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1、给水处理工艺发展简述1刘文君清华大学环境科学与工程系，北京1000841给水处理工艺发展简述常规处理、臭氧活性炭深度处理和膜处理可以称为饮用水净化的第一代、 第二代和第三代的净水技术。常规处理通常由混凝、沉淀、过滤和消毒组成，最 早于十九世纪在欧洲开始得到应用，到二十世纪在全世界得到十分广泛的应用， 目前仍然是全世界的主流饮用水净化工艺，其主要去除对象为水中悬浮物、胶体 物、和部分大分子有机物、并杀灭水中绝大部分细菌和病毒，保证饮用水的基本 安全性。因常规处理工艺的应用对控制水媒传染病的爆发、保障人体健康和公共 安全作出的杰出贡献，美国工程院于2004年评选20世纪对人类生活贡献最大的 二十项
2、重大科技成果时将饮用水的常规净化工艺列在第四位（前三位分别为；电、 汽车和飞机）。但自二十世纪六十年代后世界各国随工业的发展，水源水普遍受到有机物 的污染，主要是小分子、溶解性的合成有机物、包括农药、杀虫剂、除草剂、各 种添加剂、内分泌干扰素等，七十年代又发现氯消毒时能与有机物反应生成对人 体健康有害的消毒副产物，而常规处理工艺对这些有机物基本无去除能力，因此 饮用水水质对人体健康的影响受到极大的关注，迫使人们寻求新的饮用水净化技 术，以弥补常规处理工艺的不足，在这种背景下，臭氧活性炭处理技术被开发并 在欧洲得到较多应用。因此臭氧活性炭可以称为第二代的饮用水净化技术。各国水处理工作者一致发现，
3、活性炭吸附是从水中去除多种有机物的“最 佳实用技术”，可有效地去除嗅、味、色度、氯化有机物、农药、放射性污染物 及其它人工合成有机物。水处理中颗粒活性炭（GAC）使用较多，并已发展为球 形活性炭、浸透型活性炭、高分子涂层活性炭等多种类型。用活性炭做吸附剂去 除水中污染物，虽能取得良好的效果，但其价格较贵，对大部分极性短链含氧有1本文得到李圭白院士，王占生教授和郄燕秋教授级高工的帮助和指导 机物，如甲醇、乙醇、甲醛、丙酮、甲酸等不能去除，而且活性炭在应用一定的 周期后其吸附能力丧失，需要再生后才能重新应用，因此单纯活性炭的应用受到 很大局限臭氧（03）是应用最广泛的新型氧化剂。作为深度处理臭氧与
4、活性炭联用有 以下优势：（1）臭氧氧化能力较强，可以将大分子有机物分解成小分子有机物， 从而增加后续活性炭对有机物的吸附能力；（2）臭氧分解为氧气后增加了水中溶 解氧浓度，加上臭氧氧化有机物后水中可生物利用有机物增加，有利于活性炭上 微生物的生长，因此活性炭变成生物活性炭，利用活性炭上微生物对有机物的降 解作用，提高了对有机物的去除效率的效率和活性炭的使用周期；（3）臭氧消毒 反应迅速，杀菌效率高；（4）臭氧活性炭能够减少水中氯代消毒副产物的生成量。但臭氧活性炭的应用在二十一世纪受到新的挑战，主要原因有：（1）臭氧化副产物问题。采用臭氧氧化工艺，将产生一些臭氧化副产物， 主要可分为两类：一类是
5、漠酸盐和次漠酸盐，其中漠酸盐具有强致癌性，我国， 美国、欧洲、日本和世界卫生组织等均将饮用水中漠酸盐控制标准定为10pg/L。 2006年1月4日颁布、3月6日正式生效的美国新的消毒剂/消毒副产物法（D/DBP rule）规定漠酸盐的目标控制值是0pg/L。如果原水中含有一定浓度的漠离子， 则有导致臭氧化后的水中产生漠酸盐的风险。其次，次漠酸盐是漠仿和漠化有机 物的前驱物，而漠代消毒副产物也是饮用水标准严格限制的。另一类是臭氧化有 机物后产生的小分子有机物，如醛类、脂肪酸、羧酸、酮类、AOC等，这些有机 物有些具有较强的生物毒性，不过在经过生物活性炭处理后，由于活性炭的吸附 作用和生物降解作用
6、，可在一定程度上将这些有机物分解。（2）生物安全性问题。臭氧生物活性炭工艺在活性炭上会生长大量的微生 物，这些微生物将对炭滤后出水水质产生影响。1）这些微生物会产生一些胞外 分泌物，其中一些胞外分泌物可能具有一定的生物毒性；2）这些微生物会穿透 活性炭床进入到出水中去，而且由于这些微生物已经经过了臭氧消毒工艺后存活 下来的，对消毒剂一般具有更强的耐受能力，不容易被杀灭；3）进入到出水中 的微生物往往被包裹在细微颗粒之中，因此很难接触到消毒剂。这些都造成了后 续消毒工艺的困难。此外在南方城市已经发现臭氧生物活性炭工艺出水中出现了 较多的藻类，如剑水藻等，这些藻类一方面影响了水的感观指标，另一方面
7、也可 能出现一些有生物毒性的藻类或藻毒素。（3）氧化藻类分泌藻毒素的问题。在原水藻类较多的情况下，臭氧能氧化 藻类，使原来包裹在藻细胞内的胞内毒素释放出来，水中藻毒素增加。因此出于对饮用水水质安全的综合考虑，臭氧在饮用水净化中的应用已经 在美国、欧洲、日本等发达国家受到了一定的限制。在中国的实际应用中还有设 备购买与维护，气源管理与安全等问题。膜技术最早的研究起源于二十世纪五十年代，真正大规模应用在二十世纪 九十年代中期开始，并在二十一世纪得到快速增长。膜技术被美国EPA推荐为最 佳工艺之一，日本则把膜技术作为21世纪水处理的基本技术，并实施国家攻关 项目“21世纪水处理膜研究（MAC21）”
8、专门开发膜净水系统。因此膜技术可以 称为第三代的饮用水净化技术。膜过滤是用天然或人工合成高分子有机薄膜或者 无机陶瓷膜做介质，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分溶液进 行过滤分离、分级提纯和富集的物理处理方法。目前常见的膜法有：微滤、超 滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透蒸发、液膜等。从膜滤法的功能上看，反渗透 能有效的去除水中的农药、表面活性剂、消毒副产物、THMs、腐殖酸和色度等。 纳滤膜用于分子量在300以上的有机物去除。超滤通常孔径为0.01或0.04微米， 能去除分子量大于1000以上的有机物、微生物（包括两虫、细菌和病毒），微滤 通常孔径比超滤要大，因此过滤效率不如超滤。因
9、为两虫（隐孢子虫和贾第虫） 具有抗氯性，是目前饮用水处理中倍受关注的致病微生物，因此超滤对两虫的去 除可以有效保证饮用水的微生物学安全性。同时超滤可以充分保证浊度物质的去 除，解决目前常规处理对浊度去除不充分的问题，而且超滤可以大大减少占地面 积，节约土地资源。因此合考虑技术特点和成本因素，目前超滤是饮用水净化中 的主流技术。但膜技术也有缺点，超滤是纯物理截留作用，对低分子有机物不能去除， 因此必须与活性炭结合，发挥各自的优势，才能提高整个处理工艺对有机物的处 理效率。膜处理的成本问题、使用经验问题和膜污染的控制问题等仍然备受关注。 但近几年膜处理的成本已经大幅度下降，与常规工艺已经具有可比性
10、。随着膜技 术的发展和研究的不断深入，不久的将来，膜技术在饮用水净化中的应用一定会 得到大力推广。2深度处理工艺的必要性。水质标准的不断提高、水源水质的不断恶化和常规处理工艺的局限性决定 了饮用水新的净化工艺必须包括深度处理工艺。我国目前执行的国家水质标准生活饮用水卫生规范(GB5749-85)是1985 年前定的，当时只规定了 35项水质项目，迄今为止尚无新的国家标准颁布。但 与发达国际相比，我国现行的饮用水水质标准已经大大落后，也不适应现在水源 水质状况化和供水技术的进步要求，新的国家饮用水水质标准的出台势在必行。我国卫生部于2001年以生活饮用水卫生规范名义颁布了水质检验项目， 其中常规
11、检验项目34项，非常规检验项目62项。2005年我国建设部颁布了城 市供水水质标准(CJ/T206-2005)，于2005年6月1日实施。遵循不低于卫生 部的标准并尽量与之协调的原则，该标准规定常规检验40余项，非常规检验60 余项。目前新的国家饮用水水质标准生活饮用水卫生标准(5749 2006)报批 稿正在公示中，有望很快正式批准生效。该标准总共规定水质指标106项，因此 现有饮用水处理工艺将面临严重挑战。实际上国家的水质标准只是及格标准，是各水司必须达到的最低标准，各 供水企业可以而且应该有更严格的标准。如美国规定浊度为1NTU，但实际上美 国的饮用水浊度大多数在0.1NTU以下。水质项目耗氧量是针对我国原水有机物污染较普遍、较严重的现状进行总 量控制所必须的，因为检测众多的单个有机物目前尚为困难，但有机污染量微， 却对健康有着潜在的威胁，随着时间的推移，在人体中积累到一定程度就会对健 康有不利影响，况且人们对有机污染物的危害还有漫长的认识过程，今后有关有 机污染物的水质项目还会增加、浓度限值会更加严格，因此少摄入总比多摄入好。 常规地表水处理工艺对有机污染去除有限，为了保证饮用水CODM3mg/L的要求 必将采用深度处理。
