邵淑文

（武警工程大學(xué)裝備管理與保障學(xué)院，陜西西安 710086）

引言

水在軍事活動(dòng)中具有重要的戰(zhàn)略地位和作用。在1990 年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，巴格達(dá)的軍隊(duì)人員由于供水系統(tǒng)被轟炸致癱瘓而嚴(yán)重缺水，使戰(zhàn)斗力下降[1]。伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)期間，由于作戰(zhàn)地理環(huán)境為干旱沙漠戈壁，為保障士兵用水，美軍為不同級(jí)別的部隊(duì)配備了不同型號(hào)的ROWPU（Reverse Osmosis Water Purification Unit）供水系統(tǒng)[2]。同時(shí)在戰(zhàn)爭(zhēng)中，伊拉克的飛毛腿導(dǎo)彈偷襲了美陸軍后備凈水設(shè)施，造成了保障人員的傷亡。

軍隊(duì)在軍事活動(dòng)中的供水保障一方面來(lái)自地方保證，另一方面來(lái)自后勤保障。中國(guó)水環(huán)境污染日益惡化，可利用淡水資源越來(lái)越少，可用作飲用水的供水水源越來(lái)越少[3]。工業(yè)事故污染、自然災(zāi)害、工程事故、戰(zhàn)亂等突發(fā)事件，也常常會(huì)造成地方市政供水的停供。此外，大量的軍事活動(dòng)經(jīng)常在遠(yuǎn)離人煙的野外，無(wú)法依靠地方供水。飲用水的短缺關(guān)系到官兵和災(zāi)民最基本的生命安全；不安全的飲用水又能造成水源性疾病的暴發(fā)流行，從而造成戰(zhàn)斗力下降和二次災(zāi)害的發(fā)生。部隊(duì)?wèi)?yīng)急供水技術(shù)在軍事任務(wù)中起著至關(guān)重要的作用，因此加快應(yīng)急供水處理技術(shù)的研究和應(yīng)急供水設(shè)備的研發(fā)，在當(dāng)前的社會(huì)背景下顯得尤為迫切。

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)急飲用水工藝多為針對(duì)特定水質(zhì)水源的工藝組合，并且為了便于運(yùn)輸大多將整個(gè)流程整合為一個(gè)模塊。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者做了大量的工作，研究與開(kāi)發(fā)了大量的處理工藝與設(shè)備。但由于水源水質(zhì)特點(diǎn)具有多樣性，所以應(yīng)急飲用水的工藝與設(shè)備研究還有大量工作需要做。

1.應(yīng)急飲用水處理的特點(diǎn)

（1）原水水源具有復(fù)雜性。應(yīng)急飲用水的水源多為微污染水、高渾水，具有化學(xué)需氧量（COD）高、濁度大、痕量有機(jī)污染物（TOrC）復(fù)雜、重金屬污染（鉛、銅、鉻、汞、鎘等）嚴(yán)重、藻類(lèi)含量多、致病微生物多、鹽度高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)市政給水處理工藝混凝、沉淀、過(guò)濾及消毒并不能很好的適用。（2）處理規(guī)模小。應(yīng)急飲用水的處理能力相對(duì)較小，所以工藝組合選擇更為方便靈活。（3）工藝組合模塊化。為了更好的應(yīng)對(duì)突發(fā)事件對(duì)飲用水的需求，應(yīng)急飲用水的處理工藝應(yīng)模塊化和具備可移動(dòng)性。（4）衛(wèi)生條件要求高。突發(fā)事件的性質(zhì)決定了對(duì)于應(yīng)急飲用水的用水衛(wèi)生安全提出了更高了要求。

2.應(yīng)急飲用水處理采用的工藝簡(jiǎn)介

2.1 沉淀

沉淀包括物理沉淀和化學(xué)沉淀。在應(yīng)急供水中物理沉淀常作為供水系統(tǒng)的預(yù)處理工藝，以降低原水中的污染物濃度，從而降低后續(xù)工藝的處理負(fù)荷，提高水處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)。化學(xué)沉淀法包括氫氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、碳酸鹽沉淀法、鐵氧體沉淀法、鹵化物沉淀法、硫酸鹽沉淀法和還原沉淀法。氫氧化物沉淀法和硫化物沉淀法通常用來(lái)去除水中的金屬離子。Ralph D. Ludwig 使用一種硫酸鹽還原菌生物反應(yīng)濾池裝置，將重金屬轉(zhuǎn)化為硫化物沉淀，成功將模擬礦山污染的地下水中銅的濃度由3630mg/L 降到10.5mg/L，鎘的濃度從15.3mg/L 降至0.2mg/L[4]。譚浩強(qiáng)等用氫氧化鈉為沉淀劑，鐵鹽為混凝劑，實(shí)現(xiàn)了水廠(chǎng)原水中鎳含量降至0.005mg/L 的效果。

2.2 混凝

混凝是在水中投加混凝劑與助凝劑，從而降低原水濁度的一種工藝?；炷齽┛梢酝ㄟ^(guò)壓縮雙電子層、吸附電中和、架橋、卷掃網(wǎng)捕等方式使原水中的膠體脫穩(wěn)形成易于沉淀的大顆粒，然后通過(guò)后續(xù)過(guò)濾等工藝降低原水的濁度。常見(jiàn)的混凝劑有硫酸鋁、硫酸亞鐵、聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鋁（PAS）、聚合丙烯酰胺（PAM）等等。在應(yīng)急飲用水的處理中，常常采用多種混凝劑的復(fù)合藥劑來(lái)提高混凝效果。馬春霞[5]構(gòu)建了一種全新的殼聚糖—氯化鋁混凝工藝，實(shí)現(xiàn)了無(wú)破損去除銅綠微囊藻細(xì)胞和胞外微囊藻毒素以及其它藻類(lèi)代謝產(chǎn)物的同時(shí)去除。

2.3 過(guò)濾

過(guò)濾主要有顆粒材料過(guò)濾、粗濾、膜濾等等。原水經(jīng)過(guò)混凝之后，形成大的顆粒極易被微孔介質(zhì)材料所截留，從而進(jìn)一步凈化水質(zhì)。生物砂濾池（biosand filter, BSF）是一種常用的家用生物過(guò)濾裝置，水流可以通過(guò)填充裝有沙子和礫石的容器，砂石表面附著有生物活性層可以去除水中的微生物和有機(jī)物。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定表明，生物濾池具有較高的去除微生物的能力，它能夠去除＞95%的濁度、病毒的對(duì)數(shù)下降值（LRV）約為1、細(xì)菌的對(duì)數(shù)下降值（LRV）約為3 和原生動(dòng)物對(duì)數(shù)下降值（LRV）約為3[6]。壓力過(guò)濾罐通常體型小、使用方便，在嚴(yán)重的突發(fā)事件中應(yīng)用較為廣泛。壓力過(guò)濾罐的過(guò)濾材質(zhì)為石英砂或者硅藻土，而硅藻土相對(duì)沙粒而言更能提高過(guò)濾的效率[7]。現(xiàn)在包含吸附、分子篩、靜電荷功能的矩陣結(jié)構(gòu)過(guò)濾新型材料不斷被應(yīng)用到過(guò)濾工藝中來(lái)，并經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明這些新型的過(guò)濾材料可以大大提高對(duì)病原體和小分子有機(jī)物的去除效率[8～9]。

2.4 吸附

吸附在水凈化中一直被認(rèn)為是一項(xiàng)積極、有效和經(jīng)濟(jì)的水處理技術(shù)[10～11]。在眾多的吸附材料中，活性炭在水處理工藝中常常被采用。活性炭具有巨大的比表面積，具有良好的吸附性能?；钚蕴课叫宰饔脼榉菢O性吸附，對(duì)所有的雜質(zhì)均具有良好的吸附效果[12]?；诨钚蕴?jī)?yōu)良的吸附性能，大量學(xué)者對(duì)活性炭進(jìn)行復(fù)合、改性、結(jié)構(gòu)調(diào)控等措施，提高了其廣譜吸附性能的同時(shí)也提高了其對(duì)特定污染物的吸附效率。Mona Karnib[13]制備了一種二氧化硅/活性炭復(fù)合材料，并對(duì)材料的重金屬吸附性能做了大量實(shí)驗(yàn)。如表1 所示，二氧化硅/活性炭（2：3）復(fù)合材料對(duì)鎳的去除效率優(yōu)于活性炭。將吸附材料和催化劑進(jìn)行復(fù)合，能起到催化和吸附的協(xié)同效應(yīng)。Wang[14]將吸附材料水滑石和Pd/Cu 催化劑復(fù)合，對(duì)水中的亞硝酸鹽起到了優(yōu)異的吸附催化協(xié)同效果。

表1 二氧化硅/活性炭復(fù)合材料對(duì)重金屬鎳的吸附效果

2.5 膜濾

隨著制膜技術(shù)的提高和成本的下降，膜處理越來(lái)越多的被利用到水處理之中[15～16]。根據(jù)所截留的分子由大到小進(jìn)行分類(lèi)，膜處理分為微慮、超濾、納濾、反滲透四種。在運(yùn)行過(guò)程中，所需的壓力差由小到大依次為微慮、超濾、納濾、反滲透。市政水處理中常采用超濾和納濾作為過(guò)濾的后續(xù)工藝。在直飲水處理和海水淡化工藝中，常常采用反滲透作為整個(gè)工藝的核心工藝。膜濾的各個(gè)工藝都具有其各自的適用范圍，如表2 所示。所以在應(yīng)急飲用水的處理工藝中應(yīng)根據(jù)具體情況合理運(yùn)用。

表2 膜濾分類(lèi)及基本特征

2.6 磁分離

磁力可以不借助外力影響污染物的物理性質(zhì)，從而促進(jìn)水中污染物與水的分離[17]。磁分離技術(shù)和其他水處理技術(shù)相結(jié)合可以形成一種高效、低能耗的處理工藝。一般說(shuō)來(lái)，物質(zhì)的磁性可以分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性。磁性粒子交換樹(shù)脂（MIEX）最早誕生于1995 年，用于對(duì)水體中天然有機(jī)物的去除。MIEX 基質(zhì)中摻入了磁性氧化鐵以增強(qiáng)其凝聚，增強(qiáng)了對(duì)水體中有機(jī)物的去除能力，從而降低了后續(xù)工藝的負(fù)荷和消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生[18]。磁性納米粒子（MNPs）可以作為一種功能性生物分子，用于識(shí)別和靶向作用于致病菌，實(shí)現(xiàn)飲用水的凈化。Xu 等[19]對(duì)聚丙烯胺鹽酸鹽（PAAH）功能化納米磁性顆粒進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，通過(guò)靜電相互作用和磁力吸引作用，大腸桿菌、不動(dòng)桿菌、假單胞菌和芽孢桿菌均達(dá)到了很好的去除效果。

2.7 消毒

常見(jiàn)的消毒方式有氯消毒、二氧化氯消毒、紫外線(xiàn)消毒、臭氧消毒等。氯消毒具有操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低、消毒效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于飲用水消毒。但是氯消毒容易產(chǎn)生對(duì)人體有害的消毒副產(chǎn)物，所以在使用的過(guò)程中應(yīng)盡量減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。紫外線(xiàn)消毒對(duì)治病微生物有廣譜消毒效果，但是無(wú)持續(xù)殺菌能力[20]。臭氧消毒無(wú)毒無(wú)味，消毒效果好、速度快，但是臭氧會(huì)對(duì)橡膠制品和銅制品有腐蝕危害。除此之外，電子輻射[21]、納米銀[22]、光催化氧化[23]等技術(shù)近些年來(lái)在水體消毒方面也得到了大量的研究。Praveena 等[24]研制了一種納米銀包覆纖維素紙，作為緊急情況下飲用水的過(guò)濾材料，可對(duì)大腸桿菌具有良好的去除率。

3.應(yīng)急飲用水處理的應(yīng)用

應(yīng)急飲用水處理的應(yīng)用主要集中在自然災(zāi)害、突發(fā)水污染事件和部隊(duì)野戰(zhàn)保障等方面。左俊芳等[25]研制的新型碟管式反滲透移動(dòng)應(yīng)急供水設(shè)備（DTRO），該設(shè)備以反滲透為核心工藝，設(shè)備自備電源和外接電源兩用，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便、容易維護(hù)，圖1（a）為該設(shè)備內(nèi)部實(shí)圖。在汶川地震、玉樹(shù)地震、舟曲泥石流等救援供水中起到了重大的作用，為災(zāi)民和救援官兵提供了安全可靠的飲用水。1976 年美軍研制的以反滲透為主要工藝的ROWPU600 型供水裝置在90 年代初的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中為美軍的野戰(zhàn)供水發(fā)揮了巨大作用。此外，美軍還將模塊化水凈化系統(tǒng)（MMFFS）與ROWPU600 型供水裝置相結(jié)合，大大提高了原水水質(zhì)的適用范圍[26]。

郭輝等研發(fā)了一種以“水力旋流器+雙級(jí)過(guò)濾+復(fù)合吸附”的凈水工藝為核心工藝的凈水設(shè)備，該設(shè)備具有高機(jī)動(dòng)性、強(qiáng)適用性，特別是對(duì)高渾水源及微污染水源具有良好的處理效果。在設(shè)備組成中，濾料采用無(wú)煙煤濾料，吸附罐裝填有由活性炭和多孔無(wú)機(jī)吸附劑按質(zhì)量比3：1 組合而成的復(fù)合吸附材料，并選擇中國(guó)重汽生產(chǎn)的HOVA 系列8×8 全驅(qū)越野底盤(pán)為車(chē)載底盤(pán)。飲用水應(yīng)急處理設(shè)備對(duì)原水中濁度、CODMn、氨氮、亞硝酸氮、UV254和UV410的總?cè)コ史謩e為99.4%、70.0%、55.4%、59.6%、25.0%和85.3%。飲用水應(yīng)急處理設(shè)備的外觀(guān)及內(nèi)部布置見(jiàn)下圖1（c）（d）。

在海上作業(yè)或者在缺乏淡水資源的海邊或者咸水湖區(qū)域，可以將咸水凈化為可飲用的，海水淡化技術(shù)是重要的水處理技術(shù)。海水技術(shù)包括反滲透法和蒸餾法，其中反滲透法是美軍的海水淡化工藝中的核心工藝，在大中型的供水設(shè)施中應(yīng)用較為廣泛。美軍的輕型凈水器（LWP）和海軍遠(yuǎn)征部隊(duì)凈水系統(tǒng)（EUWP）都以超濾（UF）加反滲透（RO）作為核心處理工藝的水凈化系統(tǒng)，圖1（b）為遠(yuǎn)征部隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)制水圖。C.Timmes[27]在此基礎(chǔ)上以電凝聚作為超濾的預(yù)處理工藝，在海水淡化的實(shí)驗(yàn)中，相比于三氯化鐵混凝而言，電混凝提高了超濾膜的性能。

圖1 飲用水應(yīng)急處理設(shè)備

海水淡化的蒸餾法一般采用太陽(yáng)能和風(fēng)能等清潔能源。如圖2 所示為chen 等[28]研發(fā)的太陽(yáng)能源驅(qū)動(dòng)的實(shí)用海水淡化系統(tǒng)。通過(guò)在室外2 年的實(shí)驗(yàn)，該裝置在華北地區(qū)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，年產(chǎn)量可達(dá)250m3。凈水系統(tǒng)的使用壽命按15 年計(jì)，水生產(chǎn)成本估計(jì)為約4.6 美元/m3。

圖2 太陽(yáng)能源驅(qū)動(dòng)的實(shí)用海水淡化系統(tǒng)

備注：1.太陽(yáng)能集熱器；2.控制系統(tǒng)；3.電池；4.逆變器；5.單向控制器；6.風(fēng)力發(fā)電裝置；7.風(fēng)力供電；8.熱水箱；9.淡水箱；10.熱水；11.冷卻水；12.集中排放海水；13.海水罐；14.海水入口；15.溢出；16.流量計(jì)；17.海水管；18.真空泵；19.蒸發(fā)器；20.第一級(jí)蒸發(fā)冷凝器；21.第二級(jí)蒸發(fā)器冷凝器；22.冷凝器。

4.結(jié)語(yǔ)

環(huán)境的日益復(fù)雜多變和保障需求逐漸精細(xì)化和嚴(yán)格化，常規(guī)的水處理工藝在應(yīng)急供水水處理中受到越來(lái)越多的限制。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，更好的服務(wù)于部隊(duì)執(zhí)行任務(wù)中對(duì)應(yīng)急供水的需求，越來(lái)越多的新型處理工藝不斷面世，處理設(shè)備也不斷集約化和高效化，但是技術(shù)的發(fā)展總是滯后于實(shí)際需求。所以未來(lái)開(kāi)發(fā)更高效、更節(jié)能、更實(shí)用的水處理工藝及設(shè)備仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，是我們奮斗的方向。