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为了服务更多水行业技术人员，《净水技术》杂志社以我国一线水行业技术工作者对最新科研成果与动态的求知需求为出发，按主题的形式对过去一年周期内的最新SCI文献成果进行梳理，力求通过专题式的信息为广大读者提供更为聚焦的帮助。 美国《科学引文索引》（Science Citation Index, 简称 SCI ）于1957 年由美国科学信息研究所（Institute for Scientific Information, 简称 ISI）在美国费城创办，是由美国科学信息研究所（ISI）1961 年创办出版的引文数据库。SCI（科学引文索引）与EI（工程索引）、ISTP（科技会议录索引）被并称为世界著名的三大科技文献检索系统。 雨水、地下水、地表水和再生水等替代饮用水的水源往往同时含有化学污染物和微生物污染物(如病原体、有机微污染物和重金属)，可能对人体健康构成严重威胁。快速砂滤(SF)和超滤（UF）在饮用水处理中各有其优势和缺点，在这项研究中进行了砂滤（SF）和超滤（UF）的详细比较，目的是为替代UF和SF技术提供支持。 方法 该实验在中国东营市的饮用水处理厂（DWTP）中进行，原水的主要特性如下。 在本研究中开发了由絮凝，吸附，沉淀，SF和UF组成的中试混合工艺。根据水的浊度，将聚氯化铝（PACl）和粉状活性炭（PAC）分别以3~7 mg Al2O3/L和3~5 mg / L的剂量添加到原水中。在折流板式絮凝池中的总接触时间约为30min，水平沉降池的表面负荷为1.5 m3/(m2·h)。SF柱由1000mm石英砂层组成。该柱以9 m/h的过滤速率在下流模式下操作。膜总表面积为15 m2的超滤系统在3.6~10.8 m3/d的流量范围内运行，膜组件通过水力冲洗以60 L /(m2·h)的强度每2h反冲洗2min。 消毒实验在恒温（20±1℃）的琥珀色玻璃瓶（500 mL）中进行，用紫外/可见分光光度计测量氯和二氧化氯。确定了与氯和二氧化氯相关的三卤甲烷（THM）和亚氯酸盐为代表性的DBP。 并行的一阶反应模型如下，用于评估氯的衰减，其前提是衰减速率仅取决于氯的浓度。另外，将氯衰减反应分为快速反应阶段和缓慢反应阶段。 结果与讨论 01 UF和SF工艺的去除性能 为了比较UF和SF的性能，测定了进水和废水中的UV254，DOC，氨和浊度。CA-S的控制过程对DOC和UV254的去除性能有限，平均去除率分别为6.2％和9.8％，无法满足对饮用水的要求。当与UF或SF结合使用时，有机物去除率得到提高，而UF在DOC去除率方面优于SF。在CA-S处理过程中，溶解的有机物可能被絮凝物和PAC吸附，并可以被超滤膜有效保留。结果，在超滤过程中观察到较高的DOC去除性能。相比之下，SF可以比UF更好地去除与UV254相关的有机化合物，这可能是由于砂滤池内物理吸附和生物降解的结合，关于氨的去除，UF和SF的氨浓度分别从0.34降至0.12和0.15 mg/L。UF对氨的大量去除可能归因于膜表面形成的滤饼层的“次级膜”功能，此外，超滤工艺对颗粒物、胶体和悬浮物的去除率均高于SF工艺，浊度去除率达99%，明显高于SF工艺，说明超滤工艺比SF工艺更适合生产微生物稳定水。总的来说，UF和SF都有助于去除污染物，而且与不考虑UV吸收化合物的SF相比，UF具有略高的去除效果。 为了研究荧光组分的去除，利用EEM光谱对原水和处理水进行了表征。根据半分裂分析，对PARAFAC结果拟合三分量模型。组分1 (C1)显示出两个激发峰(250 nm和300 nm)和一个单一发射峰(420 nm)，这与微生物衍生的类腐殖质有关。组分2在240nm处有一个激发峰，在345nm处有一个发射峰，代表类酪氨酸物质。组分3 (C3)在225和280 nm处有两个激发峰，在330 nm处有一个发射峰，与蛋白样物质有关。从PARAFAC模型得到的各荧光组分的Fmaxof与各组分的相对浓度有关，图3d为三种荧光物质的去除率。在CA-S处理过程中，C1和C3的浓度仅比原水降低了11%和13%，其余荧光化合物的浓度仍然较高。有趣的是，UF法和SF法过滤后，C1、C2和C3的强度均显著降低，说明滤后处理可以显著提高荧光组分的去除效果。同样，在另一种混凝与超滤相结合的工艺中，微生物产物、类黄腐酸物质和类腐植酸物质优先被去除。此外如图所示，SF对荧光发酵剂的去除率略高，与UV254去除率一致。在去除C2方面，UF和SF也有类似的下降，降幅约为10%。 为了评价UF法和SF法生产的水的微生物安全性，测量了出水中总细菌和大肠菌的数量。在进水中，总菌数和大肠菌群数的平均值分别为270 CFU/mL和48 MPN/L。与SF法相比，超滤膜明显降低了总菌数和大肠菌群数，且由于超滤膜中细菌的尺寸大于膜孔，几乎未发现微生物的存在。这一结果与研究结果一致，即无论膜材料的不同，UF几乎可以清除100%的微生物。因此，UF法具有较好的去除微生物的性能，可以产生微生物稳定的饮用水，比SF法更适合处理微生物污染的水资源。 02 超滤和超滤工艺出水的特点 NOM的分子量分布和亲水性是评价处理水的重要因素，有助于深入评价SF和UF在DBP形成方面的差异。以MW为基准，可以将水中的NOM大致定义为低MW (<1 kDa)、中MW (1-10 kDa)和高MW (>100 kDa)，分别占总有机物的77%、11%和7%。其他有机物(10-100 kDa)只占很小的比例(5%)。在超滤和超滤过程的废水中，可以观察到有机物的MW分布的显著差异。具体来说，UF和SF系统的出水中MW的高含量分别为2.4%和6.5%。在中-MW组分的情况下，SF的去除性能略高于SF。此外，前体的分子量影响DBPs的可处理性，SF对中-MW组分的较大去除可能会减少DBPs的形成。 NOM在UF和SF出水中的亲水性如下图。在进水中，HPO、TPI和HPI组分分别占47%、5%和48%，CA-S处理后HPO的百分比有所下降，HPO的含量分别从47.5%降至46.7%和46.9%，说明UF和SF对部分疏水NOM有排斥作用，但对HPI的去除有一定的局限性。NOM的亲水性对DBPs的形成也有影响，疏水性部分，包括腐植酸和黄腐酸，是DBPs最强的前体，据报道，疏水前驱体的THM贡献为66.6 ug/ mgC，其他组分对DBPs的形成有一定的贡献。 03 UF和SF工艺对消毒效果的影响 相对于SF工艺后的余氯，UF处理后的余氯略低。SF和微滤之间的比较研究报告了相似的结果，其中微滤中的氯衰减比SF快。可能的解释是，SF工艺比UF系统更有效地去除了饮用水中通常被氯消耗的紫外线吸收化合物和荧光物质。另外，NOM的分布在氯的衰变中也起一定作用。NOM分布的差异主要集中在中MW馏分上，它可以消耗更多的氯。在这种情况下，UF和SF显示出相似的疏水和亲水有机部分。因此，可以推断出亲水性不是影响氯衰减的主要作用。 氯衰减模型中的f值在SF处理后的渗透物中最高，表明由于反应速度慢，氯的消耗量更多，这与氯残留曲线很好地吻合。可能的解释是，与UF处理相比，SF工艺可以更有效地去除快速反应的有机成分，例如中等分子量的有机物。 在最初的8小时内，二氧化氯迅速衰减，然后逐渐衰减。随着剂量的增加，二氧化氯的残留浓度增加。就kR和kS而言，最快速的二氧化氯衰减发生在CA-S过程中。此外，CA-S的f值低于其他过程，说明快速反应化合物在处理水中残留有机物较少的情况下消耗了更多的二氧化氯。UF和SF都有助于减缓二氧化氯的衰变，因为它们的有机化合物浓度低于CA-S。同时，由于其UV254和中- mw有机物含量较低，SF工艺的二氧化氯残留量最大，其结果与氯的衰变符合较好，大部分二氧化氯是在慢反应阶段消耗掉的。此外，UF和SF的慢速反应的反应速率相似。总体而言，SF处理的二氧化氯浓度最高，其次为UF处理和CA-S处理，UF处理比SF处理的二氧化氯衰减率高，与出水污染物的特性显著相关。 THMs的基因毒性、细胞毒性和致癌性对公众健康构成极大威胁。为了考察和比较水的安全性，测定了UF和SF的出水中THMs的浓度。四种化学THMs的浓度变化趋势一致，均为溴二氯甲烷(BDCM)、三氯甲烷(TCM)、二溴氯甲烷(DBCM)和三溴甲烷(TBM)。BDCM的最高浓度可能与原水中溴的高浓度有关。结果表明，UF和SF均能减少BDCM的形成，这与DOC的去除一致。SF过程中UV254略高，UV254对THMs的形成很敏感，荧光物质也有利于THMs的形成。SF在还原类腐殖质和蛋白类物质方面表现出较高的去除率，也有助于THMs产量的降低。就微波分布而言，超滤法对中微波有机物的去除率较高，而超滤法基本保留了高微波有机物。因此，SF对THMs的形成有较好的控制作用。 与THMs的形成趋势相似，在较高的二氧化氯剂量和较长的接触时间下，亚氯酸盐的形成会加剧。总的来说，SF工艺由于能有效地影响出水有机物的特性，在控制DBPs的形成方面表现出了较好的效果。 04 季节性藻类水处理 地表水中的季节性藻类大量繁殖给饮用水处理带来了巨大挑战，并引起了味道，气味和消毒副产物的形成。由于藻类细胞的干扰，CA-S工艺去除的DOC相对较低，并且随着原水类型的变化显着波动。超滤过程中的DOC去除率（16.7％）比SF处理（8.9％）高，因为藻类及其细胞外有机物是高分子量级分，由于尺寸排阻可以被UF有效去除。UF赋予了更高的抗藻类负荷冲击能力。此外在藻华期间，CA-S和SF的出水中混浊度显着升高，这对SF处理的水安全构成了潜在风险。由于膜的机械筛分，超滤膜为藻类，胶体和颗粒提供了足够的屏障，最终使废水的浊度低于0.2 NTU。尽管藻类在SF辅助处理中得到有效减少，但废水中残留藻类的浓度仍然很高，足以对人类安全构成潜在风险，这表明常规饮用水处理工艺处理含藻水的能力有限。当用CA-S工艺补充超滤时，藻类的去除率提高了约98.7％。因此，超滤在处理含藻类水资源方面具有广阔的发展潜力，与通过SF工艺获得的饮用水相比，可以生产出具有更高微生物安全性的饮用水。 结论 （1）UF工艺对DOC、氨、浊度和微生物显示出更高的去除性能，而SF系统在减少吸收紫外线的化合物，腐殖质样物质和蛋白质样物质方面效率更高。 （2）UF和SF对有机部分的去除性能不同。UF对高分子量有机物显示出更高的去除率，SF具有比UF更大的减少有机物中等MW的潜力。 （3）氯的消耗量显示出CA-S>UF> SF的趋势。SF具有显着较高的潜力，可减少亚氯酸盐的形成，而具有较高的潜力，可减少THM的形成。 （4）在季节性藻类开花期，超滤具有较高的排斥藻类的能力，并具有降低浊度，DOC和UV254吸附的化合物的能力，从而在藻类开花期产生具有更高微生物安全性的饮用水，从而为系统提供了支持比SF工艺具有更多的潜力来处理藻类丰富的水资源。 （5）对于轻度污染的地表水，超滤系统可有效减少DBP的形成，且对受微生物和颗粒物污染的水资源，特别是对季节性藻类载水表现出较好的性能。在实际应用中，SF或UF辅助处理的选择应主要基于原水特性、饮用水需求和当地条件。 参考文献 Xu D, Bai L, Tang X, et al. A comparison study of sand filtration and ultrafiltration in drinking water treatment: Removal of organic foulants and disinfection by-product formation[J]. Science of The Total Environment, 2019, 691: 322-331. 《净水技术·水行业SCI最新科技动态专题情报》 2020年第4期（SCI汇编总第16期） 饮用水中消毒副产物控制专题 本期所检索文献的发表时间范围： 2019年5月1日~2020年5月1日 排版：王佳 校对：黄如诗 版权声明：本资料为翻译和汇编作品，其著作权由汇编人（上海《净水技术》杂志社）享有，未经许可，任何人或单位不得侵犯本翻译和汇编作品的著作权。本资料部分素材来自收费期刊，为以防侵犯原作者和所发表期刊的著作权，任何人或单位不得对素材原文进行公开出版。 |
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