城市饮用水处理的突出问题和发展趋势

陈军

摘 要：目前我国饮用水处理的突出问题是水污染和水质问题，污染物中以有机污染物最突出。混凝、沉淀、过滤、消毒常规处理工艺无法有效去除受污染水源中相当一部分影响人体的污染物体。研究和实践表明，生物预处理、化学预氧化、高级氧化技术等预处理技术，强化混凝、强化过滤等常规工艺的优化，臭氧活性炭、膜处理等深度处理技术能有效去除常规处理工艺无法去除的污染物质，是水处理技术的发展趋势。

关键词：饮用水处理；水污染；水质、有机污染物；优化常规处理；预处理；深度处理

中图分类号：TU991.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）24-0073-03

1 水污染与水质

经济持续、良好发展使我们的饮用水处理技术已从如何提高水量转到了如何提高水质的发展方向上。如同矛盾对立统一的协调性，高水质要求和水污染加重为水处理技术发展提供了主要动力。随着对卫生毒理学的认识和分析检测手段的提高，人们发现水中有大量人体必须的物质（主要是矿物成分），但是由于水污染的加重（特别是有机污染物），水的成分变得日益复杂，而且其中某些物质对人体危害很大，这就不得不使人们对现今的水质评价体系进行重新认识和调整。

水环境污染受害者首先是人类自身，因此国内一些学者提出了水质灾害的新概念（以前我们仅仅认为是水质污染）。每年由于水质灾害造成的损失占国民生产总值的1.5%。目前，国家对环境保护日益重视，特别是在污水处理方面投资很大，但是对饮用水除污染技术的发展步伐还远落后于污水处理，目前新建设或在建的大多数水厂仍沿用已使用了百余年之久的传统的混凝、沉淀、过滤、消毒技术。但我国城镇化建设和工业发展污水处理总量还远小于污水排放量，见表1，到2050年，我国的COD总排放量与1997年比仍不会有较大幅度的下降。因此饮用水除污染技术仍是目前最重要的课题。

2 饮用水有机污染问题

饮用水的污染问题主要是有机物的污染。饮用水的有机物种类繁多，有常量的、有微量的、有天然的，但更多是污染造成的。迄今，由水中检测出微量有机物已超过2 000多种，其中许多是有毒有害的。1997年美环保局（EPA）提出饮用水规程和健康建议，列出了200种有机毒物，而且每年还会有新的有机物被发现。有的专家指出，水中多種有机物的生物毒性存在协同效应，即两种或多种有机物比单质的生物毒性高得多，但这方面的研究尚处于起步阶段。

目前，饮用水中有机物问题主要有以下几方面。

氧化，有待于发展出高级氧化技术才能有效去除。

⑦水处理过程的副产物。实际上，不仅消毒过程会产生有生物毒性的副产物，在其它水处理过程中也会产生副产物，这是一个尚有待研究的新领域。

⑧消毒副产物前质及其控制和去除。

⑨影响水的生物稳定性的有机物。水消毒后，细菌在水输配过程中仍会再度繁殖，这种水在生物学上认为是不稳定的。将水中能为细菌繁殖提供条件的有机物去除，使细菌不能再度繁殖，认为水已具有生物稳定性。

⑩水中有机物总量的去除，即降低水的COD、TOD等。水中天然有机物比较容易去除，而受污染（特别是工业废水污染）有机物有时则难于去除，有待开发经济高效的处理方法。

{11}对工农业有影响的有机物。

{12}对水处理过程中有影响的有机物，如对混凝、过滤、离子交换和膜过滤等。

3 饮用水处理技术的发展趋势

未来饮用水处理技术主要任务是去除水中的污染物质特别是有机污染物质从而达到提供优质出厂水的目的。因此饮用水处理技术的发展技术是围绕除微污染水源展开。主要包括优化常规处理工艺，预处理技术（生物预氧化、化学预氧化）、深度处理技术（臭氧活性炭、膜处理技术）。

3.1 优化常规处理工艺

水的常规处理工艺仍是必不可少的处理工艺并且是除污染的有效方法，引进任何其它新技术（包括预处理和深度处理）前，应优先考虑优化常规处理工艺。优化常规处理工艺包括优化工艺选择和组合，强化工艺单元处理能力。

3.1.1 优化工艺选择和组合

优化工艺选择和组合指从设计开始根据水厂水源特征选择处理工艺，通过一定时间（至少1 a）中试规模的实验，确定运行参数、药剂的选择和投加量、维护管理方法等；是采用一种多层、多保护复合处理系统（Multi Barrier Systems），保证水处理过程不会因水源突变或者处理过程中某个环节发生问题而发生水质污染。另一方面，引进深度处理新技术之前，优化常规处理工艺也是保证深度处理是否高效的关键。

3.1.2 强化工艺单元的处理能力

优化常规处理工艺，还有在现有的处理工艺上通过强化各处理环节从而达到去除水中有机物的目的，即强化常规处理工艺（Conventional water treatment processes）。这主要包括强化混凝（Conventional Flocculation）、强化过滤（Conventional Filtration）两个方面。

①强化混凝：主要是通过研制和采用更有效的混凝剂、助凝剂，改善混凝时的水力条件（如采用微涡旋低脉动设计工艺等），以及研制新的强吸附剂（如纳米材料吸附剂等）提高混凝阶段对污染物的去除效率。

②强化过滤：主要是通过改变滤料性质（涂铝、涂铁石英砂等），调整滤层结构（活性炭生物滤层+石英砂滤层等）提高过滤阶段的除污染能力。

3.2 预氧化和高级氧化技术

3.2.1 化学预氧化技术

化学氧化处理技术是依靠氧化剂的氧化能力，分解破坏水中污染物的结构，将其氧化为微毒或无毒的物质，或者转化为容易与水分离的形态，从而达到净水目的。目前应用较多的氧化剂有液氯（Cl2）、二氧化氯（ClO2）、臭氧（O3）、高锰酸甲（KMnO4），过氧化氢（H2O2）。衡量一种氧化剂的氧化能力的指标是其氧化还原电位，因此上述各氧化剂的氧化能力由强到弱的排序为：O3=2.07>H2O2=1.77>KmnO4=1.51>ClO2=1.50>Cl2=1.30。化学氧化技术一般设于常规工艺之前，作为预处理工艺，以降低水中COD含量。O3也有设于过滤之后，作为深度处理工艺来使用。

Cl2在给水处理中作为消毒剂被广泛应用。Cl2是强氧化剂，在原水中投加一定量的Cl2不仅可以有效分解水中某些有机物，还可以控制因水源污染生成的微生物（如：藻类、细菌、病毒等），且价格便宜，管理方便。滤前加氯是目前国内应用最早、最广泛的预氧化工艺，但由此将会产生THMS、HAAS在水中含量增高的负面影响。有研究表明：有预氯化与没有预氯化相比，出厂水的THMS、HAAS含量随不同季节分别提高了1.5～2.3和1.5～5.3倍。因此，当原水TOC大于1.5 mg/l时，不易采用预氯化工艺。

ClO2能直接氧化水中的腐殖酸（HA）、黄腐酸（FA）等天然有机物，不与其形成THMS等消毒副产物；能有效的氧化去除水中的藻类、酚类及硫化物等有害物质；在水中不发生水解，不与水中的氨反应，处理效果不受水中PH值和氨氮影响并且能有效杀灭水中用氯消毒效果较差的病毒和孢子等。因此，随着ClO2制取工艺和装置的完善，其在水处理中的应用已逐渐被人们重视。但是，ClO2的检测手段还不完备，分析检测较复杂，相对的操作管理要求高，从而影响了其在水厂的推广；ClO2在反应过程中会产生两种无机副产物，ClO2-和ClO3-，ClO2的消耗与ClO2-的形成几乎是平行的，在水处理条件下，将有超过70%的ClO2转化为ClO2-，而亚氯酸根与氯酸根的毒理认识正处于研究阶段。为此，美国环保局对使用ClO2的水厂提出了控制要求：出厂水ClO2小于0.8 mg/l，ClO2-不得超过1.0 mg/l。因此，应用ClO2预处理时，还需严格控制其投加量。

O3是一种优良的强氧化剂，在水处理中可以氧化水中某些无机物和大量有机物，如与活性碳联用，处理效果更佳。臭氧还有较强的消毒能力，因此国外在给水处理方面广泛用之作为氧化剂和消毒剂，世界上采用O3的水厂已有上千家。但是，由于臭氧价格昂贵，其发生装置复杂，对管理操作要求较高，目前我国仍没有大面积推广。另外，臭氧对碱基置换突变没有明显处理能力，而且部分臭氧产物（BDOC和AOC等）不易被常规处理去除，使出水氯化后致突变活性与原水相比有较高上升。

从氧化还原电位看KMnO4的氧化能力强于Cl2和ClO2，因此从理论上可认为其氧化有机物的能力较二者强。美国于20世纪70年代末开始研究其作为水处理药剂的性质，80年代达到高潮，至90年带初期已在部分领域投入使用。近几年，哈尔滨建筑大学的李硅白、马军等人对高锰酸甲及其复合药剂在水处理中的应用做了大量研究。高锰酸甲预处理能有效去除受污染水中的多种有机物，降低水的致突变性。此外，还能显著的控制氯化消毒副产物（随季节不同对消毒副产物的去除率可达38%～

88.2%），使水中污染有机物的数量和浓度均有显著地降低，水的致突变性由阳性转变为阴性或接近阴性。但是，使用高锰酸钾存在使水的色度和锰含量升高的负面作用。另外，在使用高锰酸甲后，沉淀池排泥水没有相应合理的处理措施，所以对其使用应根据水源特点采取谨慎态度。

值得一提的是，H2O2产品稳定，无腐蚀性，是很理想的水处理药剂。但在常规水处理条件下，单独使用H2O2时，需要量大且反应速度慢，国外饮用水标准中H2O2最高允许浓度为3 mg/l，因此在饮用水处理中单独使用H2O2作为氧化剂和消毒剂的不多。但H2O2在与催化剂或其它氧化剂共同使用时效果很好（即高级氧化技术）。

3.2.2 高级氧化技术

高级催化氧化技术就是围绕如何产生羟基自由基（·OH）而开展的。·OH的氧化还原电位为2.80，氧化能力高于O3（O3氧化还原电位2.07）。高级氧化技术最具代表性的是亚铁催化法（Fenton类试剂）和O3 / H2O2联用。亚铁催化法在给水处理方面的应用目前还未见报道，O3 / H2O2联用时可置换出·OH，因此对有机物的去除十分有效且反应迅速。O3 / H2O2联用在欧、美城市给水已有应用，如巴黎MOUT水厂、旧金山Fairfield市北海湾地区水厂。围绕着O3和H2O2高级氧化工艺的研究主要还有：紫外光（UV）和O3联用、UV和H2O2联用、UV+O3+H2O2工艺。

另外，还有采用固体催化物（亚铁、锰等）使O3、H2O2产生·OH的高级氧化技术。如马军教授采用KMnO4催化O3氧化处理难降解物质，以及西南市政设计院周克钊高工采用MnO2和人工锰砂催化H2O2进行饮用水预处理研究。

3.3 生物预处理技术

生物预处理技术是借助微生物群体新陈代谢活动，降解水中有机污染物和氨氮、亚硝酸盐、铁、锰等无机物。目前研究较多的是基于生物膜法的生物滤池和生物接触氧化池。生物滤池对水中总有机碳（TOC）特别是可生物降解有机碳（BDOC）和可生物同化有机碳（AOC）有较好的去除效果；生物接触氧化池对有机物和氨氮也有较好的去除效果，CODMn去除率30%～60%，氨氮去除率为70%～90%。生物处理通过对可生物降解有机物的去除，改善了水的混凝沉淀性能，减轻了常规处理和后续深度处理过程的负荷，同时还减少了水中“三致”物前体物含量，更好地控制水的污染，改善出水水质，也减少了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。用生物预处理代替常规的预氯化工艺，不仅起到了与预氯化作用相同的效果，而且避免了由氯化引起的卤代有机物的生成，这对降低水的致突变活性，控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。而且，生物预处理技术简单易行，运行可靠、处理效果好，是十分经济的水处理技术。如今生物法被移植到污染水源的给水处理中是饮用水处理技术领域的重大进展。但生物处理技术受水温影响很大，低温处理效果不佳，当水温接近于0 ？觷时，生物滤池对CODMn去除率低于5%。

3.4 深度处理技术

深度处理技术的研究与应用主要集中于活性炭吸附和臭氧-生物活性炭吸附两方面。活性炭是以木炭粉、煤粉、果壳的碳粉等为原料制成的多孔性物质，活性炭的空隙结构提高了很大的比表面積（每克活性炭的表面积大约有600～1 000 m2），使之具有很强的吸附能力和吸附容量。活性炭对水中溶解的不能被常规混凝沉淀过滤处理工艺去除的有机污染物，如苯类化合物、酚类化合物。

臭氧-生物活性炭法（O3-BAC）是在活性炭滤池之前投加臭氧，并在臭氧接触反应池中进行臭氧接触氧化反应，使水中有机污染物氧化降解，其中一小部分从水中除去，使活性炭滤床的有机负荷减轻，加上臭氧化水中含有剩余臭氧和充分的氧，使活性炭滤床处于富氧状态，导致好氧生物在活性炭颗粒表面繁殖生长并形成不连续的生物膜，或微生物群落，通过生物吸附和氧化降解等作用，显著提高了活性炭去除有机物的能力，延长了使用寿命。

臭氧氧化与活性炭吸附的第一次联合使用是1961年在西德Dusseldorf市Amstaad水厂中开始的。目前，欧洲、日本和美国等发达国家已推广使用，国内一些发达或受水源污染严重的城市（如北京8水厂、昆明6水厂等）也已开始推广使用这深度处理技术。

3.5 膜处理技术

膜处理技术被认为是本世纪最有前途的水处理技术。膜处理技术几乎可以处理任何条件下的水源，目前欧洲的膜处理技术发展迅速，膜的造价和膜处理都有大幅度的提高。在瑞士和法国已有数座超过万吨级的水厂采用膜处理技术。膜处理工艺将是未来水处理的发展方向。目前，膜处理技术的发展主要集中在研制低压膜，提高膜的通透量，降低膜处理费用、以及膜处理工艺与其它水处理工艺结合技术等方面。

4 结 语

解决城市因水污染造成的饮用水问题有两种办法：①改善水源，加强水源保护；②采用先进的、高效率的水处理技术。但无论何种技术，最有效的提高饮用水质的方法就是做好水源保护工作，这是解决饮用水质的最根本的方法。

参考文献：

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