新兴污染物——药物、个人护理产品、干扰内分泌的化合物、全氟烷基物质和多氟烷基物质以及工业化学品——对水质和公共卫生的威胁日益严重,这些物质往往在环境中以微量浓度长期存在,抵抗常规处理过程,并可能积聚在生态系统和饮用水供应中,传统的沉积方法虽然能有效清除较大的悬浮固体,但缺乏捕获这些微污染物的装备,因此,开发了创新的沉积技术,以提高清除效率,减少化学用量,并支持可持续的水处理作业,这一条探讨了这些先进系统背后的原则、其实际应用及其在保护水资源免受新出现的污染物的关键作用。

水处理中的沉积处理基础

沉积是一种重力驱动的分离过程,颗粒比水更密集地沉积在悬浮状态中。在常规水处理中,沉积槽——通常称为凝固器——旨在提供使固体沉积的清澈条件。效率取决于颗粒大小、密度、形状和液压装载率。然而,在颗粒直径低于1微米的溶解或共聚形式中,经常出现新的污染物,其范围远小于常规沉积的可沉积范围。此外,许多新出现的污染物与天然有机物有关,或被吸附在细粘土颗粒上,通过简单的重力沉积使清除工作更加复杂。这些限制促使开发了强化的沉积系统,利用物理、化学或电机制来聚合和捕获这种具有挑战性的污染物。

创新沉积技术.

强化的澄清制度

强化的澄清工作建立在常规凝固和浮流的基础上,利用先进的化学剂,这些化学剂旨在形成更大、更坚固的浮流,迅速沉淀,并吸收细微的颗粒和溶解的污染物。现代凝固剂如聚氨酯氯化物和高分子重量有机聚合物,可改善杂质的不稳定性,增加浮流密度。在一些系统中,压载浮流——在微粒剂或其他加权剂添加的地方——可大大加快沉淀率,将盆足迹降低到常规聚氨酯的十分之一。这些方法表明,在优化pH和混合条件下操作的几种药物,包括ibrofen和carbamazepine,脱去效率超过90%。

电凝胶(EC)

电凝胶通过斜面金属电极——典型的铝或铁——使用直接电流,将凝固离子释放到水中,这些离子破坏悬浮和溶解污染物的稳定,促进粒子聚集和浮积形成,电场还诱发电化学氧化和还原反应,从而可以分解某些有机污染物,研究表明,欧共体在消除抗生素、激素和其他药物残留方面非常有效,硫胺 ⁇ 和17β-乙醇等化合物的去除率往往超过95%,主要优点包括减少化学污泥生产、消除液体凝固储存以及能够处理可变流动条件,然而,能源成本和电极维护仍然是操作方面的考虑,脉冲欧共体和太阳能系统最近的进展正在提高这种技术在分散和小规模应用方面的经济可行性。

压载浮点和Lamella定居者

压载式浮流系统在浮流盆地中增加了密集的颗粒中位-通常是微沙或磁石。浮流系统吸收了加权剂,形成密度高的集合,比常规浮流快20-40倍。 这使得紧凑的凝固器能够保持较短的保存时间,使改造现有工厂或移动处理装置的技术理想。拉米拉板块定居者通过提供倾斜的平行板块,在减少足迹的同时增加有效定居面积,进一步加强了定居。板块创造了升降条件,使固体能够滑行和采集,同时向上澄清水流。这些系统与压载式浮流相结合,实现了全部悬浮固体清除率超过98%,并有效降低扰力,间接改善了与颗粒有关的新兴污染物的清除。

磁沉积

磁性沉积,或磁性种子和分离,涉及添加吸附或与污染物凝聚的磁性粒子(如磁性岩),在混合后,将磁性岩块与水分开,这种过程可以以极高的流量在极紧凑的单位内进行,它显示出消除PFAS、微塑性物质和与新兴污染物共同渗透的重金属的前景,虽然磁性沉积在很大程度上仍然处于试验和示范规模,但有可能进行快速、高效的处理,而不需要大沉积盆地,正在进行的研究侧重于回收磁性种子材料和减少能源需求。

与补充治疗进程相结合

创新的沉积技术很少孤立地运作,在融入多阶段处理列时最为有效,例如,加强澄清或压载浮液可用作膜过滤(超过滤、纳米过滤)之前的预处理,或先进氧化过程(AOPs),如吞噬和紫外线/H2O2。通过去除上游悬浮固体和杂质的很大一部分,沉积会减少下游膜的污损和能量消耗,降低AOPs的氧化剂需求。这种协同作用可以改善整体污染物清除,同时延长设备寿命并降低操作成本。在饮用水处理中,颗粒活性碳(GAC)吸附后增强沉积物的组合能够有效地消除广泛的药品和农药;对于废水,与生物过程(如膜生物活性剂)相结合的沉积技术,可以加强清除逃避二次处理的再抗压化合物。

福利和限制

主要利益

  • 通过捕获溶解污染物和共聚污染物的定向凝固和聚合机制,加强低浓度污染物的清除。
  • 减少化学品使用和环境影响,特别是电凝固和磁系统,尽量减少液体凝固剂的运输和气外作用。
  • 利用压载工艺和小罐体处理高流量的balkla定居者,使工厂足迹和液压能力。
  • 与高级处理列车的兼容性得到提高,为膜,AOPs,以及吸附过程提供了强力预处理.
  • 操作灵活性,可以处理水质和流量的波动,通常采用自动化和实时流程控制.

限制和挑战

尽管这些技术具有优势,但创新的沉积技术仍面临若干挑战。例如,电凝胶可能会受到电极钝化的影响,需要定期更换牺牲阳极,从而增加维护成本。压碎的浮层需要外部提供加权剂,并仔细控制剂量,而磁沉积仍缺乏对各种新兴污染物的全面验证。此外,一些先进的系统消耗的能量比传统的沉积要多,这是碳和成本受限的公用事业的重要考虑。清除像PFAS这样的极易溶解污染物可能需要补充抛光步骤。 尽管如此,正在进行的研究和实地示范正在稳步地解决这些障碍,使技术越来越可行地用于主流的采用。

个案研究和业绩数据

几个完整的装置说明了这些技术的实际效果:在瑞士的一个城市饮用水厂,压载浮流,继而对双氯氟化物、卡巴马泽松和硫胺新诺明的澄清,在加在一起时,其清除量超过80%;在韩国医院废水处理设施安装的电凝胶系统,在仅保留10分钟的时间内,抗生素浓度减少了90%以上;在美国的试点试验表明,磁沉积与粉末活性碳(PAC)加成时,可从受污染的地下水中去除高达95%的全氟辛烷磺酸和全氟辛烷,这些例子突出表明创新沉积对不同基体和污染物的适应性。

未来方向和研究需要

随着对新兴污染物的监管审查在全世界范围不断加强,对高效、可扩展和可持续的处理解决方案的需求将增加。 沉积技术的未来进步将可能侧重于利用人工智能和实时传感器进行智能过程控制,以优化凝固剂剂量和能量输入。 将电凝固与浮浮液或膜过滤相结合的混合系统正在积极研究之中。此外,开发可生物降解或可循环凝固剂辅助剂和电极材料将进一步减少环境足迹。 还需要标准化的测试规程和性能衡量标准,以便于对各种技术进行比较,并指导公用事业的决策。 学术界、工业界和水机构之间的合作努力对于弥合实验室规模承诺与全面可靠性之间的差距至关重要。

结论

创新的沉积技术正在改变水处理设施如何应对新出现的污染物的挑战,从强化澄清和电凝结到压载浮流和磁沉积,这些方法大大提高了各种微污染物的清除效率,虽然它们本身不是完全的解决方案,但它们在综合处理列车中发挥着强大的组成部分,提高了整体水质和工艺的可持续性,随着研究的继续和运行经验的积累,这些技术将在保护子孙后代的水资源方面发挥越来越重要的作用。

外部参考资料]