用超濾技術,還原最適合人類的健康安全用水

情侶牽手


水是人類生存最重要的資源。2014年8月的《給水排水》刊載了中國工程院院士、市政工程專家:李圭白的論文——《關於在城市飲水淨化中採用綠色工藝的一些思考》,分清了當今流行的“水概念”,並從基因的角度指出,天然地表淡水才是最適合人類飲用的水。李圭白逐一說明了都市水淨化工藝的利弊,指出超濾技術是最有效的綠色工藝,也是都市飲水淨化工藝的發展方向。


李圭白著重強調,以超濾為核心的組合工藝,將引起都市用水淨化工藝的重大變革,應成為都市用水淨化工藝的發展方向。


為什麼這些概念都不可靠?


近年來,各種“概念機能水”風行,到底什麼水最適合人類飲用?李圭白從人類基因的角度指出,天然水才是最健康的。李圭白說,人類自形成以來一直傍水而居,直接飲用天然地表水(河水、湖水、由地面水補給的淺層地下水)。直到工業革命後才開始對都市飲水集中處理(物理方法、化學方法、生物方法等)。因此,天然地表水對人體健康是最有利的,人類歷經幾百萬年形成的基因,不會因百年來水處理對飲用水水質帶來的影響而有所改變。


李圭白認為,“概念機能水”的保健作用均有待商榷,並逐一做出評論。


● 純水:20世紀90年代,由於引進了國外的反滲透膜濾科技,出現了喝純水(又稱蒸餾水、去離子水、太空水等)之風,稱飲水主要是補充人體對水的需求,而水中被除去的各種元素都可以通過食物得到補充。但國內外公共衛生學的調研證實,水中的各種元素對人體是很重要的,長期飲用純水對人體健康不利,從而使喝純水之風得到遏止。安全健康的飲用水,是指終身飲用不會對人體健康造成危害和影響的水,純水是不符合這一要求的。純水作為一種飲料(而非飲用水)是可以的,在外出旅遊、會議等場合,短期飲用是無害的。


 磁化水:喝磁化水曾經風行一時,稱磁化水能增强生命活力,能消解體內結石等等,最終磁化水的功能都沒有被醫學界證實,喝磁化水也不再流行。


 小分子團水:水分子(H2O)是一種極性分子,其相互作用可形成不同團聚形態,有時能形成小分子團(數個水分子),有時能形成大分子團(數十個水分子)。有人認為,能結成小分子團的水對人體健康有利,但若干年過去了,這迄今仍是一個有待探討的課題。


 軟水:天然水中最常見的硬度(主要是鈣和鎂)對人體健康的影響,國內外已有多個公共衛生學調研報告,認為飲用軟水(鈣、鎂含量<70 mg/L,按CaCO3計)的人心血管病死亡率要高於飲用硬水的人,但對此也尚有不同看法。



多數都市飲水淨化都不够“綠”


針對現時幾種常見的水處理科技,李圭白說,評估水處理方法的優劣,應該從對水的天然内容的影響和干擾最少的角度著眼。因為,自然環境是一個生態系統。人類經過數百萬年進化,完全適應了這個環境,包括水環境。對生態系統的干擾和破壞,對人的生存都是不利的。


百年來4次重大都市飲水安全問題催生了三代都市飲用水淨化工藝。三代淨化工藝中採用的處理方法主要有:


 物理方法:自然沉澱、慢砂濾、膜過濾、紫外線殺菌等;

 物理化學方法:活性碳吸附等;

 化學方法:藥劑混凝及絮凝、藥劑消毒、藥劑氧化、藥劑調pH等;

 生物方法:慢濾、生物預處理、生物活性炭等。


物理法、物理化學法、生物法由於對水的化學性質影響較小,一般認為應屬綠色工藝。化學方法由於向水中投加多種化學藥劑,會影響水中原有化學成分的含量及存在形態,會帶進新的化學物質,會產生許多副產物,特別是對人體有毒害的副產物等等,一般認為不是綠色工藝。


由於環境污染,每年都有若干新的人工合成化學物質進入水中,也由於檢測科技的進步,不斷發現水中更多的有毒有害微量和超微量的有機污染物。每發現一類或者一種有機污染物,都要開發相應的處理方法,其中也包括化學方法,結果向水中投加的化學藥劑愈來愈多,而每一種藥劑又會產生相應的副產物和殘留物,其對人體健康的影響也越來越大,即走上了一條惡性循環的道路。


惡性循環的出現,是由於採用了一種“末端治理”的路線,即水源水中出現什麼污染物,就不得不採取相應的化學處理方法,污染物層出不窮,向水中投加的化學藥劑也會無窮無盡。


消毒是幾乎所有都市飲水淨化都需要採用的,迄今大多仍以氯消毒為主,此外還有採用臭氧、二氧化氯的。這些藥劑消毒方法都能產生有毒害的消毒副產物,雖然消毒後水的生物安全性提高了,但化學安全性降低了,不是綠色工藝。


藥劑混凝是幾乎所有以地表水為水源的都市用水淨化都採用的方法。混凝藥劑主要是化學藥劑,其種類繁多,對健康的影響各不相同,其對水質天然内容的影響不小,也不是綠色工藝。由混凝沉澱、砂濾、藥劑消毒組成的第一代工藝(常規工藝),迄今仍為大多數自來水廠所採用。在第二代工藝和第三代工藝中,為降低水的濁度和殺滅致病微生物,也都採用藥劑混凝和藥劑消毒。所以藥劑消毒和藥劑混凝是都市用水淨化工藝中應用最廣泛的方法。



超濾是最有效的綠色工藝


李圭白指出,超濾膜是21世紀材料科學發展的新成果,它依靠機械截留作用來去除水中的顆粒物,所以是一種綠色工藝。現代的超濾膜孔徑已可做到小於20 nm(奈米),即比水中最小的微生物——病毒還小,所以超濾可以將水中幾乎所有微生物包括致病微生物除去,從而大大提高水的生物安全性,而不需要向水中投加任何消毒藥劑。超濾能將水的濁度降至0.1 NTU以下,而不需要向水中投加任何混凝藥劑。超濾是取代藥劑消毒和藥劑混凝最有效的綠色工藝,所以它應能成為都市用水淨化中應用最廣泛的工藝科技。


受污染的都市水源,主要為有機污染以及氨氮超標。現行除有機物的方法,主要有氧化法、吸附法、强化混凝、生物法等。其中活性碳吸附、生物處理等為綠色工藝。


超濾可去除水中具有膠體和顆粒形態的有機物,以及相對分子質量數萬的有機物。奈濾膜(NF)的孔徑約為1 nm(奈米),以物理截留的管道可去除相對分子質量低至數百的有機物,是去除有機物的有效綠色工藝。奈濾膜的處理技術,產水的過程中仍需要排放一定比例的廢水,相較於超濾膜來說,比較不環保一些,但隨著膜處理科技的發展,結合超濾和奈濾用於受污染水源有機物去除將指日可待,那將是綠色工藝的又一重大進展。


生物法去除有機物主要採用生物氧化的方法,可去除水中能為生物降解的相對分子質量為數百的有機物。天然地表水本身就是一個生態系統,所以生物法去除有機物對原水天然物質的影響會很小,是一種綠色工藝。生物法還是去除水中氨氮的有效科技,是現時可以規模化用於自來水廠的唯一方法。活性碳能去除水中相對分子質量為數千的有機物,特別是生物法難以降解的人工合成有機污染物,並對水的化學性質影響不大,是一種綠色工藝。活性碳濾池投產一段時間後,在碳粒表面能生成生物膜,對水中有機物有生物降解作用,稱為“生物活性碳”科技。粉末活性碳在反應器中停留相當時間,碳表面也能生成生物膜,由於粉末活性碳表面積很大,生物量大,能提高生物氧化作用,特別是對氨氮去除效果顯著,稱為“超濾膜—粉末活性碳生物反應器”科技。



綠色工藝:都市用水淨化工藝的發展方向

李圭白指出,對於適宜採用第一代工藝(常規工藝)的未受污染或僅受極微污染的水源水,採用直接超濾或超濾加上膜前預處理的綠色除濁科技,可取代第一代工藝,實現都市用水淨化的綠色工藝目標。超濾、生物處理和活性碳吸附三者在去除水中有機物上有互補性,因原水水質不同,將超濾與生物處理進行組合,或將超濾與活性碳吸附組合,或將三者進行組合,形成以超濾為核心技術的綠色組合工藝,以對受輕度污染的水源水進行淨化。


結論
將超濾用於都市用水淨化是淨化工藝的一大進步,它是利用21世紀材料科學的最新發展來改造和提高都市飲水淨化科技的重要成果。超濾為都市用水淨化綠色工藝的發展奠定了科技基礎。以超濾為核心技術的綠色組合工藝,對天然水源水的天然物質的影響和干擾最小,過濾後的水最適宜於人們安心飲用、使用,更有利於人體健康,將之推廣將是具有重大意義的民生工程。



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新世膜 ThinksMore 小編