飲用水處理工藝技術(shù)的研究進(jìn)展
1 前言
飲用水的凈化技術(shù)與工程設(shè)施，是從人類和水源污染及由此引起的疾病所做的長期斗爭中產(chǎn)生和發(fā)展起來的。
19世紀(jì)，歐美一些國家由于排出的污水、糞便和垃圾等使地表和地下水源受到污染，造成霍亂、痢疾、傷寒等水傳染病的多次大規(guī)模的爆發(fā)和蔓延，奪去了成千上萬人的生命。這些慘痛教訓(xùn)，導(dǎo)致了傳統(tǒng)飲用水處理工藝的誕生。其代表處理流程是混凝→沉淀→過濾→投氯消毒，主要用以除去原水中的濁度和病原菌。
自20世紀(jì)60年代以來，隨著工業(yè)和城市的迅速發(fā)展，飲用水源不僅受到越來越多的城市污水和工業(yè)廢水等點污染源的污染，而且還受到更難控制的非點污染源的污染，給水中帶來了難以或不能生物降解的有機物。面對越來越多的有機物，傳統(tǒng)水處理工藝相形見拙，表現(xiàn)在：
（1）不能有效去除各種有機物。且氯化消毒產(chǎn)生的多種有機鹵化物，比其先質(zhì)毒性更大[5]；
（2）水廠沉淀池、濾池濾料層的含泥量中有機物的溶出與遷移會帶來有機物；
（3）為改進(jìn)絮凝，提高濾池效率，保證殺菌效果的多點投氯，為氯與水中的有機物（如富里酸、腐殖酸）反應(yīng)生成 THMs等消毒副產(chǎn)物創(chuàng)造了條件；
（4）自來水在冗長的輸水管道及水塔、水箱等設(shè)施中，余氯與水中的有機物有時間進(jìn)一步反應(yīng)，又因為管網(wǎng)腐蝕、泄漏、接觸污染，會生成更多的 THMs，導(dǎo)致了二次污染。據(jù)北京市衛(wèi)生防疫站的檢測，由于二次污染，有15％的自來水超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
新的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致了飲用水處理的第二次革命：不僅要除去濁度和病原菌，而且還要除去多種多樣的有機和無機微量污染物。其處理途徑概括為二：一是對氯化消毒副產(chǎn)物（DBP）的前驅(qū)物（THMFP）加以控制，從而減少 DBP的生成，如通過生物預(yù)處理法、臭氧-活性炭法、空氣吹脫法等方法處理后再進(jìn)行氯化消毒；二是對自來水進(jìn)行深度凈化，減少 DBP的含量，可采用的方法有：分質(zhì)供水（管道或桶裝）、多級蒸餾法、膜分離、離子交換、活性炭吸附等。
2 傳統(tǒng)飲用水處理工藝的改進(jìn)：
2.1 混凝
混凝工藝主要去除水中的懸浮顆粒、濁度和消毒副產(chǎn)物（DBPS）的前驅(qū)物質(zhì)—天然有機物（NOM）。其效果與混凝藥劑品種、投加量、pH值、攪拌程度、混凝劑和助凝劑投加順序、原水特性等因素有關(guān)。快速劇烈的混合，利于混凝藥劑擴散和水中膠體的脫穩(wěn)。進(jìn)入80年代，加強混合才成為給水界的共識，現(xiàn)常用的混合設(shè)備有：水力隔板混合、水泵混合、機械混合、靜態(tài)混合器、混合池、槽等。在絮凝藥劑投加控制和使用方面：我國的絮凝劑品種少、質(zhì)量低，而在國外，用于原水調(diào)質(zhì)的助凝劑較為普遍；在藥劑的自動控制工藝方面：我國大部分水廠才處于起步階段。
當(dāng)水中有污染或污染較輕的情況下，可采用強化混凝或二次混凝達(dá)到預(yù)期效果。
2.2 沉淀
沉砂池去除污水中泥砂等粗大顆粒，有平流沉砂池和曝氣沉砂池；沉淀池除去有機和無機可沉懸浮物和膠體混凝物。可分為平流沉淀池和斜管沉淀池，一般以斜管沉淀池性能為佳。
2.3 過濾
集常規(guī)過濾、顆；钚蕴课脚c生物膜氧化技術(shù)于一體的生物過濾，可有效去除水中氨氮、鐵錳、有機物及濁度。,改善和提高了飲用水的生物穩(wěn)定性和安全性，且運行可靠、投資省、運行費用低。但尚需解決：① 控制進(jìn)入輸配水管網(wǎng)的最大可生物降解有機物質(zhì)（BOM）的濃度；② 生物過濾的最佳反沖洗標(biāo)準(zhǔn)；③ 非生物顆粒對生物膜性能可能產(chǎn)生的影響；④ 慢速生物降解有機物的去除機理與條件；⑤ 水中有機物與氨氮共存的情況下，氨氮對有機物降解的影響；鐵、錳共存的情況下，鐵的存在對除錳的影響。生物過濾替換傳統(tǒng)過濾，是減少飲用水有機污染、提高飲用水的安全性與生物穩(wěn)定性的客觀需要。
2.4 消毒
(1)氯氣消毒法除不能盡除水中有機物，易生成“三致”氯代物外，其產(chǎn)品水的味覺與嗅覺的不佳；由于長期使用,細(xì)菌產(chǎn)生了抗藥性,使氯氣的用量逐年增加。
(2)二氧化氯消毒技術(shù)：相對于臭氧和氯消毒，殺菌能力更強，剩余量更穩(wěn)定，作用更持久，消毒后不產(chǎn)生有毒的三氯甲烷等氯化有機物，并能有效地控制出水的色度、嗅味，還可沉淀水中的鐵、錳等，因此用量少、作用快、殺菌率高。但成本較氯高；不易壓縮儲存，只能在使用現(xiàn)場制造。常用于代替預(yù)氯處理或（混凝沉淀）前加氯，即作為第一次消毒及氧化。
(3)臭氧氧化技術(shù)：通過臭氧與其它消毒劑比較研究后得出以下結(jié)論：從消毒效果看，臭氧＞二氧化氯＞氯＞氯胺。而從消毒后水的致突變性看則氯＞氯胺＞二氧化氯＞臭氧。由此可顯示出臭氧消毒的優(yōu)點。國際上已普遍應(yīng)用，特別是法國普及率很高。但由于臭氧對細(xì)菌有顯著的后增長效果，因此近來人們注意將臭氧與其它凈水技術(shù)結(jié)合使用：如臭氧一氯、臭氧-紫外線消毒、臭氧與生物活性炭（O3·BAC）等，能獲得滿意的殺菌效果。
(4)光氧化技術(shù)：利用在可見光或紫外光照射作用下，產(chǎn)生氧化能力極強的OH基，進(jìn)行復(fù)雜反應(yīng)，將有機物高效去除。光激發(fā)氧化技術(shù)是以O(shè)3、H2O2、O2和空氣等作為氧化劑，將氧化劑的氧化作用和光化學(xué)輻射相結(jié)合，其氧化效果要比單獨使用UV或O3、H2O2、O2好得多。
(5)光催化氧化技術(shù)：使用過渡金屬氧化物TiO2等為代表的催化劑而進(jìn)行的光敏氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的OH，具強氧化性、對分解作用對象無選擇性及最終可使有機物完全礦化,耗氧速度不高、反應(yīng)速率受水溫變化影響較小、pH值變化對催化劑活性沒有影響,但處理費用高，設(shè)備復(fù)雜,在經(jīng)濟上還只限于小水量規(guī)模的處理。催化劑的中毒情況和再生仍需研究，TiO2粉末顆粒細(xì)微、不便回收；光浪費嚴(yán)重；效率相對較低；缺乏殘余消毒能力。
(6)超臨界水氧化：利用水在超臨界狀態(tài)下能與有機物和氧氣（空氣）以任何比例互溶這種特殊性質(zhì)，使水中有機物得以除去。
優(yōu)點是：
（1）效率高，處理徹底
（2）反應(yīng)速率快，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，體積小
（3）適用范圍廣
（4）不形成二次污染
（5）當(dāng)有機物含量超過2％就可依靠反應(yīng)過程中自身氧化放熱來維持反應(yīng)所需的溫度。但尚需考慮設(shè)備的腐蝕、鹽的沉淀、催化劑的使用及熱量的傳遞等因素。
（6）濕式催化氧化法：在高溫高壓及催化劑存在條件下，空氣中的氧氣可以將有機物降解，其催化劑一般為貴金屬，催化劑的失活與再生有待于進(jìn)一步研究，高溫、高壓的反應(yīng)條件對反應(yīng)設(shè)備提出了特殊的要求。
（7）超聲氧化法（UltrasonicIrradiation,UI）能將THMs、氯酚、含氮酚完全或大部分氧化分解。超聲氧化法與臭氧結(jié)合，能加速對大腸桿菌等細(xì)菌的殺菌作用，并且比單獨使用O3節(jié)約用量50%。
（8）微波消毒：利用微波（1～120mm）熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)及其它因素共同作用殺滅細(xì)菌，操作簡單，能耗低,且不產(chǎn)生二次污染.
（9）高錳酸鉀氧化：能有效去除水中的多種有機污染物；能顯著控制氯化消毒副產(chǎn)物；用于預(yù)處理，可以破壞氯仿和四氯化碳的前驅(qū)物質(zhì)，并有一定的色、嗅、味的去除效果。缺點是：對高分子量、高沸點有機污染物，去除效果很差；KMnO4投加量控制不當(dāng)時會引起水的色度和濁度增加；另外,反應(yīng)中生成MnO2產(chǎn)生了額外的污泥。高錳酸鉀與粒狀活性炭聯(lián)用，由于相互促進(jìn)的協(xié)同作用，對原水表現(xiàn)出優(yōu)良的去除效果。
（10）高鐵酸鉀氧化：通過其強烈的氧化作用，殺死了菌體，它集消毒、絮凝、氧化、吸附及助凝于一體，具有殺毒效果好、功能多、安全性好、應(yīng)用廣的優(yōu)點，但高鐵酸鉀不穩(wěn)定，難于制備。
（11）磁化消毒：利用磁場降解水中的污染物。其影響因素有：磁場力、水流流速、流體與磁體表面的接觸面積、懸浮顆粒或絮凝體的粒徑、懸浮顆粒的磁化率等。磁分離設(shè)備簡單、易實現(xiàn)自動化、處理量大,不受自然溫度的影響。用于水的殺菌消毒處理、不會產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品、能同時凈化多種污染、可處理礦化度較高的水源、可去除那些耐藥性和毒性很強的病原微生物、細(xì)菌以及一些難降解的有機物等。通過投加磁種和混凝劑，可使各種性質(zhì)的弱磁性微細(xì)顆粒甚至半膠體顆粒在高梯度磁場中能得到高效去除。但是，由于剩磁作用，被吸附的磁性顆粒難以被沖洗干凈，影響著下一周期的工作效率。
（12）面接觸觸消毒技術(shù)：將消毒介質(zhì)固定化，避免了對環(huán)境的二次污染；并可進(jìn)行回收利用；但其流動性和分散性不佳。
（13）膜消毒技術(shù)：其中微濾（MF），超濾（UF），納濾（NF）以及反滲透（RO）技術(shù)已經(jīng)用到這個領(lǐng)域，可以將水中全部或大部分地細(xì)菌、病毒和其它微生物體隔離開來，避免了熱源的產(chǎn)生。處理后的水質(zhì)優(yōu)良，不需要消耗化學(xué)藥劑或僅需很少量的化學(xué)藥劑，低能耗，低運行費用，消毒效果不受原水水質(zhì)影響，出水水質(zhì)穩(wěn)定，其去除效率與膜材料、膜孔徑、膜的負(fù)荷、料液的控制條件及操作條件有關(guān)，而膜的污染、堵塞、完整性、運行過程的控制和產(chǎn)品水的生物穩(wěn)定性等問題有待解決[24]。
（14）Fenton反應(yīng)： Fenton反應(yīng)對微量有機物的除去有顯著效果，F(xiàn)enton反應(yīng)的優(yōu)點是不需要特制的反應(yīng)系統(tǒng)，也不分解產(chǎn)生新的有害物質(zhì)，僅僅需要催化劑Fe2+。反應(yīng)產(chǎn)物Fe3+對環(huán)境無害，而且Fe3+可以與OH-反應(yīng)形成Fe(OH)3而沉淀出來。將Fenton試劑輔以紫外或可見光輻射，極大的提高了傳統(tǒng)Fenton氧化反應(yīng)的處理效果。
（15）電化學(xué)氧化（ElectrochemicalOxidation）：通過電極產(chǎn)生具有滅菌作用的活性物質(zhì)以及水分子在電流作用下形成電子活化水，二者協(xié)同作用達(dá)到殺菌的效果。滅菌效果與電流密度、電極類型及滅菌時間有關(guān)。優(yōu)點在于，整個過程僅需要電流作用，且反應(yīng)在室溫條件下即可進(jìn)行。缺點是當(dāng)水中溶解物質(zhì)濃度太低時，反應(yīng)較慢；電極材料較昂貴。在歐洲，電化學(xué)氧化法在水的消毒和有害廢棄物的處理等方面有越來越多的應(yīng)用。
（16）凝效果，與水完全混溶，避免了溶解度的限制或排出泵產(chǎn)生氣栓；無二次污染；氧化選擇性高。缺點是：氧化作用往往不徹底，過程中生成的小分子有機物更容易生成THMs。一般很少單獨使用,而是與其它消毒劑聯(lián)合采用。
（17）生物活性碳技術(shù)：是物理吸附和生物降解的簡單組合。吸附飽和的生物活性碳在不需要再生的情況下，可利用其生物降解能力，繼續(xù)發(fā)揮控制污染物的作用，與原先單獨使用活性碳吸附工藝相比，出水水質(zhì)得到提高，也增加了水中溶解性有機物的去除，從而降低了氯化時的Cl2投加量,降低了CHCl3的生成量，而且延長了活性碳的再生周期，減少運行費用。
（18）飲用水的消毒技術(shù)近年來得到了長足的發(fā)展，各種新技術(shù)的問世，給人們帶來了新的希望，可是由于價格、性能或產(chǎn)品水生物穩(wěn)定性等方面的制約，這些新技術(shù)還不能替代氯消毒。
2.5 深度處理工藝
深度處理通常是指在常規(guī)處理工藝以后，采用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒，將常?guī)處理工藝不能有效去除的污染物或消毒副產(chǎn)物的前體物加以去除,提高和保證飲用水質(zhì)。顯而易見,較之傳統(tǒng)工藝，深度處理成本大，代價高。深度處理國外應(yīng)用較為普遍，我國尚處于起步階段，大部分老水廠均未采用深度處理，只是部分新水廠采用了活性炭吸附處理。常見深度處理技術(shù)還有：化學(xué)氧化、空氣攪拌、生物法、膜技術(shù)及新型合成吸附劑等。
粒狀活性炭吸附法能有效地去除水中有機污染物，但對重金屬離子的去除能力有限。
化學(xué)氧化法與光化學(xué)氧化法也只對水中有機污染物有效。
納濾、超濾、微濾能有效地去除水中懸浮物、膠體、大分子有機物、細(xì)菌與病毒,但不能去除水中的小分子有機物。
反滲透系統(tǒng)能夠有效地去除水中的重金屬離子、有機污染物、細(xì)菌與病毒，并能將對人體有益的微量元素、礦物質(zhì)（如鈣、磷、鎂、鐵、碘等）一并去除干凈。
吹脫技術(shù)能有效去除揮發(fā)性有機物，但對難揮發(fā)性有機物去除效果很差.用于去除水中低濃度揮發(fā)性的有機物，去除效果隨溫度的升高而增加.在飲用水深度處理中，吹脫法費用低，約為活性碳運行費用的1/2～1/4。
3 結(jié)束語
水環(huán)境的惡化、需水量的增長、海水等成為飲用水的待用水源、環(huán)境危機、能源危機、可持續(xù)性發(fā)展的理念、以及人們對優(yōu)質(zhì)健康飲用水的渴求等因素，都對飲用水處理技術(shù)提出了新的要求。面對資源性缺水、水質(zhì)性缺水、生活污水以及供水水質(zhì)的變化等不同情況，如何合理凈化污水，如何采用適當(dāng)加工方法，去除水中的礦物質(zhì)、有機成分、有害雜質(zhì)及微生物等，同時又在一定程度上保留了人體健康所必須的各種微量元素和礦物質(zhì)，獲得沒有任何添加物（臭氧除外）可以直接飲用的水，正是飲用水處理技術(shù)的目的所在。
近年來，傳統(tǒng)飲用水處理技術(shù)的改進(jìn)和深度處理的迅猛發(fā)展，使優(yōu)質(zhì)飲用水成為可能，但在考慮到處理效果是否良好，能否引起二次污染，是否具有殘余消毒能力，價格是否低廉等因素時，往往不能獲得滿意效果，將現(xiàn)有工藝組合（如臭氧-紫外線消毒、高錳酸鉀與粒狀活性炭聯(lián)用等），揚長避短，得到潔凈、高效、價廉的工藝，是今后飲用水處理的方向所在。
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