饮用水处理工艺技术的研究进展

饮用水的净化技术与工程设施，是从人类和水源污染及由此引起的疾病所做的长期斗争中产生和发展起来的。
1 前言
饮用水的净化技术与工程设施，是从人类和水源污染及由此引起的疾病所做的长期斗争中产生和发展起来的。
19世纪，欧美一些国家由于排出的污水、粪便和垃圾等使地表和地下水源受到污染，造成霍乱、痢疾、伤寒等水传染病的多次大规模的爆发和蔓延，夺去了成千上万人的生命。这些惨痛教训，导致了传统饮用水处理工艺的诞生。其代表处理流程是混凝→沉淀→过滤→投氯消毒，主要用以除去原水中的浊度和病原菌。
自20世纪60年代以来，随着工业和城市的迅速发展，饮用水源不仅受到越来越多的城市污水和工业废水等点污染源的污染，而且还受到更难控制的非点污染源的污染，给水中带来了难以或不能生物降解的有机物。面对越来越多的有机物，传统水处理工艺相形见拙，表现在：
(1)不能有效去除各种有机物。且氯化消毒产生的多种有机卤化物，比其先质毒性更大；
(2)水厂沉淀池、滤池滤料层的含泥量中有机物的溶出与迁移会带来有机物；
(3)为改进絮凝，提高滤池效率，保证杀菌效果的多点投氯，为氯与水中的有机物(如富里酸、腐殖酸)反应生成 THMs等消毒副产物创造了条件；
(4)自来水在冗长的输水管道及水塔、水箱等设施中，余氯与水中的有机物有时间进一步反应，又因为管网腐蚀、泄漏、接触污染，会生成更多的THMs，导致了二次污染。据北京市卫生防疫站的检测，由于二次污染，有15%的自来水超过饮用水标准。
新的挑战，导致了饮用水处理的第二次革命：不仅要除去浊度和病原菌，而且还要除去多种多样的有机和无机微量污染物。其处理途径概括为二：一是对氯化消毒副产物(DBP)的前驱物(THMFP)加以控制，从而减少 DBP的生成，如通过生物预处理法、臭氧-活性炭法、空气吹脱法等方法处理后再进行氯化消毒；二是对自来水进行深度净化，减少 DBP的含量，可采用的方法有：分质供水(管道或桶装)、多级蒸馏法、膜分离、离子交换、活性炭吸附等。
2 传统饮用水处理工艺的改进：
2.1 混凝
混凝工艺主要去除水中的悬浮颗粒、浊度和消毒副产物(DBPS)的前驱物质—天然有机物(NOM)。其效果与混凝药剂品种、投加量、pH值、搅拌程度、混凝剂和助凝剂投加顺序、原水特性等因素有关。快速剧烈的混合，利于混凝药剂扩散和水中胶体的脱稳。进入80年代，加强混合才成为给水界的共识，现常用的混合设备有：水力隔板混合、水泵混合、机械混合、静态混合器、混合池、槽等。在絮凝药剂投加控制和使用方面：我国的絮凝剂品种少、质量低，而在国外，用于原水调质的助凝剂较为普遍；在药剂的自动控制工艺方面：我国大部分水厂才处于起步阶段。
当水中有污染或污染较轻的情况下，可采用强化混凝或二次混凝达到预期效果。
2.2 沉淀
沉砂池去除污水中泥砂等粗大颗粒，有平流沉砂池和曝气沉砂池；沉淀池除去有机和无机可沉悬浮物和胶体混凝物。可分为平流沉淀池和斜管沉淀池，一般以斜管沉淀池性能为佳。
2.3 过滤
集常规过滤、颗粒活性炭吸附与生物膜氧化技术于一体的生物过滤，可有效去除水中氨氮、铁锰、有机物及浊度。，改善和提高了饮用水的生物稳定性和安全性，且运行可靠、投资省、运行费用低。但尚需解决：① 控制进入输配水管网的最大可生物降解有机物质(BOM)的浓度；② 生物过滤的最佳反冲洗标准；③ 非生物颗粒对生物膜性能可能产生的影响；④ 慢速生物降解有机物的去除机理与条件；⑤ 水中有机物与氨氮共存的情况下，氨氮对有机物降解的影响；铁、锰共存的情况下，铁的存在对除锰的影响。生物过滤替换传统过滤，是减少饮用水有机污染、提高饮用水的安全性与生物稳定性的客观需要。
2.4 消毒
(1)氯气消毒法除不能尽除水中有机物，易生成“三致"氯代物外，其产品水的味觉与嗅觉的不佳；由于长期使用，细菌产生了抗药性，使氯气的用量逐年增加。
(2)二氧化氯消毒技术：相对于臭氧和氯消毒，杀菌能力更强，剩余量更稳定，作用更持久，消毒后不产生有毒的三氯甲烷等氯化有机物，并能有效地控制出水的色度、嗅味，还可沉淀水中的铁、锰等，因此用量少、作用快、杀菌率高。但成本较氯高；不易压缩储存，只能在使用现场制造。常用于代替预氯处理或(混凝沉淀)前加氯，即作为第一次消毒及氧化。
(3)臭氧氧化技术：通过臭氧与其它消毒剂比较研究后得出以下结论：从消毒效果看，臭氧>二氧化氯>氯>氯胺。而从消毒后水的致突变性看则氯>氯胺>二氧化氯>臭氧。由此可显示出臭氧消毒的优点。国际上已普遍应用，特别是法国普及率很高。但由于臭氧对细菌有显著的后增长效果，因此近来人们注意将臭氧与其它净水技术结合使用：如臭氧一氯、臭氧-紫外线消毒、臭氧与生物活性炭(O3.BAC)等，能获得满意的杀菌效果。
(4)光氧化技术：利用在可见光或紫外光照射作用下，产生氧化能力极强的OH基，进行复杂反应，将有机物高效去除。光激发氧化技术是以O3、H2O2、O2和空气等作为氧化剂，将氧化剂的氧化作用和光化学辐射相结合，其氧化效果要比单独使用UV或O3、H2O2、O2好得多。
(5)光催化氧化技术：使用过渡金属氧化物TiO2等为代表的催化剂而进行的光敏氧化反应，产生的OH，具强氧化性、对分解作用对象无选择性及最终可使有机物完全矿化，耗氧速度不高、反应速率受水温变化影响较小、pH值变化对催化剂活性没有影响，但处理费用高，设备复杂，在经济上还只限于小水量规模的处理。催化剂的中毒情况和再生仍需研究，TiO2粉末颗粒细微、不便回收；光浪费严重；效率相对较低；缺乏残余消毒能力。
(6)超临界水氧化：利用水在超临界状态下能与有机物和氧气(空气)以任何比例互溶这种特殊性质，使水中有机物得以除去。
优点是：
(1)效率高，处理彻底
(2)反应速率快，反应器结构简单，体积小
(3)适用范围广
(4)不形成二次污染
(5)当有机物含量超过2%就可依靠反应过程中自身氧化放热来维持反应所需的温度。但尚需考虑设备的腐蚀、盐的沉淀、催化剂的使用及热量的传递等因素。
(7)湿式催化氧化法：在高温高压及催化剂存在条件下，空气中的氧气可以将有机物降解，其催化剂一般为贵金属，催化剂的失活与再生有待于进一步研究，高温、高压的反应条件对反应设备提出了特殊的要求。
(8)超声氧化法
(UltrasonicIrradiation，UI)能将THMs、氯酚、含氮酚完全或大部分氧化分解。超声氧化法与臭氧结合，能加速对大肠杆菌等细菌的杀菌作用，并且比单独使用O3节约用量50%。
(9)微波消毒：利用微波(1～120mm)热效应和非热效应及其它因素共同作用杀灭细菌，操作简单，能耗低，且不产生二次污染.
(10)高锰酸钾氧化：能有效去除水中的多种有机污染物；能显著控制氯化消毒副产物；用于预处理，可以破坏氯仿和四氯化碳的前驱物质，并有一定的色、嗅、味的去除效果。缺点是：对高分子量、高沸点有机污染物，去除效果很差；KMnO4投加量控制不当时会引起水的色度和浊度增加；另外，反应中生成MnO2产生了额外的污泥。
高锰酸钾与粒状活性炭联用，由于相互促进的协同作用，对原水表现出优良的去除效果。
(11)高铁酸钾氧化：通过其强烈的氧化作用，杀死了菌体，它集消毒、絮凝、氧化、吸附及助凝于一体，具有杀毒效果好、功能多、安全性好、应用广的优点，但高铁酸钾不稳定，难于制备。
(12)磁化消毒：利用磁场降解水中的污染物。其影响因素有：磁场力、水流流速、流体与磁体表面的接触面积、悬浮颗粒或絮凝体的粒径、悬浮颗粒的磁化率等。磁分离设备简单、易实现自动化、处理量大，不受自然温度的影响。用于水的杀菌消毒处理、不会产生有害的副产品、能同时净化多种污染、可处理矿化度较高的水源、可去除那些耐药性和毒性很强的病原微生物、细菌以及一些难降解的有机物等。通过投加磁种和混凝剂，可使各种性质的弱磁性微细颗粒甚至半胶体颗粒在高梯度磁场中能得到高效去除。但是，由于剩磁作用，被吸附的磁性颗粒难以被冲洗干净，影响着下一周期的工作效率。
(13)表面接触消毒技术：将消毒介质固定化，避免了对环境的二次污染；并可进行回收利用；但其流动性和分散性不佳。
(14)膜消毒技术：其中微滤(MF)，超滤(UF)，纳滤(NF)以及反渗透(RO)技术已经用到这个领域，可以将水中全部或大部分地细菌、病毒和其它微生物体隔离开来，避免了热源的产生。处理后的水质优良，不需要消耗化学药剂或仅需很少量的化学药剂，低能耗，低运行费用，消毒效果不受原水水质影响，出水水质稳定，其去除效率与膜材料、膜孔径、膜的负荷、料液的控制条件及操作条件有关，而膜的污染、堵塞、完整性、运行过程的控制和产品水的生物稳定性等问题有待解决。
(15)Fenton反应： Fenton反应对微量有机物的除去有显著效果，Fenton反应的优点是不需要特制的反应系统，也不分解产生新的有害物质，仅仅需要催化剂Fe2+。反应产物Fe3+对环境无害，而且Fe3+可以与OH-反应形成Fe(OH)3而沉淀出来。将Fenton试剂辅以紫外或可见光辐射，极大的提高了传统Fenton氧化反应的处理效果。
(16)电化学氧化
(ElectrochemicalOxidation)：通过电极产生具有灭菌作用的活性物质以及水分子在电流作用下形成电子活化水，二者协同作用达到杀菌的效果。灭菌效果与电流密度、电极类型及灭菌时间有关。优点在于，整个过程仅需要电流作用，且反应在室温条件下即可进行。缺点是当水中溶解物质浓度太低时，反应较慢；电极材料较昂贵。在欧洲，电化学氧化法在水的消毒和有害废弃物的处理等方面有越来越多的应用。
(17)凝效果，与水完全混溶，避免了溶解度的限制或排出泵产生气栓；无二次污染；氧化选择性高。缺点是：氧化作用往往不彻底，过程中生成的小分子有机物更容易生成THMs。一般很少单独使用，而是与其它消毒剂联合采用。
(18)生物活性碳技术：是物理吸附和生物降解的简单组合。吸附饱和的生物活性碳在不需要再生的情况下，可利用其生物降解能力，继续发挥控制污染物的作用，与原先单独使用活性碳吸附工艺相比，出水水质得到提高，也增加了水中溶解性有机物的去除，从而降低了氯化时的Cl2投加量，降低了CHCl3的生成量，而且延长了活性碳的再生周期，减少运行费用。
(19)饮用水的消毒技术近年来得到了长足的发展，各种新技术的问世，给人们带来了新的希望，可是由于价格、性能或产品水生物稳定性等方面的制约，这些新技术还不能替代氯消毒。
2.5 深度处理工艺
深度处理通常是指在常规处理工艺以后，采用适当的处理方法，将常规处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮用水质。显而易见，较之传统工艺，深度处理成本大，代价高。深度处理国外应用较为普遍，我国尚处于起步阶段，大部分老水厂均未采用深度处理，只是部分新水厂采用了活性炭吸附处理。常见深度处理技术还有：化学氧化、空气搅拌、生物法、膜技术及新型合成吸附剂等。
粒状活性炭吸附法能有效地去除水中有机污染物，但对重金属离子的去除能力有限。
化学氧化法与光化学氧化法也只对水中有机污染物有效。
纳滤、超滤、微滤能有效地去除水中悬浮物、胶体、大分子有机物、细菌与病毒，但不能去除水中的小分子有机物。
反渗透系统能够有效地去除水中的重金属离子、有机污染物、细菌与病毒，并能将对人体有益的微量元素、矿物质(如钙、磷、镁、铁、碘等)一并去除干净。
吹脱技术能有效去除挥发性有机物，但对难挥发性有机物去除效果很差.用于去除水中低浓度挥发性的有机物，去除效果随温度的升高而增加.在饮用水深度处理中，吹脱法费用低，约为活性碳运行费用的1/2～1/4。
3 结束语
水环境的恶化、需水量的增长、海水等成为饮用水的待用水源、环境危机、能源危机、可持续性发展的理念、以及人们对优质健康饮用水的渴求等因素，都对饮用水处理技术提出了新的要求。面对资源性缺水、水质性缺水、生活污水以及供水水质的变化等不同情况，如何合理净化污水，如何采用适当加工方法，去除水中的矿物质、有机成分、有害杂质及微生物等，同时又在一定程度上保留了人体健康所必须的各种微量元素和矿物质，获得没有任何添加物(臭氧除外)可以直接饮用的水，正是饮用水处理技术的目的所在。
近年来，传统饮用水处理技术的改进和深度处理的迅猛发展，使优质饮用水成为可能，但在考虑到处理效果是否良好，能否引起二次污染，是否具有残余消毒能力，价格是否低廉等因素时，往往不能获得满意效果，将现有工艺组合(如臭氧-紫外线消毒、高锰酸钾与粒状活性炭联用等)，扬长避短，得到洁净、高效、价廉的工艺，是今后饮用水处理的方向所在。