饮用水水处理过程中使用化学药剂的风险与防范

＊孟繁明

（北京科泰兴达高新技术有限公司 北京 102431）

水处理工艺过程中常用的化学药剂主要分为絮凝剂、杀菌剂和阻垢剂等几大类。絮凝剂和助凝剂主要使用在预处理阶段。杀菌剂可以使用在水处理工程中的不同阶段，如在过滤设备之前或处于供水管道之中。阻垢剂可以帮助和保护水处理的设备设施。

图1 水处理设备图

添加化学药剂的初衷是为了高效彻底地去除水中的污染物，但是，如果错误的使用或过量的投加化学药剂，不仅不能恰当地去除水中原有的污染物，反而带来新的污染，增加了水处理设备的负担，甚至可能存留在成品水中，从而降低成品水水质。

1.概述净水水处理剂

净水水处理剂指的是为了符合用水需求，达到出水水质标准，去除水中有害物质，从而在水处理过程中投加的化学药品。净水水处理剂具有很强的专用性，针对使用目的和处理对象的不同，需要利用不同的净水水处理剂。

絮凝剂通常运用在常规净水处理工艺的预处理阶段。预处理主要包括混凝、沉淀以及澄清等工艺过程。在混凝阶段，为了可以将水内的悬浮物以及胶体凝聚在一起，可以加入适当的絮凝剂，由此形成大体积的絮状体，最后下沉入水底，以便在后续工艺中更加容易地将其从水体中去除，提高水体的洁净度。

有效制约水中微生物生长可以加入适量杀菌剂，该操作目的在于减少粘泥情况的发生而对水处理系统运行造成影响。在成品水中投加杀菌剂的目的是为了抑制细菌在输水管网中的滋生繁殖，以确保终端出水的水质标准要求。

2.常用水处理剂的利与弊

(1)絮凝剂

通常使用的絮凝剂比较多，有无机或有机高分子的，还有复合型的，也有微生物型的，如常用的聚合硫酸铁属于无机类，聚合季铵盐等属于有机类。

基于价格及絮凝效果的原因，无机高分子絮凝剂应用最为广泛，尤以聚合氯化铝为主，其化学式为Al2Cln(OH)6-n[1]。考虑到铝对人体健康的影响（即铝的潜在神经毒性），使用铝作为絮凝剂的水厂，应优化絮凝工艺，尽量减少出水中铝的含量，确定铝的可行最佳水平。一些处理方法可减少出水中铝的残留，譬如：在混凝过程调节pH至最佳条件，避免用铝过量，混合助凝剂使用、采用最佳搅拌速度聚合已经形成铝化合物的絮体等。在良好的运行条件下，大型水处理设施可使铝的浓度达到或低于0.1mg/L。小型水处理设施（即设计规模少于1万人）要达到上述指标可能较困难，主要由于小型水厂在运行中，对铝浓度水平的波动缓冲作用很小，并且在资源和运行专业技术方面都受到限制。对小型水处理设施，出水中铝的浓度应≤0.2mg/L[2]。这一指标也符合我国生活饮用水卫生标准的规定。

铁系絮凝剂具有絮体较大、易沉降、杂质去除率高、pH值范围大等优点，从而被广泛使用。残存在水中的铁离子同样对人的身体健康产生不利影响。尽管世界卫生组织2011年发布的《饮用水水质准则》中认为饮用水中2mg/L的铁离子浓度对健康无害，但是，我国生活饮用水卫生标准中明确规定了更为严格的标准，即，铁的水质常规指标及限值为0.3mg/L[3]。

聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDADMAC）是近年来快速发展起来的一种有机型的阳离子絮凝剂量。这是国内、国外第一款可用于处理饮用水的有机型絮凝剂[4]。

站在传统工艺角度进行分析，加入了微生物型的絮凝剂在处理原水时，由于铁、铝离子并不会形成，因此可有效将原水净化，并有效杀灭细菌，提高处理水的工作率。

(2)助凝剂

在混凝时，助凝剂可起到一定的辅助作用。加入的目的在于可以有效加快沉降速度，如常见的助凝剂有活性炭、聚丙烯酰胺（PAM）、壳聚糖等。

通常水体含有很多有机污染物，如藻类等，因此混凝效果不佳，所以需要对水质进行改善，增加投入量就显得尤为重要。但这样有可能会造成铝等消毒之后所产生的产物超标，制水的成本也会明显增加。合理适当的投加助凝剂可以大幅度减少絮凝剂的使用量，从而在源头上降低了化学药剂在水中残留的几率。

在给水处理中，无论是低浊度水还是高浊度水，聚丙烯酰胺（PAM）都有应用。PAM本身无毒，对环境影响非常小，而且稳定、安全。但这并不是说没有毒性，PAM的聚合物会残留丙烯酰胺单体，且在生产中，还产生一些锶、铯、钴等有毒的重金属[5]。所以，应选用高纯度的PAM作为水处理剂。

式中：Nu为努赛尔数；Gr为格拉晓夫数；θz为腔体轴的倾角，本系统使用双轴跟踪聚光器，腔体轴倾角等于太阳高度角，只随季节而变；dcav为接收器腔体直径；dca为采光口直径。

高锰酸钾在除藻及藻臭，降低水的浊度和耗氧量等方面具有很好的效果。高锰酸钾的助凝作用非常好，如果可以和二氧化氯一起使用，助凝的作用还有进一步提升。加入高锰酸钾可使聚合氯化铝的投量减少25%。高锰酸钾的投加量应≤0.3mg/L。

(3)杀菌剂

一般来说可以使用物理、化学两种方法对饮用水进行消毒。物理法是运用物理，对细菌的凝聚进行破坏，或是可以让菌体蛋白发生变性，达到消毒饮用水目的。如可以使用超声波消毒等。而化学法是利用一些气态或是液态的化学药剂，渗透至细菌的体内，通过剧烈的氧化反应对细菌的菌体会发生一定的破坏作用，达到消毒目的，例如常用的氯化消毒等。

以药剂化学组成来划分，可分成氧化、非氧化的杀菌剂两大类。不同的杀菌剂其特点不同。由于氧化性杀菌剂会破坏反渗透膜表面的结构，所以，在反渗透系统之前投加非氧化性杀菌剂是唯一的选择。

氯气作为一直长期使用的饮用水杀菌剂在安全性等方面的负面作用越来越突出，从而广谱杀菌消毒剂二氧化氯作为新型饮用水杀菌剂脱颖而出。二氧化氯的杀菌作用是通过水中分解出来的氯气穿透细胞壁使蛋白质变性而实现的，其氧化性能是次氯酸的9倍，是氯气的27倍[6]。通常，环保型杀菌剂主要包括二氧化氯、异噻唑啉酮、季铵盐、溴类杀菌剂等。

在饮用水处理过程中，消毒属于最后一道工序，主要消除病原体。紫外线消毒不需投加化学药剂，不会残留毒副产物，不产生有害的衍生物，也不产生异味，是一种环保的消毒方法。当浊度低于3NTU时紫外线剂量的损失可以忽略不计[7]。通过增加前置过滤系统和按时清洗紫外灯管可以有效地保障紫外线的通透量，以便于更有效的杀灭病原体。

(4)阻垢剂

阻垢剂的类型非常多，通过对阻垢剂进行研究、划分，是根据其分子的官能团进行划分的，可分成天然、含磷、共聚物、绿色剂型阻垢剂四种不同的类型。目前经常使用的环保型的阻垢剂有很多不同类型，如马来酸酐阻垢剂等。当前水污染处理有越来越多选择，人们对于这类的阻垢剂要求也非常高，阻垢剂发展有两个特点，一是这种药剂都属于复合型的，二是单一药剂的无磷化和可降解性。复合型阻垢药剂比起单一型的药剂而言，在结构方面存在一定缺陷，可以使用药剂的使用量还可以提升药剂的性能[8]。近年来，人们遵循环境保护理念，积极开发环保型阻垢剂。

反渗透阻垢剂（或称分散剂）是一种常用的反渗透水处理药剂，添加在膜分离装置的前端，用于阻止膜的污堵与结垢。长期使用，能延长膜的清洗周期及使用寿命，提高产水质量及产水量。

众所周知，反渗透系统的给水部分，进入系统后有两个通路：一为反渗透膜表面变成产水，二为沿着表面可平行稳定，同时慢慢浓缩。水被浓缩后盐分大增，且还含有大量的有机物、病毒等。在浓缩的盐分中包括了易溶于水以及不溶于水的离子、化合物等。例如，碳酸氢根离子+钙离子，就会形成碳酸钙，而硫酸根离子+钙离子，则会形成硫酸钙。同时，镁、锶、钡离子等，浓缩后和有关离子会形成无法溶解于水的化合物。因此为了可以防止这些物质的形成，需要在反渗透水里添加酸，或是添加阻垢剂。阻垢剂在使用时通过少量的阻垢剂吸附到微晶体的表面从而防止微晶体的长大和沉积，也可以通过对不溶解于水的离子的分散作用来防止反渗透膜上水垢的形成。

3.结果和讨论

在实际应用过程中，通常是利用复合配方的水处理剂，或者综合利用不同种类的水处理剂。因此需要注意各组分不适合复配而产生对抗性，从而降低或者丧失效果，需要利用协同效应达到增效的目的。此外水处理系统是敞开的系统，具有一定排放量，使用过程中需要考虑不同净水水处理剂对于环境的负面影响。

目前，市场中有许多不同类型的水处理药剂，这些药剂起到的作用非常巨大。目前我们仍在不断探索新的药剂，尽可能向着低成本、无害可降的方向持续发展。例如现在大力开始的绿色水处理药剂，指的是在制造时注意其环保的作用，这样对于人体是没有伤害的，而且不会对环境产生污染，可有效降解水处理的药剂。目前常见的有天然和人工合成型两种，一种是天然高分子类型，如木质素、丹宁、淀粉等；一种是人工合成型，如聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸等。

不用或少用化学水处理药剂的清洁技术必将成为未来水处理厂工艺改革的主流方向。河床过滤与膜法结合的短流程工艺利用输水河床的地下过滤及生物氧化作用，去除了大部分微生物、微量有机物、重金属、营养盐、臭味等，使水质得到显著改善。在相应的水处理工艺中完全可以取消絮凝剂和助凝剂的使用。

在预处理和中间工艺阶段，杀菌剂的选择要成分低氯化、性能高效化和结构复合化。在饮用水成品水的最后一道杀菌工艺中，采用紫外线杀菌工艺可以减少化学药剂的投加量。若将紫外线杀菌工艺100%取代化学杀菌剂，则需要相关的法律法规在余氯指标及输水管网的要求上做出相应的调整。

4.结束语

本文分析了净水水处理剂在水处理过程中的必要性和对环境及人体健康构成的风险，对水处理工艺的选择和实际运营工作起到参考作用，要仔细选择和使用合适的化学品进行水处理，并密切监测处理过程，以确保实现预期的结果而不会造成意外后果。适当的对人员进行培训和设备维护以确保安全有效地使用化学处理方法也至关重要。建议尽量降低水处理剂的使用量，减少其本身造成的污染，提高整体水质，以确保环境友好和人体健康。