关于给水厂深度处理工艺的选择应用研究

杨俊

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510030）

0 引言

目前，国际上及国内经济发展较好的城市在修订饮用水水质标准的过程中，修订的主要重点主要包括以下部分：重视消毒剂及其副产物、重视新兴污染物的影响；重视微生物指标。可以看出要求的指标数量大幅增加，指标限值要求也越来越严格[1]。

随着我国经济发展格局迈出新阶段，社会经济的高质量发展稳步推进，我国城市饮用水处理技术也将得到高质量发展，对水源水的污染控制和要求也会更严格。随着检测技术的不断发展，饮用水中不断有新的污染物检出。人们对饮用水品质要求也在提高，我国现行的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）也会进行适时调整以适应新发展的需要。结合目前国际及国内经济发展较好的城市在修订饮用水水质标准的过程中的变化及要求，加强对一些新兴污染物和致病性的病毒等微生物的控制会是未来发展控制的趋势。为提升城市居民使用的饮用水品质，加强关注城镇给水系统的水质健康和安全，上海、深圳和广州均陆续制定了地方性的饮用水水质标准，其中对较多的水质指标的控制和要求均比我国现行国标饮用水水质标准中的要求更严格，也更能适应国内城镇高质量发展的需要[1]。

在原水水质较好的情况下，目前大多数自来水厂采用的“混凝+沉淀+过滤+消毒”的常规净水工艺，一般均可保证出厂水满足现行的生活饮用水卫生标准。常规处理主要对水中含有的无机悬浮物和大分子量有机物有较好的去除效果，而对水中含有的小分子、溶解性的有机物，如氨氮、溶解性的有机碳等去除作用较差。在原水水质较差的情况下，常规处理工艺难以保证或者进一步改善饮用水水质，目前越来越多的自来水厂通过增加深度处理工艺改善水质，降低污染物浓度从而减小余氯消耗量，有利于进一步改善自来水的饮用口感[2]。

部分自来水厂取水水源由于历史原因以及水源保护地管理粗放等原因，部分取水水源的水质存在周期性的变差，此外，目前饮用水水质标准的要求也日趋严格，越来越多的自来水厂开始采取常规处理结合深度处理和预处理的净水工艺。深度处理的方法用得最多的是臭氧-生物活性炭、膜处理工艺。

1 臭氧-生物活性炭深度处理工艺

臭氧-生物活性炭处理工艺是将臭氧氧化处理工艺和生物活性炭处理工艺有机结合使用的水处理技术，其主要原理包括臭氧对污染物的强氧化作用，活性炭滤池对污染物的吸附作用及活性炭滤池附着的微生物对污染物的生物降解作用。该组合工艺利用活性炭滤池吸附经臭氧氧化作用分解产生的小分子量污染物，也可以降低臭氧外溢对周边环境的污染，臭氧分解后提供生物降解所需的耗氧量。此外，在活性炭滤池中附着的好氧菌可充分利用降解被吸附的小分子有机物，在充足的供氧环境下可较好的利用生物降解作用增强对水中污染物质的去除效果[3]。

臭氧-生物活性炭工艺通过臭氧强氧化作用分解有机物质、脱色、除嗅，并改善水的饮用口感，对水中含有的有机污染物、致突变性污染物、消毒产生的副产物等污染物具有较好的去除效果，并能增强处理水的生物稳定性。臭氧-生物活性炭工艺将高级氧化作用、吸附和生物降解等功能较为合理的组合应用，在实际水处理工程应用中可以大幅提高水厂的水质安全性，减少预氯氧化产生的副产物，具有长期的安全供水保障。臭氧-生物活性炭工艺运行管理方便、运行成本低，对水源突发污染处理能力强，能全面提高出水水质。

臭氧-生物活性炭处理工艺对去除水中微量有机污染物有较好的去除效果，但活性炭滤池附着的微生物也会带来一定的生物泄露安全风险。生物活性炭表面附着有较多的细菌微生物，实际工程应用中随着活性炭滤池的运行，会造成细菌微生物的不断积累，不可避免地增加出水的细菌数，实际工程应用时一些微小的炭颗粒会渗漏出，增加后续的消毒难度，减弱消毒效果。有一些研究发现，臭氧-生物活性炭处理工艺对关系到饮用水安全较为重要的贾第鞭毛虫孢囊和隐孢子虫卵囊不是较为有效的去除工艺，甚至处理水经处理后其含有的“两虫”数量出现增加的情况，为保障生物安全需要设置后续处理工艺截留过滤措施来保证生物安全[3、5]。

2 膜处理深度处理工艺

膜处理工艺是在某种推动力作用下，利用膜对不同物质的选择透过性，对水中含有的离子、分子及某些微粒进行有区别的分离。膜过滤处理的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。其中，饮用水处理中应用的主要是压力差式膜分离技术，主要有反渗透、纳滤、超滤和微滤等。

反渗透膜的截留分子量为100～200Daltons 孔径小于1nm，其截留性能最好，能去除水中绝大部分的离子，透过的几乎是溶剂，即纯水。反渗透膜处理原水时，可对原水中盐分和低分子量有机物有较好的去除效果。但是当在实际工程应用中，当采用反渗透膜处理饮用水时，会将水中原本含有的对人体健康有益的离子元素也一并去除，且过滤时工作压力高，运行能耗大，水的利用率较低，因此，反渗透技术用于饮用水净化受到了较大的限制。

目前给水深度处理膜处理工艺主要使用的为超滤膜，超滤膜过滤时截留的分子量适中，对应的过滤孔径在0.01～0.1μm 之间，过滤工作时压力相对较小，一般为0.1～0.3MPa，或靠负压抽吸。超滤膜过滤主要可以去除水中含有的悬浮物质、胶体颗粒及细菌病毒等大分子物质。

超滤可截留水中绝大部分的悬浮物质、胶体颗粒和细菌，对降低处理水中的浊度和细菌数量有较好的作用。超滤膜过滤的主要优点包括4 个部分。

（1）对水中含有的胶体颗粒状物质去除效果较好，一般出水浊度在0.1NTU 以下。

（2）对处理水中存在的隐孢子虫、贾第鞭毛虫、细菌病毒等具有较好的去除效果，经超滤膜处理后可降低消毒剂投加量，提高饮用水的微生物安全性。

（3）处理原理为物理过滤，处理过程中不会产生额外的副产物。

（4）超滤膜过滤处理单元易于组合，体积小占地小，施工方便，运行自动化程度高。

超滤膜过滤技术存在的局限性有如下两个方面。

（1）对小分子类有机物的去除效果差。

（2）超滤膜处理运行过程中，会存在膜污染的现象，需要经常性清洗以保证过滤处理能力，满足生产需求。但运行过程中仍会存在不可逆的物理污染，需要采用针对性的化学清洗，会影响生产处理能力。

纳滤膜过滤孔径介于超滤膜和反渗透膜过滤孔径之间，对有机物、重金属有着很好的截留能力，处理后的原水仍保留一部分对人体有益的单价离子，被称为处理微污染原水的“绿色工艺”。纳滤可以脱盐软化及去除砷，并对农药、内分泌干扰物和抗生素等微量有机物也有理想的处理效果，出水TOC 稳定维持在0.5mg/L 以内，同时保留水中对人体有益的矿物元素。此外，纳滤工艺还可以减少后续消毒剂投量、削减消毒副产物、提升饮用水的品质。

纳滤膜处理在饮用水处理领域的处理效果较好，且处理后水中可保留对人体有益的矿物元素，是国内给水处理领域研究热门和发展方向。但纳滤膜处理技术目前在实际工程应用上仍存在一些需要解决的限制条件[4]：①前置所需预处理系统要求高。由于纳滤膜本身特殊的膜结构形式及运行方式，对于纳滤膜进水的水质提出了严格的要求，导致了纳滤预处理系统较为复杂，增加了系统的工程投资及运行成本。②运行中存在膜污染的问题。纳滤膜在运行过程中不可避免地会在膜表面产生膜污染的现象，导致膜表面会出现不同程度的堵塞，导致膜产水能力下降，在不显著降低产水能力的情况下会增大膜处理加压压力，增加运行费用，需要经常性清洗以保证处理能力和处理效果。③水温变化对膜处理规模影响大。水温变化会较大地影响纳滤膜过滤能力，当水温降低时，水的粘度会随之增大，在不改变处理系统进水压力的情况下，水温降低会较为明显地减弱纳滤膜的产水能力。纳滤膜在实际运行过程中，温度变化对膜截留率的影响较小，对纳滤膜的产水能力影响较大，在实际工程应用中，当存在长时间的低温处理条件时会明显增加纳滤膜的运行成本。④纳滤膜处理产生的尾水处理困难。纳滤膜工程应用中运行方式较多的是采用错流过滤的方式，随着纳滤处理过程中高品质产水的不断回收，进水不断地被浓缩，最终会产生污染物积累浓度较高的尾水。目前国内对污水排放要求较严格，实际工程应用时，纳滤处理产生的尾水一般不满足直接排放的环保排放标准，处理尾水会增加运行费用，也会一定程度上降低原水利用率。

3 臭氧-生物活性炭+超滤膜深度处理组合工艺

臭氧-生物活性炭处理工艺对水中含有的有机物质有较好的去除效果，其利用臭氧的强氧化性将水中含有的大分子有机物氧化变为中小分子的有机物，臭氧分解后可为生物活性炭池提供较好的供氧条件。活性炭单元一方面通过吸附作用将小分子类有机物从水中去除，同时利用附着在其表面的微生物将吸附的小分子有机物进行有效的分解去除，从而降低水中的有机物等污染物的含量。但臭氧-生物活性炭处理工艺单独运行时会存在微生物泄漏的风险。

超滤膜处理工艺处理饮用水时，通过物理过滤，出水水质稳定性高，整体处理能耗较低，处理工艺集成化程度高、整体占地面积小，可实现全自动化控制而且处理过程中不会产生新的处理副产物，对于病毒细菌也有较好的去除效果。但超滤膜处理工艺对原水含有的色、嗅、味等溶解性物质去除作用较差，对水中含有的溶解性有机物和消毒副产物等也基本没有去除效果。

超滤膜处理技术在水处理应用中存在对有机物去除效率低和运行过程存在膜污染的问题，臭氧-生物活性炭处理工艺可有效地去除水中含有的有机物质，这将大大的降低超滤膜过滤运行过程中的生物污染，可较好地延缓超滤膜表面的膜污染。而臭氧-生物活性炭滤池存在的微生物泄漏地问题，超滤膜处理工艺能有效地针对性的去除。两种处理工艺的有机结合，既能较好地保障供水水质安全，也能较好地提高出厂水水质。

4 臭氧-生物活性炭和超滤膜深度处理工艺对水质提升的对比

为了提高饮用水水质，构建优质饮用水安全保障体系，应考虑“常规处理+臭氧-生物活性炭+超滤膜”的全流程工艺，增强水厂应对水源突发性风险的能力，提升饮用水口感，满足市民日益提高的生活水平需要。

若在原水水质较好或工程投资限制的情况下，深度处理可分阶段建设。两种不同深度处理工艺对水质提升的对比如下。

4.1 对提高供水水质的效果分析

为强化生活饮用水全生命周期的管理，进一步提升饮用水品质，以增强人民群众的获得感，饮用水水质需要全面提升感官性能指标控制要求，对出厂水的浊度、色度、铁、锰、总硬度以及溶解性总固体等指标限值要求更加严格，会更注重有机物指标和消毒副产物指标限值，需加强对有机污染物的去除并减少消毒副产物，提升饮用水品质。两种深度处理工艺对水中含有的污染物质的去除效果对比如表1 所示。

表1 不同深度处理工艺对水质主要指标提高效果对比

从表1 对比可知，超滤膜对去除细菌提高生物安全性、降低出水浊度及颗粒数等方面有较好的效果，臭氧-生物活性炭对去除有机物、去除氨氮、降低消毒副产物、提高出厂水的稳定性、增强对新兴污染物的去除等方面效果明显。

4.2 对原水水质变化的适应性分析

原水水质的变化具有较大的不确定性，考虑到供水安全，应贯彻底线思维，增强供水系统应对水源水质污染风险的能力。

超滤膜主要是物理筛分作用，能有效去除细菌、病毒等微生物并保证产水浊度，且出水水质稳定适应性较强，但超滤膜过滤系统对水中含有的色、嗅、味等溶解性物质去除效果较差，对水中含有的小分子溶解性有机物质和消毒副产物前体物等去除效果也较为有限，单独运行时对水源原水出现突发污染需靠应急投加和常规沉淀过滤来解决。

臭氧-生物活性炭处理工艺将高级氧化作用和吸附、生物降解进行了有机的结合，对有机物污染物质综合性指标、致突变性污染物质、消毒副产物前体物质、氨氮等指标具有较好的去除能力，可以大幅提高水厂的水质安全性和水质稳定性，减少预氯氧化产生的副产物，具有长期的安全供水保障，对原水水质变化适应能力强，能全面提高出水水质。但存在一定生物泄漏风险。运行管理上由于构筑物较多，控制环节多，操作复杂，日常需维护设备较多，臭氧发生器及相关压力设备的运行要求高。

5 结论

在给水处理工艺选择研究时，在保证供水水质稳定达标的前提下，同时应具备较好强应对水源突发污染的应急处理能力，充分考虑未来水源水质和供水水质目标的发展变化，有效满足供水可持续发展的要求。

在工艺分期实施过程中，充分考虑未来水源水质和供水水质目标的发展变化，有效满足供水可持续发展的要求。既充分考虑工艺先进可靠，应急供水安全的目标，又要满足工艺应具有技术先进性、供水安全可靠性和经济合理性。

为了应对原水水质的不断恶化以及饮用水水质标准的不断提高，给水处理需采取常规处理结合深度处理的净水工艺，目前给水深度处理工艺主要是臭氧-生物活性炭和膜处理工艺，两种深度处理工艺在应对不同水质指标有不同的提升作用，在选择采用时需结合原水水质各项水质情况和出厂水水质要求，结合经济分析，选择针对性的深度处理工艺，并考虑预留远期水质变化和水质标准提高的应对工艺条件。