面向未来饮用水净化的OSRO技术——基于河岸过滤的一步反渗透技术丨Engineering
面向未来饮用水净化的OSRO技术——基于河岸过滤的一步反渗透技术丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。
本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第2期，原文出自：One-Step Reverse Osmosis Based on Riverbank Filtration for Future Drinking Water Purification
引言
水环境中出现的新污染物给饮用水处理厂带来了巨大挑战。由于新污染物的浓度较低、特性不明，传统的水处理工艺无法对其进行有效去除，因此技术、经济和环境友好的水净化技术日益重要。在本研究中，中科院生态环境中心刘刚研究团队、荷兰特文特大学Walter G.J. van der Meer研究团队介绍了一种由河岸过滤（riverbank filtration, RBF）和反渗透（reverse osmosis, RO）组成的一步反渗透（one-stepreverse osmosis, OSRO）概念，用于饮用水处理。OSRO概念结合了相对成本较低的河水自然预处理与先进的工程净化系统。RBF提供了一个连续天然水源，具有稳定的水质和强大的污染物屏障。与直接提取地表水相比，由于预先清除了颗粒物、有机物、有机微污染物（organic micro-pollutant, OMP）和微生物，RBF成为基于RO膜的净化系统的理想水源。OSRO处理可以去除几乎99.9%的颗粒物、病原体、病毒和OMP，以及绝大多数的营养物质，从而满足无氯饮用水的要求，且具有较高的生物稳定性。与标准的常规净化步骤（包括喷淋过滤器过滤、软化操作和活性炭吸附）相比，OSRO处理更具有成本效益。人工滤池（artificial bank filtration, ABF）与砂滤系统相结合，起到人工补给的作用，是OSRO概念中RBF的替代方案，用于从当地可用资源中供应饮用水。本研究建议以风能作为替代能源来实施OSRO，以提高可持续性和可再生性。本研究还提出了一种基于OSRO的分散式系统，用于水的回收和再利用。研究人员建议未来的水处理应侧重于自然系统和工程系统的结合，通过技术上有效、经济上可行、资源可重复利用和与环境相关的方式提供饮用水。
在过去的几十年中， 供水公司面临着新污染物越来越多或水源中污染物愈发令人担忧的问题。 这一事实，加上实验室设备的不断改进，能够以越来越低的检测限检测更多的化合物，以及公众对饮用水中添加药物这一概念的高度敏感和直观排斥，导致了现有水净化技术的不断改进。在不断变化的世界中，水行业面临的这些挑战需要更新现有的水净化技术，以便在未来可持续地利用水资源。
药物、个人护理产品、紫外线（UV）过滤器、环境激素、违禁药物、添加剂、代谢物、消毒副产品、阻燃剂和杀虫剂等新兴污染物是主要由人类活动产生的化学和（或）生物物质的剩余产物。 一旦被释放到水环境（如地下水和地表水）中，这些新兴污染物就会经历化学、光化学和生物降解过程，从而改变其环境行为和生态毒理学特征。 新兴污染物的生物累积性、生物放大性、持久性和毒性对水生生物和人类都是有害的 ，会造成内分泌系统紊乱、雌激素或激素紊乱、胎儿畸形，甚至损伤DNA等问题。
当今饮用水生产和分配的高标准，导致现有处理厂增加了额外的净化步骤。 由于工业发展，水源中出现的污染物可能会对人类健康造成影响，而传统的饮用水处理方法不能完全去除这些单个化合物或化学混合物的微量浓度。例如，据报道，包括基于紫外线/臭氧（O 3 ）的应用、Fenton工艺和光催化氧化工艺在内的高级氧化工艺可有效去除天然有机物并减少消毒副产物。然而，高级氧化法仅将天然有机物分解成小的脂肪族和亲水性化合物，而不能将天然有机物完全氧化。低分子量亲水化合物可能是可降解的，也可能是持久且有毒的，并且其副产物的产生给大规模应用带来了挑战。
此外， 饮用水处理厂的每个阶段 （如建设、运营、化学品使用、处理过程） 对气候变化 （即能源消耗和温室气体排放） 的影响意味着需要对供水技术进行改进及发展更可持续的供水技术 。因此，水务部门迫切需要一种以自然为基础，可以绿色、高效地去除新兴污染物的技术。
为了提供高质量和低风险的饮用水，饮用水公司倾向于使用最清洁的可用水源，并结合先进的处理方法来提高处理效率，同时尽可能降低投资、劳动力、运营成本和能源需求。因此， 中科院生态环境中心刘刚研究团队、荷兰特文特大学Walter G.J. van der Meer研究团队提出了一种由河岸过滤（riverbank filtration, RBF）和反渗透（reverse osmosis, RO）组成的一步反渗透（one-step reverse osmosis, OSRO）概念 （图1） ，用于饮用水处理，以改善水质。
图1. 基于RBF的OSRO示意图。在RBF中发生自然净化过程，河水在被提取为饮用水源之前通过河岸土壤通道流向收集井。提取的河岸滤液还会通过RO膜进行深度处理，以生产高质量的饮用水。
OSRO概念 可以应用于有地表水但质量不足以用于生产饮用水的地区 （ 图 2 ） 。此外， OSRO概念已足够稳健，它为水文系统的变化做好了准备 ，例如，应对由于气候变化导致的即将到来的微咸水或海水入侵，以及作为饮用水生物安全自然而有效的屏障，防止水传播病毒暴发等紧急情况。 未来还将对自然过程和工程系统的结合进行持续探索和关注，以便使用更可持续和可再生的方式生产、回收和再利用水源。
图2. 饮用水处理厂的全规模OSRO处理过程。
关键词：饮用水处理；河岸过滤；反渗透；人工滤池；水资源回收和再利用
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.02.015
以上内容来自：Yujia Zhai, Gang Liu, Walter G.J. van der Meer. One-Step Reverse Osmosis Based on Riverbank Filtration for Future Drinking Water Purification [J]. Engineering, 2022, 9(2): 27-34.