終端用戶生活飲用水品質(zhì)提升工藝探究

林艷雯

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

廣州作為我國(guó)核心城市之一，人才集聚，經(jīng)濟(jì)高速成長(zhǎng)，正向全球頂級(jí)國(guó)際都市發(fā)展，同時(shí)市民對(duì)生活飲用水質(zhì)量改善的要求不斷增加長(zhǎng)。廣州市水務(wù)局為促進(jìn)廣州全面改善飲用水環(huán)境和改善城市供水質(zhì)量，進(jìn)行了生活飲用水質(zhì)量監(jiān)管制度調(diào)研工作，并頒發(fā)了“廣州市水務(wù)局關(guān)于印發(fā)廣州市生活飲用水品質(zhì)提升技術(shù)指引要點(diǎn)（試行）的通知”，其中要求，在區(qū)域自來(lái)水水質(zhì)未能達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，二次供水系統(tǒng)需要結(jié)合實(shí)際情況添加深度處理設(shè)備，并要求設(shè)備在應(yīng)用膜處理技術(shù)的同時(shí)，配置預(yù)處理、膜清洗與濃水排放設(shè)施；消毒設(shè)置宜優(yōu)先采用紫外線飲水消毒器或臭氧消毒器。在這背景下，對(duì)于二次供水處理設(shè)備工藝的研究，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

1 城市管網(wǎng)末端的水質(zhì)特征

1.1 微生物對(duì)水質(zhì)的影響

城市消防系統(tǒng)與城市給水系統(tǒng)一般情況下是合用的，但城市消防管網(wǎng)的管道直徑相對(duì)較大，故而未出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)的管中水將進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，即不會(huì)發(fā)生流量。在高水齡的情況下，微生物的繁殖速度相對(duì)較快，故而會(huì)因生物膜的出現(xiàn)導(dǎo)致二次污染。從爆發(fā)的介水傳播疾病可知，OPs（條件致病菌）是誘發(fā)疾病的主要原因，故而其被國(guó)際社會(huì)關(guān)注。由于OPs的傳播渠道有所不同，可通過(guò)呼吸、接觸等方式進(jìn)入人體中。在潛在易感人群數(shù)量不斷增多的條件下，不僅老齡化日益嚴(yán)峻，免疫性疾病人數(shù)也將隨之增多，促使OPs嚴(yán)重威脅人民健康。如果微生物膜出現(xiàn)在管網(wǎng)中，既會(huì)導(dǎo)致飲用水出現(xiàn)水嗅味，也會(huì)加快腐蝕管材，并為病菌的生長(zhǎng)提供相應(yīng)條件。在生物膜的影響下，消毒劑穿透難度進(jìn)一步提升，而且由于消毒劑與其中細(xì)胞的接觸，則會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)的余氯遭到損耗。這些都間接增強(qiáng)了OPs對(duì)消毒劑的抵抗能力。基于OPs的傳播途徑和特征有所不同，至今尚未找到合理的控制措施。在OPs污染的控制上，雖然可利用高水溫來(lái)控制，但是這項(xiàng)措施卻也會(huì)引發(fā)燙傷和資源浪費(fèi)等情況。因此，在病菌感染風(fēng)險(xiǎn)的防范上，低免疫力群體可利用過(guò)濾裝置的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。

1.2 消毒劑對(duì)水質(zhì)的影響

通常情況下，在運(yùn)輸飲用水時(shí)需要借助供水管網(wǎng)，因此為確保終端水質(zhì)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相符，避免出現(xiàn)滋生細(xì)菌的現(xiàn)象，水管網(wǎng)末端一般會(huì)含有剩余的消毒劑。在質(zhì)量控制中，消毒劑屬于較為重要的組成部分，國(guó)際相關(guān)研究者不斷探尋具有穩(wěn)定消毒效果以及能夠廣泛殺菌消毒的消毒劑，并且在確保其使用效果的同時(shí)，可以做到方便、安全。在實(shí)驗(yàn)中從應(yīng)用、副產(chǎn)物、消毒效果等方面入手，對(duì)比分析了幾種較為常見的消毒劑，即二氧化氯、臭氧與氯。對(duì)比分析結(jié)果顯示，在消毒效果方面，臭氧效果最好，其次為二氧化氯；在致突變性方面，氯氣最好，其次為二氧化氯[2]。顯然，不同消毒劑具有其自身特點(diǎn)，目前并無(wú)可以適應(yīng)所有情況的消毒劑，因此，可結(jié)合實(shí)際情況對(duì)水質(zhì)進(jìn)行深入全面分析后，確定相應(yīng)的滅菌方法。

1.3 供水管網(wǎng)鐵釋放問(wèn)題

鐵的穩(wěn)定性是管網(wǎng)當(dāng)前較為普遍的一項(xiàng)問(wèn)題，而造成該問(wèn)題的原因并不唯一，而是較為復(fù)雜，包括管線在各種生物化學(xué)長(zhǎng)期反映后出現(xiàn)銹蝕，促使管網(wǎng)中流入一些易溶形態(tài)的二價(jià)鐵；在瞬時(shí)強(qiáng)水力沖擊效應(yīng)的影響下，造成管壁銹蝕層剝落，銹蝕層中被致密的金屬鈍化層包裹保護(hù)好的鐵疏松部份裸露起來(lái)，使得大量鐵質(zhì)離子流入管網(wǎng)水中。當(dāng)管網(wǎng)鐵濃度嚴(yán)格超標(biāo)時(shí)便會(huì)產(chǎn)生“紅水”的現(xiàn)狀，影響觀感，另外，釋放出來(lái)的鐵質(zhì)離子在結(jié)垢后會(huì)為細(xì)菌生長(zhǎng)創(chuàng)造優(yōu)越的環(huán)境，促進(jìn)病原菌的繁衍生長(zhǎng)，在特殊狀況下管垢中還會(huì)富集砷、鐳等高毒性化合物，對(duì)用戶的用水安全產(chǎn)生重大危險(xiǎn)[3]。

針對(duì)供水管網(wǎng)“紅水”的產(chǎn)生原因分析，從以下3個(gè)方面入手。

（1）在出廠過(guò)程中，可以通過(guò)降低水質(zhì)腐蝕性的方式提高水質(zhì)化學(xué)與物力穩(wěn)定性，從而在源頭上有效解決“紅水”問(wèn)題。若要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可在水廠內(nèi)投入氫氧化鈉溶液、石灰等方式，促使水pH得到提高，或通過(guò)綜合應(yīng)用石灰與二氧化碳的方式全面改善水的硬度、pH等，從而得到更加穩(wěn)定的出廠水質(zhì)。

（2）防止金屬管材與水的直接接觸，抑制金屬管材銹蝕，并進(jìn)行內(nèi)部防腐蝕，在裝配前必須嚴(yán)格檢驗(yàn)防腐蝕層的質(zhì)量。

（3）優(yōu)化供水管網(wǎng)水力條件，有效降低停留水力時(shí)間。由于給水管網(wǎng)是一項(xiàng)大型系統(tǒng)，且該系統(tǒng)較為復(fù)雜。從實(shí)際情況來(lái)看，一些水力工況環(huán)節(jié)并不合理，一些管網(wǎng)局部、末梢區(qū)域等長(zhǎng)期滯留的水加劇了釋放腐蝕產(chǎn)物的速度，在管網(wǎng)腐蝕更為嚴(yán)重的同時(shí)，“紅水”問(wèn)題也越發(fā)突出。正因如此，供水公司在意識(shí)到這一點(diǎn)后，可從管理、工程技術(shù)等方面入手創(chuàng)建相應(yīng)模型，利用其對(duì)供水管網(wǎng)水力工況進(jìn)行模擬，根據(jù)所得結(jié)果掌握給水管網(wǎng)各條管線的水壓、流量和速度等水力技術(shù)參數(shù)，同時(shí)制定合理方案對(duì)策強(qiáng)化水力在緩流區(qū)工況；結(jié)合實(shí)際情況制定相應(yīng)的管道沖洗排放方案等。

由于以上解決途徑不屬于二次供水系統(tǒng)范疇，故不在此展開討論。

2 粉末活性炭-超濾膜-紫外線聯(lián)用工藝在二次供水處理中的應(yīng)用前景

2.1 粉末活性炭在飲用水處理中的發(fā)展研究與應(yīng)用

吸附分離技術(shù)是利用多孔固態(tài)材料與某一混合組分體系接觸，具有選擇性將系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)成分粘附在固定上，進(jìn)而進(jìn)行特定成分分離的操作過(guò)程。其中可以吸收到固體物質(zhì)上的部分就叫做吸附質(zhì)，而吸收了吸附物質(zhì)后的多孔固體則叫做吸附劑。

在相互作用特性方面，由于吸附質(zhì)、吸附劑并不相同，因此將其作為吸附過(guò)程劃分依據(jù)，則可以將其劃分為化學(xué)吸附與物理吸附兩種。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，二者具有明顯的不同，其中，前者還可以稱為活性吸附，是吸附質(zhì)、吸附劑化學(xué)反應(yīng)得到的結(jié)果，其大小對(duì)兩種物質(zhì)化學(xué)鍵能力具有決定性作用；后者則是活性炭吸附劑、吸附質(zhì)二者表面分子作用后得到的范德華作用力，吸附質(zhì)分子在二者引力比流體內(nèi)部分子引力大的情況下被固體表面吸附，該過(guò)程也可以稱為范德華吸附。

目前，工業(yè)上常用的吸附劑當(dāng)屬粉末活性炭，其也處理飲用水時(shí)的常用濾料。粉末活性炭的原材料主要是木材和煤，其加工過(guò)程主要分為兩項(xiàng)，即活化和炭火，由于具有大比表面積特征和優(yōu)秀的微控結(jié)構(gòu)，所以在諸多吸附劑中常被當(dāng)做首選目標(biāo)。此外，因粉末活性炭具有非極性表層，屬于親有機(jī)物且疏水范疇中，而且還具備易解吸、高熱穩(wěn)性、大吸附量等特征[4]。目前，水中的消毒副產(chǎn)物、農(nóng)藥等均可通過(guò)粉末活性炭來(lái)去除，所以常被用在原水水質(zhì)季節(jié)性變化大或遭遇突發(fā)水污染影響的水廠中。在有機(jī)物處理上，其可處理分子質(zhì)量小于1×104u區(qū)段的有機(jī)物，去除率超過(guò)了40%[5]。

2.2 超濾膜分離技術(shù)在飲用水處理中的發(fā)展研究與應(yīng)用

超濾膜一般是由兩部分所構(gòu)成，其中一部分是可發(fā)揮濾功能的表皮層，另一部分是可發(fā)揮支撐功能的支撐層，通常是以壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)膜進(jìn)行分離。由于超濾孔徑在0.01~0.1μm之間，所以膜中可透過(guò)小分子溶質(zhì)和溶劑，而大分子溶質(zhì)則無(wú)法透過(guò)。由于這項(xiàng)技術(shù)引入了高抗氧化性、耐高溫的膜組件和超濾膜，所以可達(dá)到凈化水的效果。超濾的去除原理不僅包含物理篩濾作用，而且與化學(xué)性質(zhì)也密切相關(guān)。不僅如此，在超濾過(guò)程中，和溶質(zhì)分子、膜孔大小以及溶質(zhì)、溶劑與膜材料間的關(guān)系密切等均具有一定聯(lián)系。具體來(lái)講，其功能主要如下。

（1）篩濾：在超濾膜的影響下，與之膜孔徑大小相同或超過(guò)的分子將被截留于膜層之上。

（2）吸附：因超濾膜、分子或顆粒間蘊(yùn)含靜電引力、范德華力等多種作用力，容易在膜上吸附或截留，因此在顆粒、分子較孔徑小的情況下，也容易被吸附。

（3）架橋：在分子或顆粒的相互影響下，彼此會(huì)橋聯(lián)為一體，進(jìn)而在超濾膜的干預(yù)下，被截留在膜上[6]。

相較于尋常工藝，這類工藝存在高濁度去除率（出水濁度能保持在0.1NTU以下，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）中對(duì)濁度的要求）、設(shè)備占地面積小，耗能較低，易于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 紫外線技術(shù)在二次供水處理中的發(fā)展研究與應(yīng)用

紫外線（UV）輻射可有效地滅火水中的各種微生物，越來(lái)越多用于水消毒。相比于原本化學(xué)消毒方式，紫外線輻射在實(shí)踐應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。具體而言，其不會(huì)導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)新增，且不會(huì)因此出現(xiàn)副產(chǎn)物，其在消毒過(guò)程中，在紫外線波長(zhǎng)為200~300nm時(shí)，經(jīng)紫外光照射，可讓微生物小包中的RNA和DNA的分子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)根本性變化，通過(guò)這種方式使再生性、生長(zhǎng)性細(xì)胞難以繼續(xù)存活，實(shí)現(xiàn)殺菌消毒的目的。

對(duì)二次供水的處理中，為保證用戶末端飲水安全，使用了紫外殺菌。并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，當(dāng)未打開的紫外線殺菌設(shè)備僅有余氯時(shí)，由市政進(jìn)水至末端龍頭，余氯持續(xù)減少；同時(shí)TOC經(jīng)膜清洗后也呈現(xiàn)略上升態(tài)勢(shì)，而三鹵甲烷也呈現(xiàn)了相同的狀況。而在打開紫外線消毒裝置，市政自來(lái)水進(jìn)入原水箱后的TOC增加，，而在經(jīng)過(guò)紫外線消毒裝置后，出水TOC顯著減少，同時(shí)余氯也顯著減少，而三鹵甲烷也有所減少。由此可見，為了對(duì)消毒副產(chǎn)物的上升速度進(jìn)行控制，并達(dá)到消除TOC的目的，可引入紫外線來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。選擇紫外線的原因在于，其可同余氯進(jìn)行結(jié)合，這樣既可產(chǎn)生高級(jí)氧化效果，又可讓氫氧自由基得到豐富，進(jìn)而達(dá)到去除有機(jī)物的目的。紫外消毒也可讓二次供水中的消毒副產(chǎn)物和有機(jī)物得到降低，以此確保市民飲水的安全性[7]。

2.4 粉末活性炭-超濾膜-紫外線聯(lián)用工藝的研究

綜合上述各組件的優(yōu)點(diǎn)，管網(wǎng)末端市政自來(lái)水進(jìn)入粉末活性炭-超濾膜-紫外線聯(lián)用工藝后，首先經(jīng)過(guò)粉末活性炭吸附去除部分COD；再經(jīng)過(guò)超濾膜，截留由于高水齡在市政管網(wǎng)中形成的微生物及部分致病菌；最后經(jīng)過(guò)紫外線消毒器消除致病菌及消毒副產(chǎn)物。通過(guò)此技術(shù)可讓用戶末端所獲的飲用水達(dá)到高品質(zhì)水平，而且相比于制水費(fèi)相比投資規(guī)模更小。二次供水處理設(shè)備的處理量可根據(jù)新建小區(qū)或單體建筑的分質(zhì)供水設(shè)計(jì)，相較于改造市政管網(wǎng)，更換管材以維持水質(zhì)，投資更低，同時(shí)亦能滿足居民生活飲用水水質(zhì)提升的需求[8]。

3 對(duì)廣州實(shí)現(xiàn)生活飲用水水質(zhì)提升目標(biāo)的展望

3.1 建立供水企業(yè)的供水水質(zhì)檢測(cè)督察管理方式

基于廣州市政府出臺(tái)的細(xì)則可知，要注重加強(qiáng)水質(zhì)分析管理力度，即采取合理規(guī)劃的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、檢驗(yàn)方式來(lái)進(jìn)行供水水質(zhì)的檢查，而且也要對(duì)水廠運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此保證安全、合格、高質(zhì)量的供水[9]。

3.2 探索供水水質(zhì)新檢測(cè)方法

連續(xù)流動(dòng)分析方式具備自動(dòng)化水平高、試劑耗損少、分析效率高等優(yōu)勢(shì)，而且通過(guò)這類分析方法所獲結(jié)果具有較高精密度和準(zhǔn)確性，且與分光光度法相比，其數(shù)量級(jí)得到了顯著提升。目前，常用的連續(xù)流動(dòng)分析儀配備了一系列輔助軟件和設(shè)備，讓分析過(guò)程變得更加高效、簡(jiǎn)易，加之?dāng)?shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，讓分析結(jié)果也變得更加清晰。這類檢測(cè)方式可在水源水、飲用水等水質(zhì)分析中推廣使用。

3.3 建立供水水質(zhì)監(jiān)察全過(guò)程水質(zhì)評(píng)價(jià)體系

對(duì)于供水水質(zhì)監(jiān)察全過(guò)程而言，其水質(zhì)評(píng)價(jià)體系的建立是以其中的水質(zhì)指標(biāo)為基礎(chǔ)。為了確保水質(zhì)內(nèi)控指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，建立體系時(shí)選擇了與之相匹配的數(shù)學(xué)模型，以此來(lái)預(yù)測(cè)和分析水質(zhì)的變化態(tài)勢(shì)，并對(duì)照用戶終端和管網(wǎng)的水質(zhì)變化規(guī)律，將結(jié)果反饋至水廠處，指導(dǎo)水廠進(jìn)行生產(chǎn)，并為水廠的管網(wǎng)管理、水質(zhì)改善與調(diào)動(dòng)提供一定的技術(shù)支撐，并在加強(qiáng)全過(guò)程監(jiān)察水平的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

粉末活性炭-超濾膜-紫外線聯(lián)用工藝可有效適應(yīng)目前國(guó)內(nèi)核心城市生活飲用水品質(zhì)提升的發(fā)展需求。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，供水企業(yè)引入先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，以此提升水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)管理力度，建立有效的水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)制，及時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)指標(biāo)和頻率，才能從源頭上提升居民生活飲用水的品質(zhì)。