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(huì)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(guó)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(guó)家，目前約17億人喝不上清潔的水。我國(guó)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(guó)的水資源卻相當(dāng)貧乏，僅人均2300 m3，且嚴(yán)重分布不均。同時(shí)，中國(guó)的用水量是世界上最多的，全國(guó)總用水量達(dá)到6040億m3[1]，約占全球年用量的13%。目前，我國(guó)飲用水水質(zhì)明顯低于發(fā)達(dá)國(guó)家，水龍頭中偶爾還會(huì)散發(fā)出難聞的味道，時(shí)而渾濁，更有甚者水龍頭中會(huì)流出蟲(chóng)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(guó)多數(shù)水源的原水水質(zhì)相對(duì)較差，污染嚴(yán)重，水中濁度、色度及有機(jī)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(guó)大多數(shù)自來(lái)水廠依然采用混凝-沉淀-過(guò)濾-液氯消毒等傳統(tǒng)工藝(圖1)，對(duì)重金屬、有機(jī)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(gè)較難達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。此外，輸水管道中還會(huì)存在二次污染，同樣會(huì)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(duì)飲用水進(jìn)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(duì)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(guò)程中產(chǎn)生的重金屬、有機(jī)污染物[2]。目前深度水處理技術(shù)有很多種，研究報(bào)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(guò)接觸氧化實(shí)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(shí)，水中的污染物如氨氮、鐵、錳和有機(jī)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(bǔ)充。近年來(lái)，生物預(yù)處理法逐漸引起了國(guó)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(duì)水工藝凈化技術(shù)要求很高，目前還不很成熟，且對(duì)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(guò)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(gè)環(huán)節(jié)，目的在于通過(guò)其強(qiáng)氧化性將水中有機(jī)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(lái)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(wú)瑕的，它的主要缺點(diǎn)在于基建和運(yùn)行成本較高，臭氧往往需要現(xiàn)場(chǎng)制備從而不利于設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)；此外且臭氧脫除低濃度有機(jī)物效果有限。臭氧氧化有機(jī)物過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)氫氧化物、環(huán)氧衍生物等中間產(chǎn)物的毒性和對(duì)人體健康的危害尚待深入研究。臭氧氧化會(huì)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(dú)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(jià)比高等特點(diǎn)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(guó)印第安那州Evansville 城水廠采用常規(guī)凝聚沉淀、過(guò)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(shuō)明ClO2消毒并沒(méi)有引起三氯甲烷濃度的提高[12-13]。然而，水中原有的有機(jī)物可以將ClO2大量轉(zhuǎn)變?yōu)镃lO3-、ClO2-，這些物質(zhì)對(duì)人體紅血細(xì)胞會(huì)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(lái)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(jī)物，其脫色除臭和對(duì)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(duì)極性短鏈含氧有機(jī)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(jì)六、七十年代，也是一種深度水處理的高級(jí)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(duì)被處理水的要求較高，高昂的投資及運(yùn)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(duì)較低但很難去除小分子有機(jī)物、反滲透和納濾處理過(guò)程的濃縮液需要進(jìn)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(jī)物在紫外或可見(jiàn)光的作用下，將無(wú)機(jī)物氧化成為水、二氧化碳和微小離子的過(guò)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(jī)廢水的過(guò)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(jī)物發(fā)生自由基反應(yīng)從而降解有機(jī)物，可通過(guò)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(dú)立將有機(jī)物完全氧化，往往起到調(diào)質(zhì)作用，通過(guò)與生化降解等技術(shù)的聯(lián)用可大幅改善有機(jī)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(jiǎn)稱ACF)為纖維狀活性碳，是繼粉狀、粒狀活性碳后于上世紀(jì)七十年代發(fā)展起來(lái)的第三代新型碳材料[4]，主要通過(guò)物理活化或化學(xué)活化方法制備?；钚蕴祭w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(kuò)散阻力小等特點(diǎn)[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(hù)、環(huán)境保護(hù)、食品、醫(yī)用、衛(wèi)生等方面[15-16]，且越來(lái)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(diǎn)[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(jī)物；(3)孔徑分布窄，且以微孔為主。可通過(guò)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(dá)到高效分離的目的；(4)體積密度小、擴(kuò)散阻力小、動(dòng)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)、操作簡(jiǎn)便安全、節(jié)能經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

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(dá)，表面有大量的官能團(tuán)，機(jī)械強(qiáng)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(lái)國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)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(fèi)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(shì)在于結(jié)構(gòu)易于調(diào)控。針對(duì)微污染水中有機(jī)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(diǎn)，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(dá)到利用ACF高效去除重金屬和有機(jī)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(guò)濾等技術(shù)已難以滿足人們對(duì)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(shí)，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(jī)物、金屬離子超標(biāo)等難題，切實(shí)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)。