飲用水資源現(xiàn)狀及飲用水凈化技術(shù)研究進(jìn)展

袁海峰，趙曉宇

（1.黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所濕地與生態(tài)保育國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2.黑龍江省科學(xué)院微生物研究所，哈爾濱 150020）

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飲用水資源現(xiàn)狀及飲用水凈化技術(shù)研究進(jìn)展

袁海峰1，趙曉宇2

（1.黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所濕地與生態(tài)保育國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2.黑龍江省科學(xué)院微生物研究所，哈爾濱 150020）

水是人類生產(chǎn)生活必不可少的不可再生資源，然而隨著工業(yè)化不斷加重，水污染的問題日漸突出，嚴(yán)重威脅人類的生存環(huán)境，從飲用水污染現(xiàn)狀出發(fā)，探討了目前飲用水凈化的基本技術(shù)及現(xiàn)狀，呼吁更好地保護(hù)飲用水資源，保障人類的可持續(xù)發(fā)展。

飲用水；生物強(qiáng)化；污染

1　飲用水水源污染現(xiàn)狀

由于西方發(fā)達(dá)國家工業(yè)化進(jìn)程比我國早近百年，在其工業(yè)化進(jìn)程中率先出現(xiàn)水體污染的情況，河流遭到有毒有機(jī)物的嚴(yán)重污染，水源水質(zhì)下降的情況普遍存在，使這些國家不得不在水的凈化處理過程中增加各種除污染工藝，強(qiáng)化對(duì)水有機(jī)污染物的控制。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加劇，飲用水的水源遭到污染的情況也越發(fā)嚴(yán)重［3］。2013年國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《中國環(huán)境狀況》中涉及淡水資源的數(shù)據(jù)顯示：到2013年年底，我國地表水總體呈現(xiàn)輕度污染的狀態(tài)，各類水質(zhì)比例為：Ⅰ～Ⅲ類71.7%，Ⅳ～Ⅴ類19.3%和劣Ⅴ類水質(zhì)為和9.0%。目前的飲用水水源水質(zhì)污染狀況更加嚴(yán)重，污染物對(duì)水源水質(zhì)的污染已經(jīng)達(dá)到愈演愈劇的程度，飲用水水源受到污染的程度也越來越嚴(yán)重，水中各類有機(jī)物的含量逐年增加。隨著現(xiàn)代分析檢測技術(shù)的不斷發(fā)展和提升，水源和飲用水中能夠測得的各類微量污染物質(zhì)的種類和含量也在不斷增加。根據(jù)現(xiàn)有分析檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)，水中有2 000多種有機(jī)物質(zhì)，這些污染物在飲用水水源中就發(fā)現(xiàn)了700多種，20種為致癌污染物，23種為可疑致癌污染物，18種具有誘發(fā)癌癥發(fā)生的污染物，56種具有致突功能，這些物質(zhì)均對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，其中包括直接或間接、急性或慢性的毒副作用［4-9］。因此，飲用水水源污染對(duì)飲用水水質(zhì)的影響已成為一項(xiàng)急迫內(nèi)容，亟待加以改善。

正是在當(dāng)前如此嚴(yán)峻的情況下，人們逐漸意識(shí)到飲用水水源的污染將會(huì)嚴(yán)重威脅人類賴以生存的環(huán)境條件。因此，全世界各領(lǐng)域的科學(xué)家和學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)開始了飲用水凈化技術(shù)的研究。當(dāng)前，飲用水凈化技術(shù)已經(jīng)基本上形成了有針對(duì)性的特有工藝凈化流程，主要包括常規(guī)處理和深度處理兩種。常規(guī)工藝處理飲用水的方法，即：混凝、沉淀、過濾和消毒。常規(guī)處理是目前飲用水處理的經(jīng)典方法，仍被廣大世界上多數(shù)國家所采用，成為目前飲用水處理的主要工藝［10］。

2　飲用水凈化技術(shù)進(jìn)展

深度處理飲用水技術(shù)是在常規(guī)處理飲用水工藝之后所采用的進(jìn)一步凈化處理技術(shù)。深度處理是采用特殊的工藝流程和處理方法，將常規(guī)水處理工藝不能有效去除的病原物、污染物以及消毒所產(chǎn)生的副產(chǎn)物的前體去除，進(jìn)一步提高和保證飲用水水質(zhì)，進(jìn)一步保障飲用水安全。深度處理技術(shù)材質(zhì)、方法等有所區(qū)別，目前應(yīng)用比較廣泛的深度處理技術(shù)包括：活性碳吸附技術(shù)、臭氧氧化技術(shù)、膜過濾技術(shù)等［11-12］。

2.1活性碳吸附技術(shù)

一般在水源受污染時(shí)，臨時(shí)應(yīng)急投加適量粉末碳，例如去除由藻類產(chǎn)生的季節(jié)性嗅味等，去除某些有機(jī)物時(shí)，粉末碳用量常達(dá)10～90mg/L，雖然粉末碳可以非常有效地吸附產(chǎn)生嗅味的有機(jī)物，投加粉末碳的設(shè)備也比較簡單，但是碳的吸附能力不能夠充分利用，導(dǎo)致投碳量較大。特別是在20世紀(jì)50年代以后，由于污染加劇，水源的嗅味更加嚴(yán)重。在正常投量下，粉末碳混懸吸附不能有效去除嗅味及微量污染物，用過的活性碳后處理困難，不能再生，當(dāng)粉末碳用量超過20mg/L以上時(shí)很不經(jīng)濟(jì)，因此許多水廠逐漸用顆粒碳代替粉末碳［13］。

顆?；钚蕴家赃^濾吸附的方式能迅速有效地去除水中的嗅味及微量污染物，可以將其鋪在快濾池的砂層上或在快濾池之后單獨(dú)建造活性碳濾池，當(dāng)碳的吸附能力飽和后，可以再生使用。1930年第一個(gè)使用顆粒活性碳除嗅的水廠建于美國費(fèi)城，20世紀(jì)60、70年代，由于煤質(zhì)活性碳的大量生產(chǎn)和再生設(shè)備的問世，發(fā)達(dá)國家開展了利用活性碳吸附去除水中微量有機(jī)物的科研工作，對(duì)飲用水進(jìn)行深度處理。顆?；钚蕴純艋b置在美國、日本、歐洲等國家逐漸建成并投入使用。

2.2臭氧氧化技術(shù)

在1785年發(fā)現(xiàn)了臭氧之后，進(jìn)一步證實(shí)了臭氧具有極強(qiáng)的殺菌功能，1905年開始作為自來水的消毒劑。1906年在法國的Nice市建成了一座規(guī)模較大的臭氧處理廠，之后一些國家陸續(xù)建立了一批采用臭氧處理的生產(chǎn)性水廠，到1916年數(shù)量達(dá)到了49座。這一時(shí)期，臭氧的應(yīng)用還僅限于飲用水的消毒，由于這個(gè)階段的臭氧發(fā)生器效率較低，設(shè)備費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用較高以及廉價(jià)的氯氣開始大量用于消毒，臭氧的應(yīng)用受到了限制。國內(nèi)外長期的實(shí)踐證明，雖然單獨(dú)使用臭氧技術(shù)或活性碳技術(shù)各有所長，但都有許多不足之處。因此都不是使水質(zhì)全面優(yōu)化的最佳可行技術(shù)，于是提出了臭氧化——活性碳技術(shù)，并且由于其獨(dú)特優(yōu)越性，使得該項(xiàng)技術(shù)在水污染凈化方面獲得迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用［14］。1940年，美國在水處理中便開始使用臭氧，當(dāng)時(shí)的主要目的是去除水中嗅味和提高水的色度。法國科學(xué)家Duguet在該領(lǐng)域進(jìn)行了多項(xiàng)研究，用過氧化氫和臭氧的混合物去除飲用水中的微量污染物，并開展一些試驗(yàn)，在他的構(gòu)思下均取得了良好的有機(jī)物去除效果。

2.3膜過濾技術(shù)

在水處理技術(shù)中，膜過濾技術(shù)(微濾、超濾、納濾和反滲透過濾)是最有前景的一種飲用水凈化方法，這一技術(shù)有許多的優(yōu)點(diǎn)，具有調(diào)節(jié)水質(zhì)的作用，其所去除的污染物范圍也非常廣，還包括到離子、細(xì)菌和病毒等微生物。另外，膜過濾技術(shù)在使用中不需要添加額外的藥劑即可運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)行，且膜過濾所需的設(shè)備緊湊，占用空間小，非常容易進(jìn)行自動(dòng)化控制，節(jié)約了人力資本。

3　凈化技術(shù)的局限性

隨著人類生活水平越來越高，人們對(duì)各類生存條件的要求也隨之加大。隨著現(xiàn)代合成技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)化合成已經(jīng)影響人們的生活。其最重要的污染是大量異生化合物進(jìn)入到了地球水環(huán)境體系中，包括工農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的廢水和城市人類生活產(chǎn)生的污水。

活性碳吸附對(duì)飲用水水源中的有機(jī)物（包括有機(jī)污染物）有一定的吸附去除作用，已經(jīng)被業(yè)內(nèi)公認(rèn)。但是，活性碳的價(jià)格逐年增加，且不屬于再生資源，其大量使用必將造成生態(tài)的二次破壞，因此，這些因素影響了活性碳在水處理技術(shù)中的推廣應(yīng)用。另外，活性碳對(duì)有機(jī)物的吸附去除作用受其自身吸附特性和吸附容量的限制，不能保證活性炭對(duì)所有的有機(jī)物有穩(wěn)定的和長久的、持續(xù)的去除效果?；钚蕴紝?duì)低分子極性強(qiáng)的有機(jī)物和大分子有機(jī)物不能吸附，其再生和更換都給水處理的操作和管理帶來諸多不便。

由于單一活性碳技術(shù)去除有機(jī)污染物的工作周期遠(yuǎn)低于去除嗅味物質(zhì)的工作周期，從而使處理成本大大提高，另外受活性碳再生方法、費(fèi)用所限（一般要占整個(gè)費(fèi)用的一半左右，某些特定情況下與買新碳的費(fèi)用幾乎相當(dāng)），活性碳技術(shù)也一直難以在我國和我省有效推廣。

臭氧氧化技術(shù)原理是臭氧在曝氣的環(huán)境條件下，通過臭氧較強(qiáng)的氧化能力，可以破壞一些污染有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)，使污染物降解，從而達(dá)到去除污染物的目的，并消除污染物的危害，但是在這一處理過程中，也可能因氧化產(chǎn)生一些中間產(chǎn)物，這些不確定的中間產(chǎn)物可能會(huì)對(duì)人們產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，也可能會(huì)產(chǎn)生二次污染。同時(shí)也有部分有機(jī)物是不容易被氧化的，因而不能起到凈化效果。

臭氧——活性碳工藝采用先臭氧氧化，后活性碳吸附的方式，使活性碳的吸附作用發(fā)揮得更好。活性碳能有效去除小分子有機(jī)物，而水中含有的的腐殖質(zhì)等具有較大分子量的天然有機(jī)物難以通過活性碳吸附去除，活性碳空隙表面積將不能得到充分利用，勢必加速吸附飽和速度，會(huì)縮短活性碳工作周期。但是臭氧活性碳技術(shù)在活性碳前投加臭氧后，可以使水中污染物大分子降解為小分子，使這些小分子提供了有機(jī)物進(jìn)入較小空隙的可能性，活性碳大孔可以更加充分吸附未被氧化的有機(jī)物，從而達(dá)到飲用水質(zhì)深度凈化目的。

膜過濾技術(shù)是一個(gè)非常優(yōu)良的水凈化技術(shù)，但是其缺點(diǎn)也很多，膜過濾所用的設(shè)備使用的基建投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用相當(dāng)昂貴，且在大量水凈化處理過程中容易發(fā)生堵塞，因此，在運(yùn)行中需要高水平的前處理設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)必須進(jìn)行定期的清洗維護(hù)。

隨著活性碳濾池的長期運(yùn)行，活性碳表面逐漸滋生微生物，滋生的微生物反而使得活性碳濾池凈化效果更為明顯，此種現(xiàn)象引起了人們的注意，并將其應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行之中［15］，生物強(qiáng)化技術(shù)隨之應(yīng)運(yùn)而生，而逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

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TU991.2

A

1674-8646（2016）01-0138-03

2015-09-19

袁海峰（1981-），男，黑龍江綏化人，助理研究員，碩士，主要從事生物技術(shù)等研究。

趙曉宇（1979-），男，黑龍江綏化人，副研究員，碩士，主要從事生物防治、基因工程研究。