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斯里兰卡CKDu病区地下水源水质分析及纳滤膜技术在该地区饮用水处理中的应用

本站小编 Free考研考试/2021-12-31

胡大洲1,2,3,,
COORAY Titus1,2,3,4,
郑利兵1,2,
钟慧1,2,
WERAGODA Sujithra5,
WEERASOORIYA Rohan6,
魏源送1,2,3,,
1.中国科学院生态环境研究中心,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100085
2.中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室,北京 100085
3.中国科学院大学,北京 100049
4.乌瓦韦拉萨大学应用地球科学系,班杜拉 90000,斯里兰卡
5.斯里兰卡供水和排水委员会,康提 20800,斯里兰卡
6.斯里兰卡国家基础科学研究院,康提 20000,斯里兰卡
作者简介: 胡大洲(1993—),男,硕士研究生。研究方向:饮用水净化。E-mail:dzhu_st@rcees.ac.cn.
通讯作者: 魏源送,yswei@rcees.ac.cn

中图分类号: X523


Water quality analysis of and application of nanofiltration membrane technology in treating groundwater in CKDu affected areas of Sri Lanka

HU Dazhou1,2,3,,
COORAY Titus1,2,3,4,
ZHENG Libing1,2,
ZHONG Hui1,2,
WERAGODA Sujithra5,
WEERASOORIYA Rohan6,
WEI Yuansong1,2,3,,
1.State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
2.Laboratory of Water Pollution Control Technology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4.Department of Applied Earth Sciences, Uva Wellassa University, Badulla 90000, Sri Lanka
5.National Water Supply and Drainage Board, Kandy 20800, Sri Lanka
6.Natl Inst Fundamental Studies, Hantana Rd, Kandy 20000, Sri Lanka
Corresponding author: WEI Yuansong,yswei@rcees.ac.cn

CLC number: X523

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摘要:针对斯里兰卡CKDu病区饮用水安全保障的需求,分别在雨季和旱季调查了斯里兰卡CKDu病区北中省Anuradhapura地区的地下水水质。结果表明,地下水中硬度和F?的平均质量浓度分别超过250.0 mg·L?1和1.49 mg·L?1,均高于斯里兰卡饮用水标准(SLS 614-2013),且溶解性有机物(DOC)平均质量浓度大于4.0 mg·L?1。在斯里兰卡Anuradhapura地区Sirimapura村援建以纳滤(NF)膜技术为核心的地下水源饮用水站,于2018年9月投入运行。运行结果表明,NF水站可有效去除地下水的硬度、F?和DOC,硬度、F?的平均截留率分别达80%和85%,DOC可完全去除,产水水质满足斯里兰卡国家饮用水水质标准(SLS 614-2013)。NF水站具有易于操作、便于维护、产水水质优异等优点,产水呈弱碱性(pH=7.3),且可保留部分对人体有益的矿物质。
关键词: 斯里兰卡/
CKDu病区/
地下水/
溶解性有机物/
纳滤

Abstract:For the provision of safe drinking water supply in CKDu affected areas in Sri Lanka, t this study investigated the groundwater quality of Anuradhapura, North Central Province, Sri Lanka in both wet and dry seasons, and developed a nanofiltration (NF) membrane-based water supply technology for CKDu prevalence zones. Results showed that the average concentrations of hardness and F? exceeded the limit values by the Sri Lankan Potable Water Standards (SLS 614-2013)(250 mg·L?1 and 1.0 mg·L?1 respectively), and the average concentration of dissolved organic matter (DOC) was higher than 4.0 mg·L?1 in most samples. A pilot NF-based groundwater treatment plant was developed and installed in Sirimapura village of Anuradhapura, Sri Lanka in September 2018, and its performance over one year showed that the NF-based plant can not only effectively remove hardness and F? in groundwater at their average rejection rates of 80% and 85%, respectively, but also nearly completely remove the DOC. The produced water quality of the NF-based plant was excellent and met the SLS 614-2013. The NF-based plant has advantages of easy operation & maintenance, excellent water quality of produced water with pH at 7.3 and keeping minerals and trace elements beneficial for human health.
Key words:Sri Lanka/
CKDu affected area of Sri Lanka/
groundwater/
dissolved organic matter/
nanofiltration.

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图1斯里兰卡CKDu病区地下水水质采样点分布图
Figure1.Distribution of groundwater samples sites in CKDu areas of Sri Lanka


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图2雨季和旱季时CKDu地区地下水中硬度、F-、DOC的分布
Figure2.Distribution of hardness, fluorine and DOC in groundwater in CKDu areas in the wet and dry seasons


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图3NF水站的工艺流程示意图
Figure3.Schematic flow of the pilot NF plant


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图4NF水站运行效果
Figure4.Performance of the NF plant


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表1RO水站与NF水站产水比较
Table1.Comparison of produced water quality in RO and NF plants
处理工艺及水质标准pHEC/(μS·cm?1)碱度/(mg·L?1)硬度/(mg·L?1)F?/(mg·L?1)Ca/(mg·L?1)DOC/(mg·L?1)
RO1)6.48±0.6337.94±29.5211.06±8.33.2±3.20.87±1.161.21±1.120.87±0.78
NF7.35±0.740.26±3520±10.9523.2±15.80.17±0.0611.4±12.85未检出
SLS 614-20132)6.5-8.57502002501300
  注:1) 8个RO水站产水水质的均值±标准偏差;2) SLS 614-2013为斯里兰卡饮用水水质标准。

处理工艺及水质标准pHEC/(μS·cm?1)碱度/(mg·L?1)硬度/(mg·L?1)F?/(mg·L?1)Ca/(mg·L?1)DOC/(mg·L?1)
RO1)6.48±0.6337.94±29.5211.06±8.33.2±3.20.87±1.161.21±1.120.87±0.78
NF7.35±0.740.26±3520±10.9523.2±15.80.17±0.0611.4±12.85未检出
SLS 614-20132)6.5-8.57502002501300
  注:1) 8个RO水站产水水质的均值±标准偏差;2) SLS 614-2013为斯里兰卡饮用水水质标准。

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收稿日期:2020-06-18
录用日期:2020-10-15
网络出版日期:2021-06-25
-->刊出日期:2021-06-10




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斯里兰卡CKDu病区地下水源水质分析及纳滤膜技术在该地区饮用水处理中的应用

胡大洲1,2,3,,
COORAY Titus1,2,3,4,
郑利兵1,2,
钟慧1,2,
WERAGODA Sujithra5,
WEERASOORIYA Rohan6,
魏源送1,2,3,,
通讯作者: 魏源送,yswei@rcees.ac.cn
作者简介: 胡大洲(1993—),男,硕士研究生。研究方向:饮用水净化。E-mail:dzhu_st@rcees.ac.cn 1.中国科学院生态环境研究中心,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100085
2.中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室,北京 100085
3.中国科学院大学,北京 100049
4.乌瓦韦拉萨大学应用地球科学系,班杜拉 90000,斯里兰卡
5.斯里兰卡供水和排水委员会,康提 20800,斯里兰卡
6.斯里兰卡国家基础科学研究院,康提 20000,斯里兰卡
收稿日期: 2020-06-18
录用日期: 2020-10-15
网络出版日期: 2021-06-25
关键词: 斯里兰卡/
CKDu病区/
地下水/
溶解性有机物/
纳滤
摘要:针对斯里兰卡CKDu病区饮用水安全保障的需求,分别在雨季和旱季调查了斯里兰卡CKDu病区北中省Anuradhapura地区的地下水水质。结果表明,地下水中硬度和F?的平均质量浓度分别超过250.0 mg·L?1和1.49 mg·L?1,均高于斯里兰卡饮用水标准(SLS 614-2013),且溶解性有机物(DOC)平均质量浓度大于4.0 mg·L?1。在斯里兰卡Anuradhapura地区Sirimapura村援建以纳滤(NF)膜技术为核心的地下水源饮用水站,于2018年9月投入运行。运行结果表明,NF水站可有效去除地下水的硬度、F?和DOC,硬度、F?的平均截留率分别达80%和85%,DOC可完全去除,产水水质满足斯里兰卡国家饮用水水质标准(SLS 614-2013)。NF水站具有易于操作、便于维护、产水水质优异等优点,产水呈弱碱性(pH=7.3),且可保留部分对人体有益的矿物质。

English Abstract






--> --> --> 斯里兰卡地处印度洋的核心区域,是东西方海运的必经之地和“一带一路”沿线的支点国家[1]。20世纪90年代,斯里兰卡北中省(North Central Province, NCP)发现了一种不明原因慢性肾病(chronic kidney diseases of uncertain etiology, CKDu),患者年龄跨度为17~70岁,其中重症患者多为30~60岁的男性农民[2],但其致病原因至今尚不清楚。世界卫生组织(World Health Organization, WHO)研究表明[3],饮用水是影响CKDu的主要因素之一,并推荐为当地居民提供安全饮用水是预防CKDu的一种有效方法。地下水是NCP干区(dry zone)居民最主要的饮用水水源。已有研究表明,硬度、F?和溶解性有机物(dissolved organic matter, DOM)是该地区地下水中最主要的超标污染物[4-5]。据统计,2018年斯里兰卡供水管网覆盖率为50.5%,且主要集中在首都科伦坡和康提等大城市[6];农村地区人口密度低,居住分散,市政管网供水覆盖率低,供水由社区组织(Community Based Organization, CBO)提供[7]。为解决CKDu病区安全饮用水问题,斯里兰卡政府在CKDu病区大力推广应用反渗透(reverse osmosis,RO)膜技术。2016年,CKDu病区已建成700多座RO膜饮用水站[8],处理规模0.5~3 m3·d?1。RO水站主要由砂滤、活性炭、微滤(microfiltration, MF)和RO构成,通常采用间歇操作模式,但存在如下主要问题:1) RO膜高压运行[9]和膜污染[10]造成了水站操作复杂,维护成本高;2) RO膜去除了水中包括单价盐类的绝大部分物质,影响了口感,致使当地民众对RO产水认可度不高;3) 大多数RO水站由个人或CBO运营,其水站运营维护和管理缺乏可遵循的统一规范[11]。因此,CKDu病区迫切需要引入操作简便、易于维护、水质安全可口、经济高效的饮用水处理技术。
本研究通过现场调研,考察旱季和雨季条件下斯里兰卡CKDu病区地下水水质特征,明确主要超标水质参数(硬度、F?和有机碳)的特征,据此开发基于纳滤膜的地下水源饮用水处理技术与设备,以期为斯里兰卡CKDu病区饮用水安全保障提供参考。

为调查CKDu病区的地下水水质特征,分别于雨季(2016年12月)和旱季(2017年5月)在斯里兰卡北中省Anuradhapura地区进行水质调查。根据人口和CKDu发病率确定采样点,主要采集浅井、管井及泉水样品,采样点分布如图1所示。高CKDu发病率区的采样点有35个,中CKDu发病率区的采样点有26个,低CKDu发病率区的采样点有17个;在无CKDu病例的Monaragala和Kandy地区各采集5个水样作为空白点。共计采集水样88个。



采用便携式水质分析仪(WTW, Welheim, Germany)测量pH值、电导率EC、水温。水样中的金属元素由电感耦合等离子发射光谱(ICP-OES, Optima 2100 DV, Perkin Elmer, USA)和电感耦合等离子体质谱仪仪(ICP-MS, Agilent 8800, Agilent, USA)测定;阴离子由离子色谱(IC, ICS-1000, Di-onex, USA)测定;在此基础上计算硬度浓度(采用钙和镁离子计算,如式(1)所示)。水样中溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)的质量浓度通过总有机碳分析仪(TOC, Elementra, Langenselbold, Germany)进行分析。
式中:H为硬度,mg·L?1$ {C}_{{\rm{Ca}}} $为钙离子质量浓度,mg·L?1$ {C}_{{\rm{Mg}}} $为镁离子质量浓度,mg·L?1

水质调查结果显示,CKDu病区地下水的硬度、F?、DOC质量浓度较高,其分布如图2所示。


图2(a)图2(b)所示,在Anuradhapura地区,旱季地下水中硬度较雨季有所升高。雨季地下水硬度均小于350.0 mg·L?1;而旱季地下水中硬度浓度鲜有小于250.0 mg·L?1。在Nochchiyagama、Mihintale和Kahatagasdigiliya地区,地下水中硬度浓度超过350.0 mg·L?1,超标率在50%以上。地下水硬度是指地下水中钙镁离子总浓度,包括碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。Wasana在北中省地下水的水质调查报告中显示[12],高CKDu发病率区和低CKDu发病率区地下水中CaCO3浓度为121~180 mg·L?1,在无CKDu地区,CaCO3浓度则为61 mg·L?1;DHARMA-WARDANA等也报告了类似结果[13]。在采集的24个地下水样品中,有23个样品总硬度(以CaCO3计)超过140 mg·L?1。这表明北中省地下水中硬度是常见超标污染物,这可能是因为北中省在旱季高温少雨,蒸发造成了离子质量浓度的增加[14]
研究区域内大部分地下水中F?的质量浓度较高,平均浓度超过斯里兰卡饮用水标准(SLS 614-2013)中F?的质量浓度限值2.5倍以上。由图2(c)图2(d)可知,无论旱季雨季,地下水中F?的质量浓度大部分大于2.0 mg·L?1。在雨季,F?的质量浓度大于3.0 mg·L?1的区域主要是Nochchiyagama地区,而Galanewa和Mihintale部分地区地下水中F?的质量浓度较低(1.49~2.0 mg·L?1);Padawiya、Kebitigollewa和Kahatagasdigiliya部分地区地下水在旱季F?的质量浓度升高,Nochchiyagama地区地下水中F?的质量浓度略下降。在斯里兰卡CKDu病区,很多研究都发现地下水中F?的质量浓度超标[15-16]。CHANDRAJITH等[17]研究发现,在干区大多数地下水中F?的质量浓度高于1.5 mg·L?1,超过50%地下水水井中F?的质量浓度高于1.0 mg·L?1。WICKRAMARATHNA等[18]利用同位素方法分析地下水中的F?,结果显示在依赖地下水为饮用水水源的Girandurukotte,Nikawewa,Medawachchiya和Padaviya地区,地下水中F?的质量浓度分别为2.14、5.30、4.90和1.33 mg·L?1,个别地区F?的质量浓度为5 mg·L?1,均超过斯里兰卡饮用水标准规定的1.0 mg·L?1。因此,气候变化、地下水蒸发及过度取用是F?质量浓度增加的主要原因[14]
采样区域地下水中DOC分布如图2(e)图2(f)所示。DOC的质量浓度主要集中在4 mg·L?1以上,极少数地区地下水中DOC的质量浓度小于4 mg·L?1。在雨季,Padawiya和Kebitigollewa地区地下水中DOC的质量浓度为8 mg·L?1,明显高于旱季;相比于雨季,旱季地下水中DOC的质量浓度有所下降。其中,DOC的质量浓度集中在4.0~8.0 mg·L?1。在其他研究中也有关于CKDu病区地下水中DOC质量浓度较高的报告[18]。MADHUBHASHINI等[19-20]在北中省Anuradhapura地区的水质分析结果显示,地下水中DOC分子质量为900~1 800 Da,主要为难生物降解和高芳香性的有机化合物(包括富里酸、色氨酸和络氨酸)。在高CKDu发病率区,地下水中DOC质量浓度为(1.68±0.69) mg·L?1;在无CKDu发病率区,DOC的质量浓度为(2.08±0.74) mg·L?1,而最低DOC的质量浓度出现在低CKDu发病率区,为(1.35±0.17) mg·L?1
综上所述,Anuradhapura地区地下水中硬度、F?及DOC是CKDu病区常见超标污染物,并随雨季和旱季的转变,地下水水质发生较为明显变化。表明Anuradhapura地区地下水需要经过进一步处理后才可以作为饮用水使用。研究人员采用水质指数分析(water quality index,WQI)对CKDu地下水进行水质评价[21]。在计算WQI值时,将pH、总硬度、F?和DOC等参数考虑在内,结果显示CKDu地区雨季和旱季采集的样品中,分别只有3.8%和2.6%水样水质显示为优良,其余均低于优良水质标准。

基于膜通量、硬度和DOC截留率及运行稳定性等参数的实验室研究结果[4],本研究选择超低压选择性纳滤膜DF-90(DF-90404,北京碧水源)应用于NF膜饮用水站(设计规模20 t·d?1)。由于单一膜处理技术的使用不足以支撑NF膜水站长时间的稳定运行,故饮用水的流程中包含了预处理。多数情况下,选择MF与NF、超滤(ultrafiltration,UF)与NF[22-23]等相结合的膜技术作为预处理步骤,有助于减少膜结垢并延长膜的使用寿命;使用阳离子交换树脂可以减少水中Ca2+和Mg2+,降低膜表面的无机结垢;砂滤器和活性炭吸附也可作为纳滤前的预处理技术,用于去除颗粒和胶体物质。基于以上原理,该纳滤水站的工艺流程示意图如图2所示。NF膜饮用水站采用集成化设计,占地小、方便运输。原水经前置过滤器去除水中较大颗粒,再经由输水管路送至原水箱,进水泵将原水箱内水送至多介质过滤器,利用活性炭和阴离子交换树脂部分去除水中DOC和F?等物质;多介质过滤器出水送至自动软化器,软化器内阳离子交换树脂部分去除原水中钙镁等硬度离子。一、二级精密过滤器采用PP棉,依次去除原水中粒径为10 μm和5 μm的杂质。最后,利用高压泵将处理后的水送至NF膜过滤,产水储存于净水箱(箱内有臭氧发生器,消毒确保水质),经过紫外消毒后取用。考虑到长期运行,为进一步减少膜污染,NF饮用水站设有加药系统和化学清洗系统。加药系统为NF膜投加阻垢剂,防止出现结垢,盐箱用于树脂再生,清洗水箱为预处理单元和NF膜提供化学清洗,延长膜的使用寿命。
该纳滤饮用水站于2018年9月19日在斯里兰卡Anuradhapura的Sirimapura村(纬度?8.159, 经度?80.241/141472E, 328148N)正式投入运行。该村将抽取的地下水输送至15 m高的水塔(有效容积75 m3),通过管道将原水输送至NF膜饮用水站处理。NF膜饮用水站可为该村164户居民(约750人)和附近小学1 300名学生提供优质饮用水。工艺流程如图3所示。


典型RO水站处理工艺一般由砂滤、活性炭、MF和RO膜技术构成,少有消毒过程。进水泵将原水送至砂滤进行预处理,经由活性炭吸附后送至MF膜组件,MF出水由压力泵送至RO膜过滤,产水储存在饮用水箱取用。

NF水站的运行压力0.5 MPa,产水量0.85 m3·h?1。根据斯里兰卡国家供排水委员会(National Water Supply and Drainage Board, NWSDB)对该NF水站的水质检测结果,NF水站运行一年多以来,产水水质稳定,且对原水中硬度、F?和DOC保持了较高的去除率,结果如图4所示。


图4所示,NF水站已运行超过547 d(截至2020年3月13日),产水中pH、硬度和F?等指标基本保持稳定。由图4(a)可知,进水pH为6.5~8,出水pH多为弱碱性(7.0~7.8),浓水的pH为6~8.2;硬度过高会引起饮用水口感较差,造成设备管路堵塞,硬水中的钙离子易与食物中的草酸等发生反应,形成草酸钙、磷酸钙等沉淀,导致肾结石发病率增加[24]。由图4(b)可知,NF水站进水中硬度较高(均大于100 mg·L?1,部分超过280 mg·L?1),产水硬度均小于50 mg·L?1,浓水硬度为200~500 mg·L?1,NF水站对硬度的截留率可达到80%以上,部分可达95%。这表明NF水站去除了大部分Ca2+、Mg2+等离子。长期饮用F?超标的饮用水会导致氟中毒,主要表现为氟斑牙和氟骨症[25]。由图4(c)可知,进水中F?的质量浓度为0.8~1.5 mg·L?1,产水中F?的质量浓度均小于0.3 mg·L?1,浓水F?的质量浓度大于1.0 mg·L?1,NF水站对F?的截留率在85%以上,部分可达到95%。这表明NF水站可有效去除F?。由于斯里兰卡当地缺少DOC检测设备,因此日常监测过程中并未对水中DOC进行监测。本研究将NF水站产水样品带回中国进行分析,结果显示,经NF水站处理后,原水中的DOC几乎被完全去除。
综上所述,本研究以NF膜技术为核心的饮用水水站,在CKDu病区地下水的水质复杂和波动情况下,不仅有效降低了水中的硬度、F?的质量浓度和TOC等指标,而且保留了一部分人体所需的矿物质和微量元素,获得了优质安全的饮用水,满足了当地民众的安全饮用水需求。

CKDu病区RO水站的日常管理和运营由个人或社区组织负责。例如,斯里兰卡海军运营的RO水站为民众免费提供饮用水,其他个人和CBO管理的RO水站,水的售价为每升0~0.16 元不等。而NF水站产水的售价为0.04 元,故NF水站产水的价格在当地民众中接受率高。另外,RO水站需每天进行人工反冲洗,NF水站的日常维护过程则为自动化,这也极大地减少了人为因素引起的操作问题。考虑到水压及长期运行,NF水站将水回收率设置为40%。
为比较RO水站与NF水站的产水水质,本研究分别从Medawacchiya、Thirappane、Monragala1、Monragala、Monragala、Monragala、Palagala、Rajangaaya等8个区域收集了RO水站的产水,并与NF水站的产水进行对比(见表1)。大多数RO水站产水pH为弱酸性。长期饮用弱酸性饮用水会破坏人体pH酸碱平衡,导致免疫力下降,从而进一步引发各类疾病[26]。同时,RO水站的产水几乎完全去除了离子,而NF水站降低了水中大部分硬度、F?质量浓度和DOC,保留了一部分人体所必需矿物质,而浓水用做建筑和灌溉用水,节约了后续处理成本。




综上所述,NF水站达到了预期设计目标,为该地区人民提供了安全优质的饮用水。然而,尽管NF水站的设计处理规模为20 t·d?1,但由于当地居民居住分散,加之交通不便,水站覆盖范围有限等原因,NF水站实际产水仅为1.5 t·d?1。因此,下一步可因地制宜,建造更加小型的NF水站或户用纳滤饮水设备,以便能更好地解决当地饮用水问题。

1)斯里兰卡北中省CKDu病区地下水水质调查结果表明,该地区地下水的主要水质问题是硬度、氟化物和DOC等指标较高,超过了斯里兰卡饮用水标准(SLS 614-2013)。
2)以纳滤膜技术为核心开发了地下水源饮用水处理技术与设备,并在斯里兰卡CKDu病区建设了一座NF水站。水站的水质监测结果表明,运行一年多以来,NF水站性能稳定,运行状况良好,产水符合斯里兰卡国家饮用水标准(SLS 614-2013)。NF水站具有易于操作、便于维护、产水水质优异等优点,产水呈弱碱性(pH=7.3),且能保留一部分对人体有益的矿物质。

参考文献 (26)
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