饮用水处理

　　饮用水的水质与人体健康有着密切的关系，饮用水的安全将会直接危害到患者的生命安全，例如痢疾、霍乱等疾病都是通过饮用水传播的。近些年来，由于生产生活当中的污水排放的日益加重导致环境受到严重的污染，这就导致原水的水质出现急剧下降，达不到生活饮用水的标准。

　　目前，人们在饮用水处理工艺的基础上，针对不同的污染类型，研究开发的新工艺和新技术归结起来主要有3个方向，即：强化常规处理、原水预处理、深度处理技术。

饮用水处理技术的发展历史

　　饮用水主要是指人们的生活用水和食用水，通过饮水和食物经口摄人体内，并可以通过洗漱、洗涤物品或沐浴等生活用水接触皮肤或呼吸摄人人体。饮用水的处理则是指采用一定的物理、化学及生物方法，除去水中的悬浮物、胶体物和病原微生物等，以满足生活饮用水质的标准。

　　在20世纪初期，关于饮用水的处理就已经形成了基本的常规工艺，即混凝→沉淀或澄清→过滤→消毒，它组成了饮用水处理技术的主要系统构架。

　　在20世纪60年代以前，人类的生存活动对于自然环境的影响还不太明显，水中的污染物主要是悬浮物、胶体杂质和细菌等。因此该工艺作为常规的处理方法，在各类案例中几乎都可以满足净化水质达到饮用水质的标准。但随着人类文明的进步以及工业化的不断发展，人类生活、生产过程中产生的污水其受污染程度越来越严重，以至于常规的处理方法远不能达到饮用水处理的效果。

　　从20世纪七八十年代开始，可以说是水污染的严重性和污染物的复杂性加速了饮用水处理技术的进步。人们为了获得干净、卫生的饮用水，针对污染水源中不同类型的污染物展开了深入的研究和技术探索。

　　目前，关于饮用水的处理技术或者处理环节，可以归纳为三个方面，即：强化常规处理、原水预处理和深度处理技术。其中强化常规处理工艺是指在原有的常规处理工艺上予以加强，减轻后续深化处理步骤的负担。

饮用水水质污染来源

　　近年来，我国水土流失严重，大量污染物流入水体中，水处理设施效率较低，致使饮用水源受到严重污染。在我国的主要水域均检测出多种有机污染物，有的高达上百种甚至数百种，其中部分是具有致癌、致畸、致突变作用的有机污染物，因而对人体健康构成严重的潜在威胁。

　　饮用水水质污染的来源复杂，主要涉及微量有机污染物、藻类及其代谢产物、氯化消毒副产物、管网二次污染等方面内容。

　　1、微量有机污染物

　　我国水体有机污染十分严重，这些有机污染物往往具有浓度低、危害大、去除难的特点，一些有机物有致癌、致畸、致突变作用。由于城市与农田径流等作用，大量工业废水和生活污水不达标排放，大气污染加剧等，导致饮用水中的有机污染物浓度逐渐升高。

　　原水若含有高浓度的有机物，会对胶体产生严重保护作用，导致水体中的氯化消毒副产物、铝的剩余量和混凝剂药耗量等都明显增加，危害人体健康。

　　2、藻类及其代谢产物

　　目前，我国水体的富营养化问题比较严重，引起藻类等浮游生物加速繁殖和生长。

　　许多藻类在新陈代谢的过程中会产生藻毒素，可使人体致病或死亡。虽然藻类的尺寸和比重都较小，但由于其带负电荷，对处理过程中的过滤、混凝效果会有不利影响。另外，在处理污染水体的消毒工序中，藻类会与氯作用生成复杂的氯化消毒副产物，使水的致突变活性增加。

　　3、氯化消毒副产物

　　对污染的水体进行消毒，在水质处理中被普遍采用。氯化消毒可防止管网细菌繁殖，具有良好的消毒效果。但通过深入研究发现，氯化消毒时，水中某些有机成分和无机成分会与氯作用发生化学反应，生成的大部分副产物无益于人体健康。

　　4、管网二次污染

　　管道输送水体过程中产生的污染正逐渐引起重视。污水处理厂一般位于城郊，大部分自来水厂都未对水进行水质稳定处理，经过较长的管道输配，管网出水的色度、浊度、细菌等指标明显高于出厂水，水质下降明显，造成管道的二次污染。

饮用水处理工艺——常规处理

　　目前大多水厂仍然采用混凝——沉淀——过滤——消毒的传统水净化工艺，这种工艺能有效的去除水中的悬浮物、胶体物质、细菌和大肠杆菌等，对于有机物特别是溶解性有机物去除能力极低，为了提高对溶解性有机物的去除能力，近年来对传统工艺局部强化成为研究热点，各水厂普遍增加了对各工艺阶段水质的控制。

　　过滤是饮用水处理的关键单元，其主要功能是发挥滤料与脱稳颗粒的接触絮凝作用而去除浊度和细菌。强化过滤就是对普通滤池进行生物强化，让滤料既能除浊，又能去除水中有机物。

　　有学者通过对传统工艺中的普通滤池进行生物强化，使原水中氨氮的去除率由原来的30%-40%提高到93%，亚硝酸盐氮的去除率由零提高到95%，有机物的去除率由20%到40%左右，出水浊度保证在1NTU以下，经消毒后能满足卫生学指标的要求。经长期运行测定，在滤速10m/h、反冲洗(1-2次)/d情况下依然保持良好的处理效果。该技术不增加任何新设施，只是强化现有工艺，是解决微污染源水水质的一项新途径。

　　消毒是保证饮用水质量减少水传播疾病的关键。氯消毒以其GX杀菌、使用方便和价格低廉的特点，已有近百年使用历史，但20世纪70年代以来，在氯消毒水中检测出了许多卤代有机物如三lv甲烷等致癌物，氯消毒逐渐被其他消毒剂替代。

　　其中臭氧和二氧化氯的研究Z为活跃。臭氧由于其在水中的寿命很短而不具有持续杀菌作用且价格昂贵而不利于其推广使用。二氧化氯杀菌和灭火病毒的能力高于传统的氯，且它不与水中天然有机物发生氯代反应，不会生成对人体具危害作用的氯代有机物，因此二氧化氯成为Z具应用前景的消毒剂。

饮用水处理工艺——预处理技术

　　预处理方法按对污染物的去除途径可分为氧化法和吸附法。氧化法又可以分成化学氧化法和生物氧化法。

　　1、化学氧化预处理技术

　　化学氧化预处理技术是指依靠氧化剂的氧化能力，分解破坏水中污染物的结构，达到转化或分解污染物的目的。目前采用的氧化剂主要有氯气、二氧化氯、高锰酸钾、臭氧等。

　　预氯化氧化是在水源水输送过程中或进入常规处理工艺构筑物之前，投加一定量氯气。控制微生物和藻类在管道内或构筑物中的生长。同时也可氧化一些有机物和提高混凝效果，并减少混凝剂使用量。但是，预氯化会导致大量卤化有机物的生成，且不易被后续的常规处理工艺去除，造成处理后水的安全性下降，因此应慎用。

　　采用二氧化氯(CIO₂)取代氯进行预氧化的显著优点是：氧化能力比氯强，适用pH值范围广，氧化过程中THMs的生成量少，并且在后续的管网系统中，可以提供有效的消毒剂量。但因其生产工艺复杂、成本高、运输使用不方便，国内很少采用。

　　高锰酸钾是强氧化剂，能显著控制氯化消毒副产物，使水中有机物浓度显著降低。水的致突变活性由阳性转为阴性或接近阴性。

　　目前饮用水预处理技术正逐渐推广使用臭氧氧化的方法。预臭氧化不会产生有害卤代化合物，也不会残留在水中，由于臭氧具有很强的氧化能力，它可以通过破坏有机污染物的分子结构以达到改变污染物性质的目的。

　　2、生物预处理技术

　　在原水氨氮含量高的情况下。生物预处理是一个很好的选择。常见的生物预处理包括生物流化床、生物接触氧化、生物陶粒滤池、塔式生物滤池和淹没式生物滤池等。

　　生物接触氧化预处理工艺是利用填料作为生物载体，微生物在曝气充氧的条件下生长繁殖，富集在填料表面上形成生物膜。溶解性的有机污染物与生物膜接触过程中被吸附、分解和氧化，氨氮被氧化或转化成高价态的硝氮。

　　饮用水的生物处理在欧洲应用较普遍，我国目前正处于推广阶段。国内外的生物预处理工艺采用的反应器全是生物膜型的，区别在于生物池内的填料，填料是生物预处理工艺的关键要素之一。目前国内应用较广泛的填料有蜂窝状填料、软性填料、半软性填料和弹性立体填料等。

　　3、吸附预处理技术

　　①粉末活性炭吸附

　　粉末活性炭(PAC)的粒径为10-50μm，应用于去除水中色度和嗅味已有十多年历史。一般和混凝剂一起投加于源水中，经混合后吸附水中的有机和无机杂质。粘附在絮体上的炭粒大部分在沉淀池中成为污泥而被排除。

　　国内利用PAC去除污染物正处于研究之中，有学者对水库污染物去除的研究中发现，当PAC投加量为50mg/L时，水库水中有机物(COD_Mn)的去除率在60%~70%。鉴于PAC目前无很好的回收再生利用方法。只能作一次性使用，所以PAC作为预处理的费用相对较高，目前还难以推广应用。

　　②粘土吸附

　　粘土，特别是改性粘土，对水中有机物具有吸附作用和交换作用，是较好的吸附材料。同时，通过投加粘土也能改善和提高后续混凝、沉淀效果。

　　但大量粘土加入混凝池中，增加了沉淀池的排泥量，给生产运行带来一定困难。在某水库的粘土吸附研究中发现，当粘土投加量足够大时(大于100mg/L)，水源水中有机物有较好的去除效果，但粘土对氨氮无明显去除作用。

饮用水处理工艺——深度处理

　　1、活性炭处理技术

　　活性炭具有良好的吸附和过滤功能，对水中的致癌物与致突变物具有良好的去除效果。在各种改善水质处理效果的深度处理技术中，活性炭吸附技术是完善常规处理工艺去除水中有机物Z成熟有效的方法之一。

　　试验结果表明，活性炭对分子量在500~3000的有机物有十分明显的去除效果，去除率一般为70%~86.7%，而对分子量小于500和大于3000的有机物则达不到有效去除的效果。

　　在研究活性炭去除饮用水致突变物质(如三卤甲烷)的过程中，研究人员发现活性炭对三卤甲烷有一定的吸附能力，但使用周期较短。

　　有学者研究结果表明引，活性炭对氯化产生三卤甲烷的去除率为20%-30%，并且水中三卤甲烷的浓度和投加活性炭的多少也影响Z后的去除效果。并且饮用水中的三卤甲烷主要是南氯和有机物作用产生的，这就使得如何去除三卤甲烷的前驱物(THMFP)成为控制的关键。

　　2、臭氧-活性炭联用技术

　　臭氧可以破坏致病微生物，能保证彻底消毒而没有毒性副产物的产生。采用臭氧消毒取代氯气消毒可杜绝有机氯化物的生成，而且可直接去除水中有机氯化物。

　　有研究发现，臭氧的氧化作用具有较强的选择性，它对水中已经形成的三lv甲烷几乎没有去除作用。同时臭氧会导致水中可生物降解物质的增多，可生物降解物质增多的后果会引起供水管网中细菌的繁殖，使水厂出水的生物稳定性降低。因此臭氧很少在水处理工艺中单独使用。

　　臭氧与活性炭滤池联用。这种方法是基于活性炭能有效去除水中小分子有机物，但对大分子有机物的去除有限。水先经臭氧氧化，使水中大分子有机物分解成小分子有机物，这样就提高了有机物进入活性炭微孔内部的可能性，可以充分利用活性炭的吸附表面，且延长了活性炭的使用周期。同时后续的活性炭可以吸附臭氧氧化过程中产生的大量中间产物，包括解决了臭氧无法去除的三lv甲烷，并保证了Z后出水的生物稳定性。

　　臭氧活性炭过滤深度处理在欧洲、日本等许多国家采用普遍，美国也在开始推广。国内在近几年，也在这项技术上做了一些探索性的尝试。

　　3、臭氧-生物活性炭技术

　　臭氧-生物活性炭技术是20世纪60、70年代首先从欧洲发展起来的一种饮用水深度处理技术，该工艺是采用臭氧氧化和生物活性炭滤池联用的方法，将臭氧氧化、活性炭物理化学吸附、生物氧化降解等几种技术合为一体。

　　利用臭氧的氧化特性，使水中的难以生物降解的有机物变成利于生物降解的有机物，氧化铁、锰使之变成不溶性的颗粒，氧化亚硝酸盐和硫化物等，再由后续的生物活性炭吸附降解。

　　臭氧-生物活性炭工艺处理效果好，但该法对污染源水的指标(如氨氮含量)及原处理工艺(如预氯化)部分有一定的要求。

　　4、光氧化技术

　　光氧化技术是利用光能量激活半导体材料的电子-空穴对，产生吸附电子的能量，将水中的悬浮微粒沉淀到半导体的表面。目前试验较多的是光激发氧化和光催化氧化技术。

　　光激发氧化技术是以O₃、H₂O₂、O₂和空气作为氧化剂，将氧化剂的氧化作用和光化学辐射相结合，可产生氧化能力很强的OH自由基。

　　光催化氧化技术是在水中加入一定量的半导体催化剂(如TiO₂、WO₃、Fe₂O₃、TiO₃)，在UV辐射下产生强氧化能力的自由基，氧化水中的有机物。TiO₂因光化学稳定性和催化活性都很好，反应前后性质不变而被普遍采用。一般认为在合适的反应条件下，有机物经光催化氧化的Z终产物是CO₂和H₂O等无机物。该方法具有强氧化性、作用对象无选择性及有机物完全矿化的特点。

　　但是TiO₂粉末颗粒细微，不便回收、处理费用较高;设备复杂，使得短期内推广使用受到限制。正如许多实用性纳米技术研究一样，许多研究者只谈到基于纳米催化材料的水处理技术具有“实用化的前景”而不能满足“实用化的要求”。

　　5、膜分离处理技术

　　20世纪80年代，膜分离技术在国外就发展成为饮用水深度处理技术。主要包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等几种压力驱动膜工艺。

　　微滤膜孔径范围为10~0.05μm，主要适用对悬浮液和乳浊液进行截流。超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径范围是0.05μm(接近于微滤)至1nm(接近于纳滤)，微滤和超滤不仅能有效去除水中的微粒物、浊度、细菌和胞囊，而且还可以减少形成消毒副产物DBPs的母体物质和消毒剂的用量，但是对有机物的去除能力比较低。因此必须与其他工艺相结合，如活性炭吸附或纳滤、反渗透等，才能保证出水水质。

　　纳滤技术是从反渗透技术中分离的一种膜分离技术，是超低压反渗透技术的延续和发展。一般认为，纳滤膜存在着纳米级的细孔，且截留率大于95%的Z小分子约为1nm。纳滤出水在保留水中对人体有益的某些小分子的同时，还能有效地去除天然有机物、合成有机物(如表面活性剂、农药等)、三致物质、消毒副产物及其前提物和挥发性的有机物，保证出水的生物稳定性。

　　反渗透分离机理不同于纳滤、微滤和超滤，对截留物不具有筛分作用，而利用溶解一扩散作用进行分离。反渗透膜可视为多空膜和无孔膜之间的过程，由于膜阻力比较大，所以为使相同量溶剂通过，就需要较高的压力，而且还要克服渗透压，因此反渗透的操作压力较其他三种膜过程高。反渗透可以截留全部的悬浮物、溶质和盐。