城市飲用水處理的突出問題和發(fā)展趨勢

陳軍

摘 要：目前我國飲用水處理的突出問題是水污染和水質(zhì)問題，污染物中以有機(jī)污染物最突出。混凝、沉淀、過濾、消毒常規(guī)處理工藝無法有效去除受污染水源中相當(dāng)一部分影響人體的污染物體。研究和實(shí)踐表明，生物預(yù)處理、化學(xué)預(yù)氧化、高級氧化技術(shù)等預(yù)處理技術(shù)，強(qiáng)化混凝、強(qiáng)化過濾等常規(guī)工藝的優(yōu)化，臭氧活性炭、膜處理等深度處理技術(shù)能有效去除常規(guī)處理工藝無法去除的污染物質(zhì)，是水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：飲用水處理；水污染；水質(zhì)、有機(jī)污染物；優(yōu)化常規(guī)處理；預(yù)處理；深度處理

中圖分類號：TU991.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）24-0073-03

1 水污染與水質(zhì)

經(jīng)濟(jì)持續(xù)、良好發(fā)展使我們的飲用水處理技術(shù)已從如何提高水量轉(zhuǎn)到了如何提高水質(zhì)的發(fā)展方向上。如同矛盾對立統(tǒng)一的協(xié)調(diào)性，高水質(zhì)要求和水污染加重為水處理技術(shù)發(fā)展提供了主要動力。隨著對衛(wèi)生毒理學(xué)的認(rèn)識和分析檢測手段的提高，人們發(fā)現(xiàn)水中有大量人體必須的物質(zhì)（主要是礦物成分），但是由于水污染的加重（特別是有機(jī)污染物），水的成分變得日益復(fù)雜，而且其中某些物質(zhì)對人體危害很大，這就不得不使人們對現(xiàn)今的水質(zhì)評價體系進(jìn)行重新認(rèn)識和調(diào)整。

水環(huán)境污染受害者首先是人類自身，因此國內(nèi)一些學(xué)者提出了水質(zhì)災(zāi)害的新概念（以前我們僅僅認(rèn)為是水質(zhì)污染）。每年由于水質(zhì)災(zāi)害造成的損失占國民生產(chǎn)總值的1.5%。目前，國家對環(huán)境保護(hù)日益重視，特別是在污水處理方面投資很大，但是對飲用水除污染技術(shù)的發(fā)展步伐還遠(yuǎn)落后于污水處理，目前新建設(shè)或在建的大多數(shù)水廠仍沿用已使用了百余年之久的傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過濾、消毒技術(shù)。但我國城鎮(zhèn)化建設(shè)和工業(yè)發(fā)展污水處理總量還遠(yuǎn)小于污水排放量，見表1，到2050年，我國的COD總排放量與1997年比仍不會有較大幅度的下降。因此飲用水除污染技術(shù)仍是目前最重要的課題。

2 飲用水有機(jī)污染問題

飲用水的污染問題主要是有機(jī)物的污染。飲用水的有機(jī)物種類繁多，有常量的、有微量的、有天然的，但更多是污染造成的。迄今，由水中檢測出微量有機(jī)物已超過2 000多種，其中許多是有毒有害的。1997年美環(huán)保局（EPA）提出飲用水規(guī)程和健康建議，列出了200種有機(jī)毒物，而且每年還會有新的有機(jī)物被發(fā)現(xiàn)。有的專家指出，水中多種有機(jī)物的生物毒性存在協(xié)同效應(yīng)，即兩種或多種有機(jī)物比單質(zhì)的生物毒性高得多，但這方面的研究尚處于起步階段。

目前，飲用水中有機(jī)物問題主要有以下幾方面。

氧化，有待于發(fā)展出高級氧化技術(shù)才能有效去除。

⑦水處理過程的副產(chǎn)物。實(shí)際上，不僅消毒過程會產(chǎn)生有生物毒性的副產(chǎn)物，在其它水處理過程中也會產(chǎn)生副產(chǎn)物，這是一個尚有待研究的新領(lǐng)域。

⑧消毒副產(chǎn)物前質(zhì)及其控制和去除。

⑨影響水的生物穩(wěn)定性的有機(jī)物。水消毒后，細(xì)菌在水輸配過程中仍會再度繁殖，這種水在生物學(xué)上認(rèn)為是不穩(wěn)定的。將水中能為細(xì)菌繁殖提供條件的有機(jī)物去除，使細(xì)菌不能再度繁殖，認(rèn)為水已具有生物穩(wěn)定性。

⑩水中有機(jī)物總量的去除，即降低水的COD、TOD等。水中天然有機(jī)物比較容易去除，而受污染（特別是工業(yè)廢水污染）有機(jī)物有時則難于去除，有待開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的處理方法。

{11}對工農(nóng)業(yè)有影響的有機(jī)物。

{12}對水處理過程中有影響的有機(jī)物，如對混凝、過濾、離子交換和膜過濾等。

3 飲用水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢

未來飲用水處理技術(shù)主要任務(wù)是去除水中的污染物質(zhì)特別是有機(jī)污染物質(zhì)從而達(dá)到提供優(yōu)質(zhì)出廠水的目的。因此飲用水處理技術(shù)的發(fā)展技術(shù)是圍繞除微污染水源展開。主要包括優(yōu)化常規(guī)處理工藝，預(yù)處理技術(shù)（生物預(yù)氧化、化學(xué)預(yù)氧化）、深度處理技術(shù)（臭氧活性炭、膜處理技術(shù)）。

3.1 優(yōu)化常規(guī)處理工藝

水的常規(guī)處理工藝仍是必不可少的處理工藝并且是除污染的有效方法，引進(jìn)任何其它新技術(shù)（包括預(yù)處理和深度處理）前，應(yīng)優(yōu)先考慮優(yōu)化常規(guī)處理工藝。優(yōu)化常規(guī)處理工藝包括優(yōu)化工藝選擇和組合，強(qiáng)化工藝單元處理能力。

3.1.1 優(yōu)化工藝選擇和組合

優(yōu)化工藝選擇和組合指從設(shè)計開始根據(jù)水廠水源特征選擇處理工藝，通過一定時間（至少1 a）中試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，確定運(yùn)行參數(shù)、藥劑的選擇和投加量、維護(hù)管理方法等；是采用一種多層、多保護(hù)復(fù)合處理系統(tǒng)（Multi Barrier Systems），保證水處理過程不會因水源突變或者處理過程中某個環(huán)節(jié)發(fā)生問題而發(fā)生水質(zhì)污染。另一方面，引進(jìn)深度處理新技術(shù)之前，優(yōu)化常規(guī)處理工藝也是保證深度處理是否高效的關(guān)鍵。

3.1.2 強(qiáng)化工藝單元的處理能力

優(yōu)化常規(guī)處理工藝，還有在現(xiàn)有的處理工藝上通過強(qiáng)化各處理環(huán)節(jié)從而達(dá)到去除水中有機(jī)物的目的，即強(qiáng)化常規(guī)處理工藝（Conventional water treatment processes）。這主要包括強(qiáng)化混凝（Conventional Flocculation）、強(qiáng)化過濾（Conventional Filtration）兩個方面。

①強(qiáng)化混凝：主要是通過研制和采用更有效的混凝劑、助凝劑，改善混凝時的水力條件（如采用微渦旋低脈動設(shè)計工藝等），以及研制新的強(qiáng)吸附劑（如納米材料吸附劑等）提高混凝階段對污染物的去除效率。

②強(qiáng)化過濾：主要是通過改變?yōu)V料性質(zhì)（涂鋁、涂鐵石英砂等），調(diào)整濾層結(jié)構(gòu)（活性炭生物濾層+石英砂濾層等）提高過濾階段的除污染能力。

3.2 預(yù)氧化和高級氧化技術(shù)

3.2.1 化學(xué)預(yù)氧化技術(shù)

化學(xué)氧化處理技術(shù)是依靠氧化劑的氧化能力，分解破壞水中污染物的結(jié)構(gòu)，將其氧化為微毒或無毒的物質(zhì)，或者轉(zhuǎn)化為容易與水分離的形態(tài)，從而達(dá)到凈水目的。目前應(yīng)用較多的氧化劑有液氯（Cl2）、二氧化氯（ClO2）、臭氧（O3）、高錳酸甲（KMnO4），過氧化氫（H2O2）。衡量一種氧化劑的氧化能力的指標(biāo)是其氧化還原電位，因此上述各氧化劑的氧化能力由強(qiáng)到弱的排序?yàn)椋篛3=2.07>H2O2=1.77>KmnO4=1.51>ClO2=1.50>Cl2=1.30。化學(xué)氧化技術(shù)一般設(shè)于常規(guī)工藝之前，作為預(yù)處理工藝，以降低水中COD含量。O3也有設(shè)于過濾之后，作為深度處理工藝來使用。

Cl2在給水處理中作為消毒劑被廣泛應(yīng)用。Cl2是強(qiáng)氧化劑，在原水中投加一定量的Cl2不僅可以有效分解水中某些有機(jī)物，還可以控制因水源污染生成的微生物（如：藻類、細(xì)菌、病毒等），且價格便宜，管理方便。濾前加氯是目前國內(nèi)應(yīng)用最早、最廣泛的預(yù)氧化工藝，但由此將會產(chǎn)生THMS、HAAS在水中含量增高的負(fù)面影響。有研究表明：有預(yù)氯化與沒有預(yù)氯化相比，出廠水的THMS、HAAS含量隨不同季節(jié)分別提高了1.5～2.3和1.5～5.3倍。因此，當(dāng)原水TOC大于1.5 mg/l時，不易采用預(yù)氯化工藝。

ClO2能直接氧化水中的腐殖酸（HA）、黃腐酸（FA）等天然有機(jī)物，不與其形成THMS等消毒副產(chǎn)物；能有效的氧化去除水中的藻類、酚類及硫化物等有害物質(zhì)；在水中不發(fā)生水解，不與水中的氨反應(yīng)，處理效果不受水中PH值和氨氮影響并且能有效殺滅水中用氯消毒效果較差的病毒和孢子等。因此，隨著ClO2制取工藝和裝置的完善，其在水處理中的應(yīng)用已逐漸被人們重視。但是，ClO2的檢測手段還不完備，分析檢測較復(fù)雜，相對的操作管理要求高，從而影響了其在水廠的推廣；ClO2在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生兩種無機(jī)副產(chǎn)物，ClO2-和ClO3-，ClO2的消耗與ClO2-的形成幾乎是平行的，在水處理?xiàng)l件下，將有超過70%的ClO2轉(zhuǎn)化為ClO2-，而亞氯酸根與氯酸根的毒理認(rèn)識正處于研究階段。為此，美國環(huán)保局對使用ClO2的水廠提出了控制要求：出廠水ClO2小于0.8 mg/l，ClO2-不得超過1.0 mg/l。因此，應(yīng)用ClO2預(yù)處理時，還需嚴(yán)格控制其投加量。

O3是一種優(yōu)良的強(qiáng)氧化劑，在水處理中可以氧化水中某些無機(jī)物和大量有機(jī)物，如與活性碳聯(lián)用，處理效果更佳。臭氧還有較強(qiáng)的消毒能力，因此國外在給水處理方面廣泛用之作為氧化劑和消毒劑，世界上采用O3的水廠已有上千家。但是，由于臭氧價格昂貴，其發(fā)生裝置復(fù)雜，對管理操作要求較高，目前我國仍沒有大面積推廣。另外，臭氧對堿基置換突變沒有明顯處理能力，而且部分臭氧產(chǎn)物（BDOC和AOC等）不易被常規(guī)處理去除，使出水氯化后致突變活性與原水相比有較高上升。

從氧化還原電位看KMnO4的氧化能力強(qiáng)于Cl2和ClO2，因此從理論上可認(rèn)為其氧化有機(jī)物的能力較二者強(qiáng)。美國于20世紀(jì)70年代末開始研究其作為水處理藥劑的性質(zhì)，80年代達(dá)到高潮，至90年帶初期已在部分領(lǐng)域投入使用。近幾年，哈爾濱建筑大學(xué)的李硅白、馬軍等人對高錳酸甲及其復(fù)合藥劑在水處理中的應(yīng)用做了大量研究。高錳酸甲預(yù)處理能有效去除受污染水中的多種有機(jī)物，降低水的致突變性。此外，還能顯著的控制氯化消毒副產(chǎn)物（隨季節(jié)不同對消毒副產(chǎn)物的去除率可達(dá)38%～

88.2%），使水中污染有機(jī)物的數(shù)量和濃度均有顯著地降低，水的致突變性由陽性轉(zhuǎn)變?yōu)殛幮曰蚪咏幮?。但是，使用高錳酸鉀存在使水的色度和錳含量升高的負(fù)面作用。另外，在使用高錳酸甲后，沉淀池排泥水沒有相應(yīng)合理的處理措施，所以對其使用應(yīng)根據(jù)水源特點(diǎn)采取謹(jǐn)慎態(tài)度。

值得一提的是，H2O2產(chǎn)品穩(wěn)定，無腐蝕性，是很理想的水處理藥劑。但在常規(guī)水處理?xiàng)l件下，單獨(dú)使用H2O2時，需要量大且反應(yīng)速度慢，國外飲用水標(biāo)準(zhǔn)中H2O2最高允許濃度為3 mg/l，因此在飲用水處理中單獨(dú)使用H2O2作為氧化劑和消毒劑的不多。但H2O2在與催化劑或其它氧化劑共同使用時效果很好（即高級氧化技術(shù)）。

3.2.2 高級氧化技術(shù)

高級催化氧化技術(shù)就是圍繞如何產(chǎn)生羥基自由基（·OH）而開展的。·OH的氧化還原電位為2.80，氧化能力高于O3（O3氧化還原電位2.07）。高級氧化技術(shù)最具代表性的是亞鐵催化法（Fenton類試劑）和O3 / H2O2聯(lián)用。亞鐵催化法在給水處理方面的應(yīng)用目前還未見報道，O3 / H2O2聯(lián)用時可置換出·OH，因此對有機(jī)物的去除十分有效且反應(yīng)迅速。O3 / H2O2聯(lián)用在歐、美城市給水已有應(yīng)用，如巴黎MOUT水廠、舊金山Fairfield市北海灣地區(qū)水廠。圍繞著O3和H2O2高級氧化工藝的研究主要還有：紫外光（UV）和O3聯(lián)用、UV和H2O2聯(lián)用、UV+O3+H2O2工藝。

另外，還有采用固體催化物（亞鐵、錳等）使O3、H2O2產(chǎn)生·OH的高級氧化技術(shù)。如馬軍教授采用KMnO4催化O3氧化處理難降解物質(zhì)，以及西南市政設(shè)計院周克釗高工采用MnO2和人工錳砂催化H2O2進(jìn)行飲用水預(yù)處理研究。

3.3 生物預(yù)處理技術(shù)

生物預(yù)處理技術(shù)是借助微生物群體新陳代謝活動，降解水中有機(jī)污染物和氨氮、亞硝酸鹽、鐵、錳等無機(jī)物。目前研究較多的是基于生物膜法的生物濾池和生物接觸氧化池。生物濾池對水中總有機(jī)碳（TOC）特別是可生物降解有機(jī)碳（BDOC）和可生物同化有機(jī)碳（AOC）有較好的去除效果；生物接觸氧化池對有機(jī)物和氨氮也有較好的去除效果，CODMn去除率30%～60%，氨氮去除率為70%～90%。生物處理通過對可生物降解有機(jī)物的去除，改善了水的混凝沉淀性能，減輕了常規(guī)處理和后續(xù)深度處理過程的負(fù)荷，同時還減少了水中“三致”物前體物含量，更好地控制水的污染，改善出水水質(zhì)，也減少了細(xì)菌在配水管網(wǎng)中重新滋生的可能性。用生物預(yù)處理代替常規(guī)的預(yù)氯化工藝，不僅起到了與預(yù)氯化作用相同的效果，而且避免了由氯化引起的鹵代有機(jī)物的生成，這對降低水的致突變活性，控制三鹵甲烷物質(zhì)的生成是十分有利的。而且，生物預(yù)處理技術(shù)簡單易行，運(yùn)行可靠、處理效果好，是十分經(jīng)濟(jì)的水處理技術(shù)。如今生物法被移植到污染水源的給水處理中是飲用水處理技術(shù)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。但生物處理技術(shù)受水溫影響很大，低溫處理效果不佳，當(dāng)水溫接近于0 ？觷時，生物濾池對CODMn去除率低于5%。

3.4 深度處理技術(shù)

深度處理技術(shù)的研究與應(yīng)用主要集中于活性炭吸附和臭氧-生物活性炭吸附兩方面?；钚蕴渴且阅咎糠?、煤粉、果殼的碳粉等為原料制成的多孔性物質(zhì)，活性炭的空隙結(jié)構(gòu)提高了很大的比表面積（每克活性炭的表面積大約有600～1 000 m2），使之具有很強(qiáng)的吸附能力和吸附容量?；钚蕴繉λ腥芙獾牟荒鼙怀Ｒ?guī)混凝沉淀過濾處理工藝去除的有機(jī)污染物，如苯類化合物、酚類化合物。

臭氧-生物活性炭法（O3-BAC）是在活性炭濾池之前投加臭氧，并在臭氧接觸反應(yīng)池中進(jìn)行臭氧接觸氧化反應(yīng)，使水中有機(jī)污染物氧化降解，其中一小部分從水中除去，使活性炭濾床的有機(jī)負(fù)荷減輕，加上臭氧化水中含有剩余臭氧和充分的氧，使活性炭濾床處于富氧狀態(tài)，導(dǎo)致好氧生物在活性炭顆粒表面繁殖生長并形成不連續(xù)的生物膜，或微生物群落，通過生物吸附和氧化降解等作用，顯著提高了活性炭去除有機(jī)物的能力，延長了使用壽命。

臭氧氧化與活性炭吸附的第一次聯(lián)合使用是1961年在西德Dusseldorf市Amstaad水廠中開始的。目前，歐洲、日本和美國等發(fā)達(dá)國家已推廣使用，國內(nèi)一些發(fā)達(dá)或受水源污染嚴(yán)重的城市（如北京8水廠、昆明6水廠等）也已開始推廣使用這深度處理技術(shù)。

3.5 膜處理技術(shù)

膜處理技術(shù)被認(rèn)為是本世紀(jì)最有前途的水處理技術(shù)。膜處理技術(shù)幾乎可以處理任何條件下的水源，目前歐洲的膜處理技術(shù)發(fā)展迅速，膜的造價和膜處理都有大幅度的提高。在瑞士和法國已有數(shù)座超過萬噸級的水廠采用膜處理技術(shù)。膜處理工藝將是未來水處理的發(fā)展方向。目前，膜處理技術(shù)的發(fā)展主要集中在研制低壓膜，提高膜的通透量，降低膜處理費(fèi)用、以及膜處理工藝與其它水處理工藝結(jié)合技術(shù)等方面。

4 結(jié) 語

解決城市因水污染造成的飲用水問題有兩種辦法：①改善水源，加強(qiáng)水源保護(hù)；②采用先進(jìn)的、高效率的水處理技術(shù)。但無論何種技術(shù)，最有效的提高飲用水質(zhì)的方法就是做好水源保護(hù)工作，這是解決飲用水質(zhì)的最根本的方法。

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