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饮用水净化工艺的代际融合探讨
更新时间:2021-01-26 来源:给水排水 作者:梁恒、李圭白

  在城市水系统变革的历史中,需求驱动是创新发展的核心动力,从传输、净化、控污再到循环,水系统的变革见证了人类文明的进步与提升。饮用水净化的发展历程具有相近的需求驱动特征,三代净水工艺的定位明确了每一代工艺面向的重大安全需求;膜技术在三代净水理论体系中,通过组合工艺的耦合适配可实现不同的应用目标,满足不同应用场景的需求。三代净水工艺代际是并存的,在并存中可实现优化、组合与集成,未来应按照“依水质定工艺,依目标定代际”的原则促进饮用水净化工艺的代际融合。

  在水系统的众多组成部分中,饮用水是与人民生产生活关系最密切的部分。为了提高饮用水安全保障水平,人们开展了长期的净水技术研究工作,努力提供更安全、更优质的饮用水。本文将在这技术快速发展的时期,从水系统与城市发展关系出发,回顾水系统的历史演变特征,探讨饮用水净化工艺的代际融合,并初探未来净水理念。

  1 城市水系统的代际变革

  随着人类社会的进步,水系统也产生巨大的变革。美国工程院院士David Sedlak教授将水系统的发展历程划分为4个时代:

  在水系统1.0时代,古罗马城市建设者通过构建取水、输水和排水管渠系统,满足了城市发展的取水和用水需求,解决了水量矛盾;此阶段可视为水的传输时代,其特征在于满足人类取水用水的便利性需求。

  在水系统2.0时代,人们发现过滤和消毒可去除水中致病微生物,保护居民免受霍乱、伤寒等疾病影响,获得了安全的饮用水;此阶段可视为水的净化时代,其特征在于满足人类安全洁净的卫生性需求。

  在水系统3.0时代,城市开始兴建污水处理厂,有效改善了城市污水下游区域的污染问题,也补齐了水资源社会循环的短板;此阶段可视为水的控污时代,其特征在于满足人类控制污染的环境性需求。

  目前,水系统处在4.0的变革时代,通过构建更完整、更高效的城市水系统以实现水资源的可持续循环,同时提取和循环利用水资源所承载的其他资源,使其同时具备资源属性、能源属性和循环属性;此阶段可视为水的循环时代,其特征在于满足人类资源循环的可持续性需求。

  城市水系统的变革伴随着人类社会的重大需求变化而发展的,从水量到水质、从水质到健康、从健康到循环的需求变化,驱动了水系统的变革。因此,我们从中获得的启示是:技术与系统的革新要遵循社会发展的规律,把握社会发展的需求,认知时代的需求,顺应时代的需求,预判时代的需求,始终以需求变化作为技术变革的原动力。

  2 饮用水净化工艺的代际认知

  饮用水净化工艺是满足社会对于水量、水质、健康乃至更高品质生活需求的基本保障。长期以来,为应对复杂多变的水源水质条件和满足日益完善的水质标准,饮用水净化工艺不断进行创新发展和技术突破。

  早在2400年前的春秋战国,人们就构建取水构筑物和维护构筑物,以从大自然获取洁净的饮用水,这种处理过程自然而简单。同时我国古代文献中亦有记载表明,明朝时人们已利用明矾、杏仁泥、雄黄等作为净水剂对地表水进行净化以饮用。

  人类社会步入工业社会后,人们对于净水工艺的研究与开发进入了新阶段。以混凝、沉淀、过滤、氯消毒为主的第一代饮用水净化工艺于 20 世纪初被提出,其主要通过去除水中颗粒物和悬浮物,有效控制了城市水介烈性细菌性传染病和病毒性传染病的流行,提高了卫生安全性。第一代工艺面向的重大需求是饮用水生物致病风险控制。

  20 世纪80年代,在城市饮用水中发现了多种对人体有毒害的微量有机污染物和氯化消毒副产物, 而第一代工艺又不能对其进行有效地去除和控制。针对此问题提出了以臭氧-生物活性炭工艺为主的第二代工艺,强化了微量有机污染物的去除,提高了化学安全性。第二代工艺面向的重大需求是饮用水化学安全性保障。

  20世纪末,人们对于饮用水微生物指标重要性的认识越来越深刻,其中以 “两虫”(即贾第鞭毛虫和隐孢子虫)为代表的新的重大饮用水生物安全性问题成为关注的重点。为满足新的生物安全保障需求,提出了以膜技术为主的第三代工艺,全面提高了生物安全性。第三代工艺面向的重大需求是饮用水生物安全的深度保障。

  3 第三代饮用水净化工艺的应用目标

  在三代净水理论体系中,超滤膜和纳滤膜面向不同的水源水质,具有不同的功能定位,且通过与膜前预处理工艺的耦合适配,在满足饮用水生物安全性深度保障的前提下,还可实现不同的应用目标。

  超滤膜能去除几乎水中全部致病微生物,有效保障饮用水的生物安全性。自2009年我国首座10万 m3/d的大型超滤水厂山东东营南郊水厂运营以来,以超滤膜为主的第三代工艺近十年来在我国饮用水处理领域得到快速发展,至2020年,我国超滤水厂产水规模超过800万 m3/d。超滤膜在三代净水工艺中应用,按其工艺流程组合和进出水水质特点,可初步划分为三级应用目标:初级目标是去除水中颗粒物(两虫、病毒、细菌、藻类等);中级目标是简化工艺流程(直接超滤、混凝超滤、混凝沉淀超滤等)和提高出水水质保障率;高级目标是通过组合工艺(吸附超滤、预氧化耦合超滤、臭氧活性炭超滤等)全面提升水的化学与生物安全性。上述三级目标是超滤膜面向不同场景、不同对象、不同产品的差异化供给选择。

  纳滤膜通过多种作用,不仅能去除水中颗粒物,还能有效截留中水的多种无机盐和包括内分泌干扰物、抗生素、消毒副产物在内的多种天然有机物和合成有机物。近年随着水质安全性要求的提升,纳滤工艺也逐渐应用于城市饮用水处理领域,包括福州长乐二水厂和张家港水厂扩建工程等10万 m3/d以上大型工程也陆续投产使用。纳滤膜在三代净水工艺中应用,按其工艺流程组合和进出水水质特点,可初步划分为三级应用目标:初级目标是获得达标水(主要面向无机离子污染去除);中级目标是获得优质水(主要面向高风险污染物、微量有机污染物去除);高级目标是获得健康水(保留部分无机盐以均衡矿物元素)。上述三级目标是纳滤膜面向不同地域、不同时期、不同定位的差异化供给选择。

  上述分级不代表技术的先进性和优劣,仅代表其功能的增减与强化。无论是哪一级目标的定位,三代净水理论的核心是在深度保障水的生物安全性的前提下,进而依水源水质和应用场景特点,合理设定应用目标,使膜工艺通过优化组合经济、高效地满足特异化需求。而三代净水工艺未来的演变路径,可能遵循着膜滤低压(超滤膜无动力化、纳滤膜低压化),膜前低耗(低压下,缩短流程,减少药耗),膜后低氯(低压低耗下,低氯消毒)等原则发展,从而为未来的饮用水净化创建简单低耗的清洁工艺。

  当材料科技推动膜技术的再次飞跃,甚至可以预期在理想城市中创造“无厂、无药、无耗”的绿色净水模式:以水源为天然膜池,以输配水管道辅助净化,以终端膜滤屏障把关,过程原理为物理分离+生物净化,过程驱动力为重力流,从水源(膜滤)到输配水管道(生物)到用户终端(膜滤),从而创造绿色、美好的净水生活。

  4 饮用水净化工艺的代际融合

  社会需求引导着净水工艺的代际变化,从第一代常规工艺到第二代臭氧活性炭,再到第三代膜工艺;然而,三代净水工艺并不存在先进性的差异,面向当时、当地的需求是净水工艺应用与创新的核心要义。

  三代净水工艺是代际并存的,在并存中可实现优化、组合与集成;三代净水工艺也是功能互补的,从安全保障到提高效率再到品质提升,按照“依水质定工艺,依目标定代际”的原则,促进饮用水净化工艺的代际融合,面向人民生命健康和社会可持续发展,构建简捷、低耗、高效的可持续供水系统。


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