浅谈管道直饮水净化技术

＊祁静 闫学亚 翟学东

（鄂尔多斯市安信泰环保科技有限公司 安全饮水与污水处置技术研究开发中心 内蒙古 017000）

我国饮用水水源存在较大的安全风险[1]。以内蒙古自治区为例，全区12个盟市及满洲里市、二连浩特市，各监测城市中，呼和浩特市、包头市、赤峰市和阿拉善盟集中式生活饮用水水源既有地表水水源地也有地下水水源地，呼伦贝尔市与巴彦淖尔市只有地表水水源地，其他8个城市均为地下水水源地。2020年内蒙古自治区生态环境状况公报显示：全区地级市集中式饮用水水源地取水量达标率为87.8%，较2019年下降1.7%；呼和浩特市、包头市、兴安盟、赤峰市、乌兰察布市、巴彦淖尔市和乌海市水源地达标率为100%，其他地级城市水源地均有不同程度的超标。全区94个万人千吨饮用水水源地监测井中，超标水源井38个，其中Ⅱ-Ⅲ类水质占59.5%、Ⅳ类水质占33.0%、Ⅴ类水质占7.5%，主要超标项为总大肠菌群、总硬度和氨氮。

目前，我国大部分水处理厂仍采用混凝-沉淀-过滤-消毒单元构成的“第一代”水处理工艺[2]，同时也有部分水厂对常规工艺进行升级改造，在第一代工艺基础上增加深度处理工艺（预臭氧—混凝—沉淀—过滤—后臭氧—生物活性碳—消毒），提升饮用水水质。深度处理工艺在对痕量污染物去除、长期稳定水质保障需要优化改进[3]。鉴于目前城市供水水源存在的问题，为使居民喝上放心水，一方面通过源头水源保护、净水厂及管网的改造升级来确保饮水安全。另一方面通过建设管道直饮水系统达到分质供水、高质高用、低质低用的目的，使得入口饮水和洗衣等生活用水分流可让更多的人受惠于直饮水。从管道直饮水系统的现状与发展趋势看，该系统在安全饮水方面将发挥重要作用。

1.净化技术

根据水源水质的不同，管道直饮水的净化技术略有差异，目前市场上的主导净化工艺为“预处理+膜处理+后处理”，水源主要为市政自来水、地表水、地下水。

(1)预处理

预处理是指利用多介质过滤器、活性炭过滤器等机械过滤技术，以去除水中胶体与悬浮物为主要目的，使原水处理后符合膜进水水质要求，减轻膜的堵塞与污染，延长膜使用寿命。

表1 预处理技术的比较[4-5]

其中，活性炭比表面积大，依靠过滤、吸附作用可以有效降低水中浊度及悬浮物、细菌、病毒、重金属、有机物的含量，同时可以消除余氯；其性能优于砂滤，往往作为砂滤的后续处理工序。软化过滤器实质是离子交换树脂，可以减少钙、镁离子含量，但不能降低水中的总含盐量。精滤可根据超滤或纳滤、反渗透进水水质要求的不同，选择滤芯规格，以起到保护膜的作用。

(2)膜处理技术

膜技术即利用膜孔的筛分截留作用，在外力的驱动下，大于膜孔的溶质粒子被截留，小分子溶质与水溶液透过滤膜进入产水中，最终实现溶液与溶质的分离。因此，直饮水净水技术根据膜截留能力的强弱形成了超滤、纳滤、反渗透饮水净化技术。

市场上膜供水装置种类分为商用级、工厂级[6]；对商用级供水膜进行比较，参见表2。

表2 超滤、纳滤、反渗透膜技术的比较[4-5]

①分离原理。膜技术是一种分离溶液、加强浓缩处理的技术手段；在膜的两侧施加压差，使成分选择性地透过膜以达到分离的效果。

当含有大分子物质的溶液（例如水溶液）与超滤膜接触时，在原料侧施加一定的压力，溶液中的小分子物质及水透过膜上的超微孔流到膜的低压侧为透过液，大分子物质被膜阻挡而留在膜的上游侧，实现溶液中大分子物质与小分子物质、水的分离。一般认为，超滤膜的分离作用是由机械截留（筛分）、架桥和吸附几种机理共同作用的结果[7]；其对有机物及硬度离子的去除效果差[2,8]。

反渗透是利用反渗透膜选择性地允许溶剂（通常是水）透过而截留离子物质的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现溶剂和溶质分离的膜过程；反渗透的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸附和扩散等有关[9]。反渗透可有效去除多价及一价离子（95%～99%），平均脱盐率为95%～98%，经反渗透处理后水中绝大部分矿物质、微量元素都已去除。

纳滤是由反渗透发展而来，介于超滤、反渗透之间的一种膜分离技术。纳滤膜过程与反渗透膜过程类似，其传质机理与反渗透膜相似，属于溶解-扩散模型[9-10]。纳滤膜对一价离子去除率一般在60%以下，二价及多价离子去除率一般大于90%。

②适用条件。超滤技术适用于水源水质较好的条件，广泛应用于纳滤、反渗透的前端处理工序。《中小学膜处理饮水设备技术研究和配置规范》（JY/T 0593-2019）是由教育部发布为保障学校师生饮水健康、安全而配套的技术标准，文件中明确指出“膜处理饮水设备宜采用超滤、纳滤的过滤方式”“在原水污染风险较大地区可使用反渗透方式，当原水质达标后宜更换成纳滤或超滤方式进行处理”。该规范在兼顾饮水安全与健康的同时，为日后膜处理技术在饮水净化方面的发展提供了方向，具有重要指导意义。

舒为群教授表示“高脱盐的反渗透与致密性纳滤膜能有效截留饮用水中可能存在的有机杂质，从而进一步保障饮用水安全。但过量去除水中的无机离子，特别是钙/镁离子、氟离子和微/痕量无机离子，则可能会降低饮用水的健康性。从这个角度讲，采用纳滤技术，适当保留饮用水中钙/镁元素和TDS，尽可能多地去除有机杂质和有毒有害无机离子，不但提高了饮水的健康性，在口感方面也可能更易被人群所接受[11]。”

③膜产品市场。前瞻产业研究院发布的《中国膜产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》显示，目前在中国膜市场中反渗透膜市场占有份额达50%以上，从2010—2018年，我国反渗透市场规模持续扩大，2018年已超过930亿元。据估计，2017年纳滤膜市场份额不足3%，但在2015—2019年将保持高达15.6%的年复合增长率[12]。

(3)后处理技术

后处理是将经过前期膜处理过的水进行消毒，杀死细菌及微生物，调整水质符合人体饮用；可采用臭氧、紫外线、二氧化氯等。目前，管道直饮水多采用臭氧、紫外线、臭氧和紫外线联合杀菌。紫外线是瞬时杀菌，杀菌效果很好。

表3 消毒技术的比较[13]

(4)常见工艺流程

市政自来水作为供水水源的条件下，目前国内用于管道直饮水的组合工艺类型主要为以下几类：

①O3（臭氧）活性炭过滤器+MF（微滤）+UF（超滤）+O3（臭氧）+ClO2（二氧化氯）。预臭氧主要是针对取水点为湖库的自来水，采用臭氧去除水藻、降低水中有机物、色度、浊度；经臭氧处理后水体经活性炭一方面消除臭氧残余，一方面进一步降低水中污染物；MF（微滤）作为保安密过滤器，截留＞0.1μm的杂质后进入超滤装置，最终经消毒达到净水水质要求。该工艺适用于原水水质较好的条件。

②多介质过滤器（石英砂）+活性炭过滤器+精密过滤器+NF（纳滤）+紫外线消毒。该工艺适用于中、低硬度的水源，应重点关注出水水质杀毒灭菌效果的稳定性。纳滤主要针对去除水中的多价离子，该工艺不适用于高氟水质净化。

③多介质过滤器+活性炭过滤器+软化+精密过滤器+反渗透（RO）+紫外线消毒。预处理主要是去除原水中的悬浮物、胶体、有机物等，并通过离子交换去除钙、镁离子降低水体硬度。膜处理采用反渗透膜RO，后处理工序利用臭氧对成品水箱的水进行定时定量的消毒，精密过滤器、紫外线杀菌器分别对循环回水进行过滤、消毒。此工艺流程对原水水质要求低，出水水质稳定，适用范围较前两种工艺广泛。但反渗透处理后其产水呈弱酸性，长期饮用会破坏人体酸碱平衡。

2.结论与建议

(1)结论

目前，我国饮水净化工艺路线为预处理+膜处理+后处理；膜市场竞争主要集中在反渗透膜与纳滤膜，两种膜技术均可有效截留饮用水中可能存在的有机杂质，从而进一步保障饮用水安全。

(2)建议

我国管道直饮水的现状可以概括为有需求、有效益、有问题。

管道直饮水系统的推行须坚持“政府主导、企业运作、社会参与”的原则，提升居民饮水意识，加强政府监管等多方位的协作。当前各级政府及有关管理部门、水务公司，仍然要以提高自来水水质为首要任务，切不可因管道直饮水有较大经济效应而盲目发展，避免舍本求末的现象。同时，应从提高膜通量、延长膜寿命、提升节水等角度关注膜技术的发展。

对已建成、将建设管道直饮水系统的地区，应强化饮用水卫生安全产品监管，提倡增强系统智能化感知，以物联网监控模式为直饮水保驾护航。