遂行多样化任务过程中应急供水净化技术与运用

邵淑文

（武警工程大学装备管理与保障学院，陕西西安 710086）

引言

水在军事活动中具有重要的战略地位和作用。在1990 年的海湾战争中，巴格达的军队人员由于供水系统被轰炸致瘫痪而严重缺水，使战斗力下降[1]。伊拉克战争期间，由于作战地理环境为干旱沙漠戈壁，为保障士兵用水，美军为不同级别的部队配备了不同型号的ROWPU（Reverse Osmosis Water Purification Unit）供水系统[2]。同时在战争中，伊拉克的飞毛腿导弹偷袭了美陆军后备净水设施，造成了保障人员的伤亡。

军队在军事活动中的供水保障一方面来自地方保证，另一方面来自后勤保障。中国水环境污染日益恶化，可利用淡水资源越来越少，可用作饮用水的供水水源越来越少[3]。工业事故污染、自然灾害、工程事故、战乱等突发事件，也常常会造成地方市政供水的停供。此外，大量的军事活动经常在远离人烟的野外，无法依靠地方供水。饮用水的短缺关系到官兵和灾民最基本的生命安全；不安全的饮用水又能造成水源性疾病的暴发流行，从而造成战斗力下降和二次灾害的发生。部队应急供水技术在军事任务中起着至关重要的作用，因此加快应急供水处理技术的研究和应急供水设备的研发，在当前的社会背景下显得尤为迫切。

目前国内外应急饮用水工艺多为针对特定水质水源的工艺组合，并且为了便于运输大多将整个流程整合为一个模块。国内外众多学者做了大量的工作，研究与开发了大量的处理工艺与设备。但由于水源水质特点具有多样性，所以应急饮用水的工艺与设备研究还有大量工作需要做。

1.应急饮用水处理的特点

（1）原水水源具有复杂性。应急饮用水的水源多为微污染水、高浑水，具有化学需氧量（COD）高、浊度大、痕量有机污染物（TOrC）复杂、重金属污染（铅、铜、铬、汞、镉等）严重、藻类含量多、致病微生物多、盐度高等特点，传统市政给水处理工艺混凝、沉淀、过滤及消毒并不能很好的适用。（2）处理规模小。应急饮用水的处理能力相对较小，所以工艺组合选择更为方便灵活。（3）工艺组合模块化。为了更好的应对突发事件对饮用水的需求，应急饮用水的处理工艺应模块化和具备可移动性。（4）卫生条件要求高。突发事件的性质决定了对于应急饮用水的用水卫生安全提出了更高了要求。

2.应急饮用水处理采用的工艺简介

2.1 沉淀

沉淀包括物理沉淀和化学沉淀。在应急供水中物理沉淀常作为供水系统的预处理工艺，以降低原水中的污染物浓度，从而降低后续工艺的处理负荷，提高水处理系统的出水水质。化学沉淀法包括氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、碳酸盐沉淀法、铁氧体沉淀法、卤化物沉淀法、硫酸盐沉淀法和还原沉淀法。氢氧化物沉淀法和硫化物沉淀法通常用来去除水中的金属离子。Ralph D. Ludwig 使用一种硫酸盐还原菌生物反应滤池装置，将重金属转化为硫化物沉淀，成功将模拟矿山污染的地下水中铜的浓度由3630mg/L 降到10.5mg/L，镉的浓度从15.3mg/L 降至0.2mg/L[4]。谭浩强等用氢氧化钠为沉淀剂，铁盐为混凝剂，实现了水厂原水中镍含量降至0.005mg/L 的效果。

2.2 混凝

混凝是在水中投加混凝剂与助凝剂，从而降低原水浊度的一种工艺。混凝剂可以通过压缩双电子层、吸附电中和、架桥、卷扫网捕等方式使原水中的胶体脱稳形成易于沉淀的大颗粒，然后通过后续过滤等工艺降低原水的浊度。常见的混凝剂有硫酸铝、硫酸亚铁、聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铝（PAS）、聚合丙烯酰胺（PAM）等等。在应急饮用水的处理中，常常采用多种混凝剂的复合药剂来提高混凝效果。马春霞[5]构建了一种全新的壳聚糖—氯化铝混凝工艺，实现了无破损去除铜绿微囊藻细胞和胞外微囊藻毒素以及其它藻类代谢产物的同时去除。

2.3 过滤

过滤主要有颗粒材料过滤、粗滤、膜滤等等。原水经过混凝之后，形成大的颗粒极易被微孔介质材料所截留，从而进一步净化水质。生物砂滤池（biosand filter, BSF）是一种常用的家用生物过滤装置，水流可以通过填充装有沙子和砾石的容器，砂石表面附着有生物活性层可以去除水中的微生物和有机物。实验室测定表明，生物滤池具有较高的去除微生物的能力，它能够去除＞95%的浊度、病毒的对数下降值（LRV）约为1、细菌的对数下降值（LRV）约为3 和原生动物对数下降值（LRV）约为3[6]。压力过滤罐通常体型小、使用方便，在严重的突发事件中应用较为广泛。压力过滤罐的过滤材质为石英砂或者硅藻土，而硅藻土相对沙粒而言更能提高过滤的效率[7]。现在包含吸附、分子筛、静电荷功能的矩阵结构过滤新型材料不断被应用到过滤工艺中来，并经大量实验证明这些新型的过滤材料可以大大提高对病原体和小分子有机物的去除效率[8～9]。

2.4 吸附

吸附在水净化中一直被认为是一项积极、有效和经济的水处理技术[10～11]。在众多的吸附材料中，活性炭在水处理工艺中常常被采用。活性炭具有巨大的比表面积，具有良好的吸附性能。活性炭吸附性作用为非极性吸附，对所有的杂质均具有良好的吸附效果[12]。基于活性炭优良的吸附性能，大量学者对活性炭进行复合、改性、结构调控等措施，提高了其广谱吸附性能的同时也提高了其对特定污染物的吸附效率。Mona Karnib[13]制备了一种二氧化硅/活性炭复合材料，并对材料的重金属吸附性能做了大量实验。如表1 所示，二氧化硅/活性炭（2：3）复合材料对镍的去除效率优于活性炭。将吸附材料和催化剂进行复合，能起到催化和吸附的协同效应。Wang[14]将吸附材料水滑石和Pd/Cu 催化剂复合，对水中的亚硝酸盐起到了优异的吸附催化协同效果。

表1 二氧化硅/活性炭复合材料对重金属镍的吸附效果

2.5 膜滤

随着制膜技术的提高和成本的下降，膜处理越来越多的被利用到水处理之中[15～16]。根据所截留的分子由大到小进行分类，膜处理分为微虑、超滤、纳滤、反渗透四种。在运行过程中，所需的压力差由小到大依次为微虑、超滤、纳滤、反渗透。市政水处理中常采用超滤和纳滤作为过滤的后续工艺。在直饮水处理和海水淡化工艺中，常常采用反渗透作为整个工艺的核心工艺。膜滤的各个工艺都具有其各自的适用范围，如表2 所示。所以在应急饮用水的处理工艺中应根据具体情况合理运用。

表2 膜滤分类及基本特征

2.6 磁分离

磁力可以不借助外力影响污染物的物理性质，从而促进水中污染物与水的分离[17]。磁分离技术和其他水处理技术相结合可以形成一种高效、低能耗的处理工艺。一般说来，物质的磁性可以分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。磁性粒子交换树脂（MIEX）最早诞生于1995 年，用于对水体中天然有机物的去除。MIEX 基质中掺入了磁性氧化铁以增强其凝聚，增强了对水体中有机物的去除能力，从而降低了后续工艺的负荷和消毒副产物的产生[18]。磁性纳米粒子（MNPs）可以作为一种功能性生物分子，用于识别和靶向作用于致病菌，实现饮用水的净化。Xu 等[19]对聚丙烯胺盐酸盐（PAAH）功能化纳米磁性颗粒进行了研究，结果表明，通过静电相互作用和磁力吸引作用，大肠杆菌、不动杆菌、假单胞菌和芽孢杆菌均达到了很好的去除效果。

2.7 消毒

常见的消毒方式有氯消毒、二氧化氯消毒、紫外线消毒、臭氧消毒等。氯消毒具有操作简单、价格低、消毒效果好等优点，因此被广泛应用于饮用水消毒。但是氯消毒容易产生对人体有害的消毒副产物，所以在使用的过程中应尽量减少消毒副产物的产生。紫外线消毒对治病微生物有广谱消毒效果，但是无持续杀菌能力[20]。臭氧消毒无毒无味，消毒效果好、速度快，但是臭氧会对橡胶制品和铜制品有腐蚀危害。除此之外，电子辐射[21]、纳米银[22]、光催化氧化[23]等技术近些年来在水体消毒方面也得到了大量的研究。Praveena 等[24]研制了一种纳米银包覆纤维素纸，作为紧急情况下饮用水的过滤材料，可对大肠杆菌具有良好的去除率。

3.应急饮用水处理的应用

应急饮用水处理的应用主要集中在自然灾害、突发水污染事件和部队野战保障等方面。左俊芳等[25]研制的新型碟管式反渗透移动应急供水设备（DTRO），该设备以反渗透为核心工艺，设备自备电源和外接电源两用，自动化程度高，操作简便、容易维护，图1（a）为该设备内部实图。在汶川地震、玉树地震、舟曲泥石流等救援供水中起到了重大的作用，为灾民和救援官兵提供了安全可靠的饮用水。1976 年美军研制的以反渗透为主要工艺的ROWPU600 型供水装置在90 年代初的海湾战争中为美军的野战供水发挥了巨大作用。此外，美军还将模块化水净化系统（MMFFS）与ROWPU600 型供水装置相结合，大大提高了原水水质的适用范围[26]。

郭辉等研发了一种以“水力旋流器+双级过滤+复合吸附”的净水工艺为核心工艺的净水设备，该设备具有高机动性、强适用性，特别是对高浑水源及微污染水源具有良好的处理效果。在设备组成中，滤料采用无烟煤滤料，吸附罐装填有由活性炭和多孔无机吸附剂按质量比3：1 组合而成的复合吸附材料，并选择中国重汽生产的HOVA 系列8×8 全驱越野底盘为车载底盘。饮用水应急处理设备对原水中浊度、CODMn、氨氮、亚硝酸氮、UV254和UV410的总去除率分别为99.4%、70.0%、55.4%、59.6%、25.0%和85.3%。饮用水应急处理设备的外观及内部布置见下图1（c）（d）。

在海上作业或者在缺乏淡水资源的海边或者咸水湖区域，可以将咸水净化为可饮用的，海水淡化技术是重要的水处理技术。海水技术包括反渗透法和蒸馏法，其中反渗透法是美军的海水淡化工艺中的核心工艺，在大中型的供水设施中应用较为广泛。美军的轻型净水器（LWP）和海军远征部队净水系统（EUWP）都以超滤（UF）加反渗透（RO）作为核心处理工艺的水净化系统，图1（b）为远征部队现场制水图。C.Timmes[27]在此基础上以电凝聚作为超滤的预处理工艺，在海水淡化的实验中，相比于三氯化铁混凝而言，电混凝提高了超滤膜的性能。

图1 饮用水应急处理设备

海水淡化的蒸馏法一般采用太阳能和风能等清洁能源。如图2 所示为chen 等[28]研发的太阳能源驱动的实用海水淡化系统。通过在室外2 年的实验，该装置在华北地区长期稳定运行，年产量可达250m3。净水系统的使用寿命按15 年计，水生产成本估计为约4.6 美元/m3。

图2 太阳能源驱动的实用海水淡化系统

备注：1.太阳能集热器；2.控制系统；3.电池；4.逆变器；5.单向控制器；6.风力发电装置；7.风力供电；8.热水箱；9.淡水箱；10.热水；11.冷却水；12.集中排放海水；13.海水罐；14.海水入口；15.溢出；16.流量计；17.海水管；18.真空泵；19.蒸发器；20.第一级蒸发冷凝器；21.第二级蒸发器冷凝器；22.冷凝器。

4.结语

环境的日益复杂多变和保障需求逐渐精细化和严格化，常规的水处理工艺在应急供水水处理中受到越来越多的限制。为了适应时代的发展，更好的服务于部队执行任务中对应急供水的需求，越来越多的新型处理工艺不断面世，处理设备也不断集约化和高效化，但是技术的发展总是滞后于实际需求。所以未来开发更高效、更节能、更实用的水处理工艺及设备仍然是一项艰巨的任务，是我们奋斗的方向。