出的例子。水质标准相应也日益严格，检测和处理都要求高新技术。化学品的环境问题，我国虽然尚未完全提到主要日程上来，但已达到相当污染水平。特别是对生活饮用水，理应成为关注的焦点。
　　在当前制定的环境优先污染物中都是以有机有毒化学品为主要项目，例如：
　　美国制定的环境优先污染物129种中有机有毒化学品就占114种，中国制定的68种中有机有毒化学品占58 种。其中主要包括单环多环芳烃、卤代烃、苯及联苯、硝基、酚类和各类农药、杀虫剂等。我国提出2000年饮用水质规划中有机有毒化学品的检测指标已提出约30项。
　　有机有毒化学品大多属于难降解的持久性化合物，其净化处理技术用生物氧化技术往往难以奏效。目前的发展趋势是应用高级化学氧化法(Advanced Chemical Oxidation Process)加以降解。这是利用现代的物理、化学催化氧化技术，强化有机物的降解过程，达到净化除毒的效果。其作用机理实质是充分利用产生大量羟基自由基的氧化过程。目前，提出的各种组合技术例如：
　　均相反应：O₃/UV，H₂O₂/UV，超声/UV，电子束，O₃/H₂O₂，H₂O₂/Fe²⁺多相反应：半导体催化剂(TiO₂)，电化学氧化，天然矿物催化剂
　　辐射催化：电光、日光、射线、微波
　　近年来，国外及我国对有机有毒物的催化氧化特别是多相界面催化氧化有大量研究成果，已经逐步进入实用阶段。对有机有毒物在光催化降解过程的途径、中间形态、化学结构的降解规律(QSAR)、催化氧化动力学等均有深入研究。 同时，对TiO₂界面催化剂的改性和固化，矿物还原溶解中对有机物的光催化降解等都是研究热点。
　　我国天然水体的污染状况仍很严重，水源保护和生活饮用水处理的负担加重。微污染的处理已成为不可缺少的环节，活性炭吸附的更普遍应用，化学氧化及生物氧化作为给水处理的前端流程，都已提上日程，纯净水、健康水、分质供水也应运而生。正确的科学认识及合理的技术对策已是刻不容缓的课题。

　　接触絮凝和高效絮凝集成系统

　　混凝或絮凝处理是颗粒物去除中最普遍采用的技术。现有的混凝或絮凝工艺包括溶药、投药、混和、凝聚、絮凝等环节，其构筑物是各种类型的反应器，利用管道扰动、机械搅拌、水力涡流、格网阻流等作用完成这些环节中的物理化学及水动力学过程。实际上，在后续的各类分离过程如沉淀、澄清、过滤、气浮等的构筑物中，同样也继续进行着絮凝作用。因此，强化絮凝过程应该综合考虑整个工艺流程系统，建立全线良好的絮凝作用条件，才能以高效率达到高质量的出水水质。
　　目前的各类反应器及相应的工艺参数，多是按照传统絮凝剂如硫酸铝等的特征和性能设计的，往往不能完全适合无机高分子等聚合类絮凝剂的需求，不能充分发挥新型絮凝剂的特有效能。所以，通过实验研究，建立更适合于无机高分子絮凝剂特征的工艺系统，强化絮凝过程进而提高整个水处理流程的工艺效能，应是新型药剂普遍应用后水处理工艺相应的发展方向。
　　混凝剂的最佳投药量随水质和各反应器工艺条件而变化，投药量不足或过量都会使絮凝过程本身和整个流程的效果不良，并且造成经济上的浪费使制水成本提高。由于水处理厂运行费用中的药剂费仅次于电费，因而选择适合现有工艺的最佳投药量并且建立可以随水质水量变化而自动调整的投药系统，可以收到高效和经济两方面的功效。目前，自动控制投药系统的软件资料源可以来自在线监测、经验积累、模式计算等方面。其中以现场监测比较直接而相对成熟，传感控制部件则以流动电流仪和絮凝体监测仪比较多用。
　　基于上述思考，从充分发挥无机高分子絮凝剂的优异特征出发，作者在1995年提出一个新的系统模型即高效絮凝集成系统，简称F-R-D系统。它包括高效能的絮凝剂(Flocculants)即各种无机高分子絮凝剂，高效率的反应器(Reactors)即与聚合絮凝剂匹配的各种优异反应器，高经济的投药系统(Dosing)即与聚合絮凝剂匹配的软件硬件自控系统。其中每一部分都可以是各种类型的实体，根据不同的水质和处理工艺需求选择，相互组合为有机的体系，成为某种高效絮凝集成水处理工艺系统。这一系统所依据的理论基础应是无机高分子絮凝剂的作用机理和各种不同边界条件下的动态絮凝原理。
　　在北京市第九水厂进行了F-R-D系统的中试规模的现场实验。全系统包括三个类型的子系统，它们是接触沉淀池、气浮分离池和深床过滤池，各自连接自动控制投药系统，进行不同絮凝剂的比较。经过两年的各种流程的连续实验，表明三种形式都有优良的性能。可以把2～100 NTU的原水降低到0.3NTU，满足对低温低浊水净化达到高质量出水的要求。最近，作为国家九五科技攻关项目已经验收通过，评为优秀成果。在生活饮用给水系统中进一步推广实施，将会发挥更大作用。