地下水處理技術(shù)

1、反滲透水處理技術(shù)反滲透水處理技術(shù)摘要 由于人類的生產(chǎn)及生活活動, 地下水受到不同程度的污染, 嚴(yán)重危害著人們的健康, 制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。關(guān)鍵詞：地下水 反滲透 全球可飲用的淡水有97% 是儲藏在地下蓄水層中。地下水的最直接而且又是最重要的方面, 是其作為飲用水供水水源。由于原生地質(zhì)條件和人類生產(chǎn)活動中諸多不合理因素, 越來越多的地下水受到了不同程度的污染, 進(jìn)一步加劇了城市水資源短缺的矛盾。國際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會主席米歇爾奈特指出, 全球地下水源有一半正在受到污染, 因此21 世紀(jì)人們將為保護(hù)水源而斗爭。1991-1992 年我國城市地下水的環(huán)境狀況調(diào)查顯示: 幾乎98%的城市地下水均遭受到不同

2、程度的污染。例如, 由于某石化公司的一系列生產(chǎn)裝置建在水源地上, 致使該地區(qū)地下水不同程度地受到石油化工污染物的污染。研究表明, 在水源地56km2 的開采面積上, 大部分地區(qū)地下水存在石油類污染物, 其中重污染區(qū)地下水中油含量較高, 最高達(dá)每升幾十毫克, 既不適于飲用, 也不能用于工業(yè)生產(chǎn)。這就造成“水質(zhì)型”缺水, 嚴(yán)重制約著齊魯化學(xué)工業(yè)區(qū)及附近地區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。20 世紀(jì)70 年代初, 西歐、北美等發(fā)達(dá)國家開始研究工業(yè)化學(xué)物質(zhì)對地下水的污染。1973 年以來多次召開地下水污染的國際學(xué)術(shù)會議, 對重金屬、硝酸鹽、石油化學(xué)物質(zhì)等造成的地下水污染問題進(jìn)行了大量研究, 提供了一些受污染地下水控制的

3、有效事例, 國外在這方面的研究分為2 個階段: 20 世紀(jì)70 年代初期, 以認(rèn)識地下水污染機理及其危害為主要方向, 大量開展受污染地下水檢測方法、評價方法、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究, 建立了地下水污染研究的技術(shù)方法; 20 世紀(jì)70 年代末至80 年代初, 轉(zhuǎn)入以治理為主的研究方向, 并且地下水污染研究從無機污染轉(zhuǎn)向有機污染。同時從治理的觀點研究各種措施, 對已受污染和原生劣質(zhì)地下水進(jìn)行治理。目前, 受污染地下水的處理技術(shù)可分為原位置處理技術(shù)、抽出處理技術(shù)2 種方法。原位置處理是利用物理化學(xué)方法或生物法在地下含水層直接凈化的技術(shù)。這種方法比較新,已經(jīng)吸引了很多研究注意力, 而且應(yīng)用的實例也在增加。

4、地下水的原位生物修復(fù)法, 主要依靠土著微生物的作用, 將污染物質(zhì)分解為無毒無害物質(zhì)。該技術(shù)最初被用于修復(fù)碳?xì)浠衔镂廴镜牡叵滤＝鼛啄? 逐步被用于修復(fù)其他類型污染的地下水。原位生物修復(fù)法包括生物通風(fēng)技術(shù)、曝氣技術(shù)、液體輸送技術(shù)、可滲透反應(yīng)器。生物通風(fēng)技術(shù)指把空氣注入受有機污染的包氣帶土層, 促進(jìn)有機污染物的揮發(fā)及好氧生物降解, 這是一種治理包氣帶有機污染的技術(shù)。該技術(shù)去除污染物的主要機理是揮發(fā)和生物降解。研究表明, 好氧生物降解是生物通風(fēng)技術(shù)的主要貢獻(xiàn)者。因為空氣中的氧為微生物提供好氧環(huán)境,為污染物提供電子受體從而促進(jìn)污染物的好氧生物降解。該技術(shù)設(shè)備費用低, 不受外界氣溫影響等特點。但是難于

5、控制質(zhì)量, 需頻繁檢測。曝氣技術(shù)處理地下水有機污染特別是石油烴污染很有效。石油烴在地下水中主要以吸附態(tài)和殘余液態(tài)存在: 吸附態(tài)的吸附在介質(zhì)顆粒表面, 殘余液態(tài)的被截留在部分空隙里。這兩種形式的石油烴不隨水流動。該技術(shù)的主要機理為揮發(fā)、好氧生物降解和增加有機物的溶解。在去除地下水中石油烴方面, 該技術(shù)比傳統(tǒng)的抽出處理法更有效, 但只適用于易揮發(fā)又能生物降解的石油烴, 還必須嚴(yán)格控制空氣注入速度, 以防止揮發(fā)性物質(zhì)轉(zhuǎn)移到大氣中。液體輸送技術(shù)與傳統(tǒng)的污水處理有類似之處, 電子受體通常是氧氣, 并加入營養(yǎng)物質(zhì), 以強化生物反應(yīng)器中污染物降解過程。該技術(shù)在污染地區(qū)注入壓縮空氣和營養(yǎng)鹽, 微生物在含有營養(yǎng)

6、鹽的富氧地下水中, 通過新陳代謝作用將污染物降解; 在地下水流向的下游地區(qū), 用泵將地下水抽出地面, 可以用其溶解營養(yǎng)鹽再回灌到地下水中,如需要時也可對其進(jìn)行進(jìn)一步處理。其優(yōu)點為:可以處理沉積物吸附和夾帶的污染物、避免污染沉積物的遷移。但是該方法也可能導(dǎo)致微生物的過分生長, 造成含水層的堵塞, 致使后期的營養(yǎng)物無法注入?？蓾B透反應(yīng)器是一個填充有活性反應(yīng)材料的被動反應(yīng)區(qū), 當(dāng)受污染地下水通過時, 污染物能被降解或固定。污染物靠自然水力傳輸通過預(yù)先設(shè)計好的介質(zhì)時, 溶解的有機物、金屬、氮磷等污染物被降解、吸附、沉淀或去除。屏障中含有降解揮發(fā)性有機物的還原劑、固定金屬的絡(luò)( 螯) 合劑、微生物生長繁

7、殖所需要的營養(yǎng)物和氧氣, 用以增強生物處理。多孔處理墻就是一種可滲透反應(yīng)器, 將混合介質(zhì)以一定厚度填到地下水水位以下, 形成多孔墻體, 該墻體與地下水水流垂直, 污染物流經(jīng)處理墻時經(jīng)生物或化學(xué)作用而去除。在地下水位較淺地區(qū)以鋸末和泥土混合, 就能構(gòu)成一道松散多孔的脫氮墻, 鋸末降解緩慢, 可以為反硝化菌創(chuàng)造厭氧環(huán)境, 并提供碳源。地下水中的NO3- 流經(jīng)脫氮墻時, 通過生物和化學(xué)作用而得以去除, 實地試驗表明反硝化菌是完成脫氮的主要因素。使用該種方法的前提, 是必須先了解地下水中污染物的種類和數(shù)量, 以保證投入的反應(yīng)物或吸附質(zhì)能有效地發(fā)揮作用; 同時又不會因反應(yīng)物或吸附質(zhì)投加過量, 而引入新的

8、污染物。目前較為常用的地下水凈化技術(shù), 依然是傳統(tǒng)的抽出處理法。在這一過程中, 污染的地下水被從蓄水層抽出來, 然后通過地上處理設(shè)施處理,使溶于水中的污染物得以去除。抽出處理技術(shù)也主要分為物理化學(xué)處理、生物處理法等。物理化學(xué)方法主要包括空氣吹脫、炭吸附、化學(xué)氧化等技術(shù)。吹脫方法早期應(yīng)用于去除水中溶解的CO2、H2S、NH3 等氣體, 同時增加水中的溶解氧來氧化水中的金屬。在20 世紀(jì)70 年代中期, 這項技術(shù)開始用于受低濃度揮發(fā)性有機物污染的水處理。但該法把水中有機物轉(zhuǎn)移到空氣中, 需要尾氣處理裝置, 增加了處理成本, 否則又會造成新的污染。 活性炭吸附是目前利用微孔吸附原理, 去除有機污染應(yīng)

9、用最為廣泛的方法之一。早在19 世紀(jì)60 年代, 倫敦就開始利用動物炭用于飲用水來去除色度和味; 20世紀(jì)20 30 年代粉末活性炭用于食品和飲料工業(yè)生產(chǎn)超純水。1966 年, 美國馬薩諸塞州的第一座砂濾- 粉末活性炭串聯(lián)過濾設(shè)備的建立, 將顆粒活性炭運用于飲用水除污染處理系統(tǒng)中。此外, 活性炭是微生物生長的良好載體, 只要合理運作, 活性炭上的微生物對提高水處理效果,特別是延長活性炭使用周期都會起到積極的作用, 這種活性炭與微生物的協(xié)同技術(shù)成為生物活性炭。目前, 已得到很多應(yīng)用。但是采用該法時,應(yīng)避免預(yù)氯化處理, 否則微生物就不會在活性炭上生長, 因而失去生物活性炭的生物氧化作用。 化學(xué)氧化

10、被廣泛應(yīng)用于地下水污染物的去除方面, 在地下水處理中比其他方法有更大的優(yōu)點。近來, 化學(xué)法的改進(jìn)使得這種方法在地下水處理中越來越廣泛。其中三種化學(xué)氧化物質(zhì)在工業(yè)和地下水處理方面被廣泛的應(yīng)用( 即Cl2、O3、H2O2) , 還有氧氣用于去除地下水中的鐵和錳。氯氣氧化雖然成本較低, 但是會產(chǎn)生“三致”副產(chǎn)物。其他化學(xué)氧化法雖然降解有機污染物的能力較強, 但又存在成本過高問題。膜過濾法是新興的高效分離、濃縮、提純、凈化技術(shù), 系用高分子薄膜作介質(zhì), 以附加能量為推動力, 對雙組分或多組分溶液進(jìn)行表面過濾分離的物理處理方法。膜過濾技術(shù)是解決目前飲用水水質(zhì)不佳的有效途徑之一, 但在目前情況下, 其成本

11、及操作維護(hù)費用太高, 限制了其推廣使用。1748年AbbleNelki發(fā)現(xiàn)水能自然地擴散到裝有酒精溶液的豬膀膚內(nèi),首次揭示膜分離現(xiàn)象。由于當(dāng)時人們認(rèn)知能力和科技條件的限制,直到1864年Traunb才成功研制出人類歷史上第一張人造膜一亞鐵氰化銅膜。隨后,雖有GibbS的滲透壓理論以及其他熱力學(xué)理做基礎(chǔ),由于沒有可靠的膜可供利用,該方面的研究一直沒能有更大的突破。直到20世紀(jì)中葉,由于物理化學(xué)、生物學(xué),聚合物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的深入發(fā)展,新型膜材料及制膜技術(shù)的不斷開拓,各種膜分離技術(shù)才-相繼出現(xiàn)和發(fā)展,并滲入到研究和工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。反滲透膜的發(fā)展史嚴(yán)格意義上說應(yīng)該是始于20世紀(jì)50年,1953年

12、初,美國佛羅里達(dá)(Florida)大學(xué)的教授里德(Reid)首先發(fā)現(xiàn)醋酸纖維素具有良好的半透性,但是透水率卻非常小。不久,1960年位于洛杉磯(LosAngeles)的加里福尼亞(Califomia)大學(xué)教授洛布(Leob)和索里拉金sourirajan)等對膜材料進(jìn)行了廣泛的篩選,也發(fā)現(xiàn)了乙酸纖維素具有特殊的半透性,他們采用氯酸鎂水溶液為添加劑,經(jīng)過反復(fù)試驗,制成了第一張高性能非對稱的乙酸纖維素反滲透膜，該膜具有高通量，高脫鹽率，而且膜厚僅為100pm，為反滲透和超濾膜分離技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。隨著第一張高性能反滲透膜的制成,反滲透開始作為經(jīng)濟(jì)實用的海水和苦咸水淡化技術(shù)進(jìn)入實用和裝置的研制階段。2

13、0世紀(jì)70年代初,杜邦公司的芳香族聚酸胺中空纖維膜反滲透器“PermasePB一90”問世,該產(chǎn)品獲得1971年美國Kirkpatrick化學(xué)工程最高獎,使反滲透膜的性能有了大幅度的提高。20世紀(jì)80年代初,全芳香族聚酞胺復(fù)合膜及其卷式膜問世并逐漸工業(yè)化。20世紀(jì)90年代中超低壓全芳香族聚酞胺復(fù)合膜開始進(jìn)入市場,從此反滲透技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展和應(yīng)用的階段。反滲透目前已成為海水和苦咸水淡化最為經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。反滲透是利用反滲透膜選擇性的透過溶劑(通常是水)而截留離子物質(zhì)的性質(zhì),以膜兩側(cè)靜壓差為推動力,克服溶劑的滲透壓,使溶劑通過反滲透膜來實現(xiàn)對液體混合物進(jìn)行分離的膜過程。因此,反滲透過程必須滿足兩個條

14、件:一是有一種高選擇性和高透過率(一般是透水)的選擇性透過膜;二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。在實際的反滲透過程中膜兩邊的靜壓差還必須克服透過膜的阻力。隨著我國地下水開采量的增加,地下水污染問題日益嚴(yán)重。硝酸鹽是地下水中普遍存在的一種污染物,特別是我國的北方地區(qū),地下水中硝酸鹽含量大面積超標(biāo)。由于很多超標(biāo)地區(qū)居民直接飲用地下水,地下水硝酸鹽污染嚴(yán)重影響到了當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎踩?，去除地下水中硝酸鹽的方法有很多,常用的有離子交換法、反滲透法以及生物法等。用離子交換法脫除地下水中的硝酸鹽,會產(chǎn)生含鹽量很高的再生廢液。生物反硝化雖然具有脫氮完全、運行成本低等特點,但生物法的脫氮效果易受環(huán)境因素影響,運

15、行管理人員必須掌握一定的生物技術(shù)，因此,生化反硝化脫氮技術(shù)不宜在農(nóng)村飲用水處理工程中應(yīng)用;反滲透技術(shù)具有處理效果好、效率高、工藝簡單等優(yōu)點,并且可以實現(xiàn)自動化,運行管理比較方便,當(dāng)然,反滲透處理過程中也有濃水產(chǎn)生,通過控制合適的產(chǎn)水率,濃水可以用于農(nóng)田灌溉或者養(yǎng)殖。因此關(guān)于反滲透技術(shù)脫除地下水中硝酸鹽的研究逐漸增多。地下水中的硝酸鹽是以離子狀態(tài)存在的,利用反滲透技術(shù)可以將地下水中的硝酸鹽和其他離子一起轉(zhuǎn)移到濃縮液中,從而達(dá)到去除硝酸鹽的目的。反滲透技術(shù)在處理苦咸水領(lǐng)域應(yīng)用較早,在大部分苦咸水中都含有硝酸鹽,由于反滲透技術(shù)自身的特點,在處理苦咸水的過程中,硝酸鹽和其他離子一起從水中去除。反滲透工

16、藝包括混凝過濾、盤式過濾器、超濾膜過濾裝置、殺菌處理、高壓泵、阻垢劑和還原劑、保安過濾器、反滲透元件與裝置、系統(tǒng)控制等。由于地下水受到下雨等外在因素的影響很大，水中常夾帶大量泥沙，濁度變化較大，易造成反滲透預(yù)處理系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，故在預(yù)處理中要加入混凝過濾，目的在去除地下水中膠體、懸浮雜質(zhì)，降低濁度。在反滲透處理中通常用污染指數(shù)（SDI）來計量，要求進(jìn)入反滲透設(shè)備的給水的SDI4。由于地下水懸浮物較多，且隨下雨等因素影響較大，故預(yù)處理系統(tǒng)常選用聚合氯化鋁作為混凝劑，礬花快速形成并成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，沉降速度較快。超濾膜系統(tǒng)主要是去除水中的懸浮物（SS），保證反滲透的進(jìn)水SDI4。通常情況下超濾膜的出水S

17、DI非常小，在2左右。另外由于超濾膜系統(tǒng)前有盤式過濾器，所以超濾膜系統(tǒng)的進(jìn)水中不會泥沙的出現(xiàn)和懸浮物的過量情況，在運行過程中不會出現(xiàn)“斷絲”的情況，從而保證了反滲透進(jìn)水對SDI的要求。超濾膜的材質(zhì)一般選用聚偏氟乙烯（PVDF），孔徑在20nm左右。通常情況下，超濾膜過濾裝置后會加個水箱，用來存放超濾膜過濾水，為了防止水箱中有微生物滋生，會添加些殺菌劑進(jìn)行殺菌處理，常用的殺菌劑為次氯酸鈉（NaClO）。高壓泵是為反滲透裝置提供能量的必須的設(shè)備，高壓泵的型號通常根據(jù)反滲透系統(tǒng)設(shè)計軟件中的流量和壓力來選型，高壓泵的揚程和進(jìn)水鹽含量有很大關(guān)系，另外也受到進(jìn)水溫度等因素的影響。由于地下水的硬度和堿度都是

18、非常高，為了使得反滲透系統(tǒng)能夠更好的運行，系統(tǒng)始終在沒有結(jié)垢的情況下運行，需要根據(jù)具體的水質(zhì)投加相對應(yīng)的阻垢劑；另外因為反滲透預(yù)處理中投加了氧化劑殺菌，故在反滲透進(jìn)水時需要投加還原劑來還原，使得反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水余氯小于0.1ppm（或ORP<200mV），滿足反滲透系統(tǒng)對進(jìn)水氧化物質(zhì)含量的要求。由于反滲透之前要添加一些化學(xué)藥劑，為了防止沒有溶解的顆粒狀的藥劑進(jìn)入到反滲透系統(tǒng)中，同時也為了給反滲透進(jìn)水SDI提供雙保險（超濾系統(tǒng)是其中一個保險），所以添加了保安過濾器。通常保安過濾器濾芯的孔徑為5m，流量視進(jìn)水流量而定。反滲透膜在運行過程中易受水中懸浮物、膠體、生物、結(jié)垢物以及有機物等引起的膜污染，造成膜性能下降進(jìn)而