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1、饮用水生物安全性与城市水处理工艺发展李星1，杨艳玲1，李圭白2(1北京工业大学建筑工程学院，北京，100124；2哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨，150090)摘要：本文从饮用水的最关键和最重要的方面一生物安全性出发，介绍了不同时期饮用水处理工艺可能解决的主要生物安全性问题以及新出现的生物安全性问题，表明超滤技术是去除微生物的最佳方法，可以几乎完全截留水蚤、红虫、藻类等原生动物，以及细菌甚至病毒在内的致病微生物，是今后最有发展前途的处理技术。以超滤为核心技术的组合工艺在保障饮用水生物安全性前提下，还可以有效去除浊度、天然有机物、微量有机污染物、臭味、藻毒素等多种污染物质，可以作为新一代
2、城市饮用水净化技术。关键词：饮用水，生物安全性，致病微生物，超滤一、前言饮用水的生物安全性，是饮水安全最重要和首要必须保证的。因为一但饮水的生物安全性得不到保证，就会引起水介疾病的暴发，给广大人民的生命和健康造成重大损失。过去城市居民饮用水卫生安全性得不到保障，致使水介烈性细菌性传染病(如霍乱、痢疾、伤寒等)流行，对人们生命健康危害极大：这是人类社会面临的饮用水的第一个重大生物安全性问题。20世纪初，研发出了混凝沉淀一过滤一氯消毒净水工艺，即常规饮用水净化工艺。常规处理工艺基本使水介烈性传染病的流行得到有效控制，使水的生物安全性得到极大提高，对人类社会的发展做出了重大贡献。20世纪中叶，发现城
3、市水介病毒性传染病(如甲型肝炎、小儿脊椎灰质炎等)的流行。这是人类社会面临的又一个重大饮用水生物安全性问题。研究表明，水中的病毒浓度与水的浊度有关。只要处理工艺出水的浊度降至05NTU以下，再经氯消毒，就可以控制病毒性传染病的流行，使饮用水的生物安全性得到提高，从而使“浊度”受到极大关注。“浊度”不再仅仅是一项感观性水质指标，而与水的生物安全性密切相关。在美国已将浊度列为微生物学的水质指标之一。由于需要获得尽量低的出水浊度，对常规处理工艺提出了更高的要求，这大大推动了水处理工艺技术的发展。20世纪70年代，由于水环境污染，在城市饮用水中发现了种类众多的对人体有毒害的微量有机污染物和氯化消毒副产
4、物，而常规工艺又不能对其有效地去除和控制，由此发展出了预处理工艺和深度处理工艺等，使水中作为氯化消毒副产物前质的天然有机物和微量有机污染物得到有效去除，大大提高了饮用水的化学安全性。但是在深度处理工艺的应用也存在很多问题，当水中含有溴化物时，臭氧氧化能生成溴酸盐等对人体有严重毒害作用的氧化副产物，无法保障水的化学安全性。此外，颗粒活性炭出水中细菌含量显著增多，且有的细菌抗氯性增强，出水含有的细微炭粒对微生物起到保护作用，会对后续消毒效果产生不利影响。还有报导，在颗料活性炭层出水中，发现剑水蚤、红虫等生物增多，使水的生物安全性降低了。20世纪末，由于水环境污染的加剧，以及水质检测技术的发展，又发
5、现了许多新的水质问题，特别是许多重大生物安全性问题，如贾第虫和隐孢子虫(两虫)问题，水蚤、红虫问题，藻类污染加剧及臭味、藻毒素问题，水的生物稳定性问题等，而现有处理工艺又不能非常有效地解决这些问题，所以有待于研发出更安全更有效的城市饮用水处理工艺。二、新的生物安全性问题近些年来，世界磊地不断出现饮用水水介疾病，同时随着检测和分析技术的快速发展，新的生物安全性问题才不断被发现和重视起来。贾第鞭毛虫是一种对人类致病的原生动物，饮用水传播是最主要的途径。贾第虫包囊为卵圆形，长812um，宽71um。这样尺寸的颗粒物质在常规处理工艺中能够被混凝沉淀和过滤除去。但是，当水处理工艺非正常运行时(如欠投药、
6、过滤事故等)，包囊便能穿透滤层进入清水池。贾第虫包囊具有比较强的抗氯性，正常消毒剂量的氯难于将之杀灭，使之进入输配水管道危及人体。流行性贾第虫病在美、英、苏、瑞典等国家都有报导。贾第虫包囊的致病性很强，所以新饮用水水质标准中规定贾第虫包囊含量应低于1个10升。隐孢子虫传染的主要途径也是饮用水，其卵囊为球形，尺寸为4-61am。卵囊一般可通过混凝、沉淀和过滤过程除去，但水处理工艺运行不正常时同样可穿透滤层。卵囊也具有很强的抗氯性，在消毒过程中难于被杀灭，可经饮用水进入人体。据报道，有26个国家发现存在隐孢子虫感染，发达国家流行率为O6-20，发展中国家达4-20。隐孢子虫卵囊的致病性很强，所以新
7、饮用水水质标准中规定卵囊含量应低于1个10升。贾第鞭毛虫和隐孢子虫习惯上统称为“两虫”，是上世纪后期新发现的致病微生物。“两虫”病在上世纪曾出现过大规模暴发，有一次暴发感染人数达二十多万，所以是新出现的重大生物安全性问题。剑水蚤是一种水生甲壳类动物，尺寸12mm，以藻类等为食。藻类大量繁殖可导致剑水蚤数量大量增加。剑水蚤是致病的麦地那拉线虫的宿主，活动能力很强，有的能穿透滤层；其抗氯性很强，常规消毒难于杀灭，若饮用含有剑水蚤的饮用水，就可能受到感染。由于水源水体的营养化，导致水中藻类大量繁殖，特别是蓝绿藻，对水的生物安全性有很大影响。蓝绿藻中有些种类能产生藻毒素，主要有淡水中的微囊藻属、颤藻属
8、和鱼腥藻属，以及含盐水中的节球藻属产生的肝毒素；由鱼腥藻属、颤藻属、含珠藻属、柱孢藻属和柬绿藻属中的某些种类产生的神经毒素；由多种藻类产生的脂多糖毒素等，会对人体健康造成很大危害。所以，蓝绿藻大量繁殖，是一个重大的生物安全性问题。此外，藻类大量繁殖还会产生臭味，藻体穿透滤层使水中有机物增多，造成出水水质下降。近年来发现，微生物指标合格的水厂出厂水，在输送和贮存过程中有微生物增殖现象，这样的水被认为是不具有生物稳定性的水。水中的微生物愈多，水的生物安全性便愈低。出厂的饮用水在输配和贮存过程中出微生物增殖现象，表明水的生物安全性在逐渐降低，这也是一个重大生物安全性问题。这是由于现行饮用水卫生标准提
9、出的微生物学指标，主要是针对水介烈性细菌性传染病。水介烈性传染病菌只适宜于在人的肠胃中繁殖，一旦被排出体外，就会随着时间逐渐失活，不会在饮用水的输配和贮存过程中增殖。现在饮用水微生物学指标中有一项“细菌总数”，一般lmL水中不超过1OOCFU，就认为饮用水是安全的。但是据研究，这些细菌中包括许多条件致病菌，即这些细菌对某些敏感人群是可以致病的，例如军团菌属、气单胞菌属、铜绿假单胞菌、分枝杆菌属等。所以，符合现行饮用水微生物学标准的饮用水的生物安全性只是相对的。上述的条件致病菌在水输配和贮存过程中，如果条件适宜，就能进行繁殖，使其在水中的浓度增大，从而使致病的可能性也增大，即水的生物安全性将随之
10、降低。此外，饮用水中的这些微生物中，尚存在未被发现的致病因子。有的资料表明，美国每年暴发的若干水介流行病中，约有一半未找出致病原因，说明仍有新的致病因子未被发现。军团菌属就是于20世纪末由于暴发了军团病才被发现的新致病因子。所以，水不具有生物稳定性，无疑会使饮用水的生物安全性下降，这已成为业界关注的一个热点。现在的水质标准和指标、水质分析检测技术、生物检测技术等还不足以全面地了解和掌握水中致病微生物种类和变化情况，现有的饮用水处理工艺还不能保证对这些微生物完全去除，也不能保障饮用水的生物安全性，亟待发展和采用新的饮用水处理技术和工艺。三、膜过滤与饮用水的生物安全性近些年来，膜滤技术得到了快速发
11、展和广泛应用，现在已能生产出任意孔径的膜材料，只要采用一定孔径的膜材料，就能将小于该孔径的各种颗粒物截留除去。一般来说，各种致病微生物的粒径都在几十纳米到几百微米之间，其中病毒为二十纳米至数百纳米，细菌为数百纳米至数微米，原生动物为数微米至数十微米，藻类为数微米至数百微米。因此选择合适的膜材料，就能将所有的致病微生物截留，可见水中的致病微生物有可能被膜滤法完全去除。一般可用于城市饮用水处理的膜材料有纳滤膜、超滤膜和微滤膜。纳滤膜的孔径为1纳米左右，超滤膜的孔径为数纳米，这两种膜都能将水中的微生物几乎全部去除，是最有效的去除水中微生物的方法，可以使饮用水的生物安全性得到极大提高微滤膜的孔径为数百
12、纳米，不能充分截留去除病毒和细菌，不如超滤膜有效。目前在我国选择超滤膜用于去除水中微生物以提高饮用水的生物安全性是比较经济、合理的。水中绝大多数微生物个体表面都带有负电荷，经过混凝过程都可以与其他胶体等形成絮凝体颗粒，在沉淀和过滤过程中得以去除。另外，细菌、病毒等大多吸附在胶体等颗粒表面，以游离状态存在的很少，因此颗粒物质的有效去除也意味着致病微生物的有效去除。超滤出水浊度可以达到01NTU以下的极低水平，这也表明水中微生物也被有效去除。超滤一般几乎能完全去除包括水蚤、藻类、红虫等原生动物，以及细菌甚至病毒在内的微生物。超滤出水的微生物学指标一般已能达到新饮用水水质卫生标准的要求，所以对超滤出
13、水的消毒，主要不是灭活水中的致病微生物，而是使水在输配和贮存过程中具有持久的消毒能力。与化学法去除水中微生物相比，超滤法具有绿色工艺的特点。超滤完全是物理机械截留作用，一般不需向水中投加任何化学药物，不会对水质形成二次污染。过去膜滤一直没有用于大型城市自来水厂，主要是因为膜组件价格昂贵。随着膜材料制造技术的快速发展，膜性能在不断提高，膜价格在逐步降低。目前，膜滤在城市自来水应用规模愈来愈大，将是饮用水净化工艺发展主要方向之一。四、新一代城市饮用水处理工艺一以超滤为核心技术的组合工艺采用超滤将使城市饮用水净化工艺产生重大变革。但是，近些年饮用水水源受到各种污染，除去其它污染物也是超滤技术所面临的
14、技术和应用问题。与超滤其它处理技术的组合，可以保障超滤技术的有效应用，也可以去除更多种类的污染物，全面提高和改善饮用水水质。我国绝大多数城市以河水为水源，原水浊度在数十NTU到数百(甚至上千)NTU间变化。当原水浊度较高时，会使超滤膜的过滤周期缩短，冲洗水量增大，可在超滤膜前增设混凝沉淀处理单元。将混凝沉淀单元作为超滤的预处理工艺，将大大拓展超滤对原水浊度的适用范围。试验研究表明，原水投加混凝剂进行微絮凝，再进行超滤，有利于超滤通量的提高。超滤能去除部分天然大分子有机物，对水中中、小分子有机物，特别微量有机污染物的去除效果较差。对于受污染原水，需在膜前增设去除有机物的处理单元。强化混凝能提高对
15、天然有机物的去除效果：预氧化剂和助凝剂能使混凝对天然有机物的去除效果得到提高；臭氧、高锰酸钾及其复合剂预氧化能显著提高去除水中微量有机污染物的效果。在水质生物稳定性方面，工艺中可以设置生物活性炭处理单元，所以对水中包括AOC和BDOE在内的有机物应有很好的去除率。此外，由于生物粉末炭上有很高浓度的生物量，特别是粉末活性炭投加量、粉末炭在反应器中停留时间、生成的生物膜浓度和性质、曝气量和曝气方法、去除有机物的种类等等，都是可以调节和优化，有可能获得生物稳定性更高的出水。采用粉末活性炭能充分发挥其吸附容量，并且在炭表面还能生长生物膜，发挥生物降解作用，构成高效的超滤膜生物粉末活性炭反应器。由于后续
16、有超滤膜，所以不会出现微生物和活性炭泄露现象，很好地解决了常规深度处理工艺的问题。由此形成以超滤为核心技术的组合工艺，也称为第三代城市饮用水净化工艺。该工艺是针对于我国城市大多数的受微污染水体为水源的，工艺组成如下图l所示。上述以超滤为核心技术的组合工艺为特征的新一代城市饮用水净化工艺，还具有以下特点：活性炭单元设置在超滤之前，超滤可将活性炭出水中的微生物和水生生物以及活性炭微粒全部截留，充分保障了出水的生物安全性；组合工艺对于水中的致病微生物和水生生物、浊质、有机污染物等都具有多级屏障功能，使其含量得到逐级削减，减少超滤的负荷，增加处理的可靠性和安全性；采用的多种处理单元之间多具有互补性和协同效应，使处理过程整体得到优化，一定程度降低了处理费用。新的国家标准生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)已开始执行，而我国绝大部分城镇水厂仍采用常规处理工艺，出水水质达不到新国标的要求，所以水厂的处理
