我国饮用水质量现状及对策

吴馨源

(北京交通大学附属中学，北京 100081)

1 饮用水水质现状

“民以食为天，食以水为先”，水是生命的源泉和保障。随着人口的增多和社会的发展，安全洁净的饮用水成为我们的必需品。遗憾的是，目前全世界有半数以上的国家和地区缺乏干净的饮用水，而有限的水资源又面临各种污染的威胁。特别是第三世界国家，目前约17亿人喝不上清洁的水。我国水资源总量较丰富，全年总量约为32466亿m3[1]，在全球水资源中约占6%，位于巴西、加拿大和俄罗斯之后，居全球第四位。然而，就人均水资源而言我国的水资源却相当贫乏，仅人均2300 m3，且严重分布不均。同时，中国的用水量是世界上最多的，全国总用水量达到6040亿m3[1]，约占全球年用量的13%。目前，我国饮用水水质明显低于发达国家，水龙头中偶尔还会散发出难闻的味道，时而浑浊，更有甚者水龙头中会流出虫子，饮用水的质量令人担忧。究其原因，一方面是由于我国多数水源的原水水质相对较差，污染严重，水中浊度、色度及有机物、重金属离子浓度偏高；另一方面则源于水厂的水处理工艺，我国大多数自来水厂依然采用混凝-沉淀-过滤-液氯消毒等传统工艺(图1)，对重金属、有机污染物的去除效率有限，在水资源紧缺的大背景下不得不取水于水质渐趋恶化的水源，因此新饮用水标准(GB5749-2006)成为一个较难达到的标准。此外，输水管道中还会存在二次污染，同样会导致饮用水质量的下降。据世界卫生组织调查结果，人类疾病的80%跟水污染有联系，因而对饮用水进行深度处理，提升饮用水质量刻不容缓。

图1 常规水处理工艺路线

2 饮用水深度处理技术

相对于常规水处理技术，深度水处理技术是指经传统工艺处理后采用适当的技术手段除掉传统工艺水处理难以去除的以及在输送过程中产生的重金属、有机污染物[2]。目前深度水处理技术有很多种，研究报道较多的有氧化法[3]、生物预处理、吸附法[4]、膜法及光催化法[5]等。

生物预处理技术主要通过接触氧化实现净水目的[6]，常用于微污染水的处理。当原水与生物膜接触发生作用时，水中的污染物如氨氮、铁、锰和有机物等氧化和转化而净化水质[7]，是传统饮用水处理方法的重要补充。近年来，生物预处理法逐渐引起了国内外重视，在该方面取得了很多有意义的理论和应用研究成果。但这种方法对水工艺净化技术要求很高，目前还不很成熟，且对三卤甲烷等污染物的去除率较低。

氧化法常用于水的深度处理中。其中，氯气、臭氧、二氧化氯等氧化剂是目前最常用的氧化药剂，常用于水厂的杀菌消毒[8-9]。由于氯化消毒过程产生的副产物可能致癌，引起了人们的关注，臭氧氧化消毒逐渐被人们重视[3,10]。臭氧可用于水处理工艺的多个环节，目的在于通过其强氧化性将水中有机污染物去除。而且可以有效控制三氯甲烷这种致癌物质的生成量。目前在欧美各主要城市早已普及自来水的臭氧氧化消毒处理技术。但臭氧氧化法也不是完美无瑕的，它的主要缺点在于基建和运行成本较高，臭氧往往需要现场制备从而不利于设备运行和维护；此外且臭氧脱除低浓度有机物效果有限。臭氧氧化有机物过程产生的过氢氧化物、环氧衍生物等中间产物的毒性和对人体健康的危害尚待深入研究。臭氧氧化会使水中的可降解物质增多，出水水质稳定性下降，因此臭氧氧化很少单独使用，常与吸附法等联用[3,11]。二氧化氯(ClO2)作为一种氧化剂，其氧化性介于氯气和臭氧之间，除了在除臭、消毒、除铁锰、杀菌效果好、性价比高等特点之外，还能抑制卤代烃的形成，在水处理研究和应用中受到重视。美国印第安那州Evansville 城水厂采用常规凝聚沉淀、过滤后，经液氯消毒处理的出水中的三氯甲烷超标，采用二氧化氯ClO2消毒的出水与原水中的三氯甲烷含量基本相同，说明ClO2消毒并没有引起三氯甲烷浓度的提高[12-13]。然而，水中原有的有机物可以将ClO2大量转变为ClO3-、ClO2-，这些物质对人体红血细胞会造成损害，并干扰碘的吸收代谢和升高血液胆固醇，从而限制了ClO2法的大面积推广应用。

活性碳是吸附法中最常用的水处理吸附剂，这种吸附剂原料来源广，而且比表面积高、吸附量大、能吸附除掉水中多数有机物，其脱色除臭和对毒性物质的去除效果良好，所以这种吸附剂应用广泛。但活性碳对极性短链含氧有机物、卤代烃等物质的脱除效果不好，宜与臭氧氧化等方法联用。

膜法在水处理中的研究与应用源于二十世纪六、七十年代，也是一种深度水处理的高级手段，主要包括微滤、超滤、纳滤、反渗透等技术，可有效去除臭味、消毒副产物前体、有色物质、微生物等[14]。为提高使用寿命，膜法对被处理水的要求较高，高昂的投资及运行成本是阻碍膜法大量应用的主因。尽管超滤操作压力相对较低但很难去除小分子有机物、反渗透和纳滤处理过程的浓缩液需要进行后处理，这些都是制约其大规模应用的瓶颈性难题。

光催化法是指有机物在紫外或可见光的作用下，将无机物氧化成为水、二氧化碳和微小离子的过程。光催化分解包括直接光解和间接光解两大类。在利用光催化降解有机废水的过程中，所采用的光源主要为紫外光。在紫外光和光催化剂的作用下，可激发水中的溶解氧产生高活性的激发态氧原子，这种物质可与有机物发生自由基反应从而降解有机物，可通过这种氧化作用破坏芳香族类化合物、酚类物质等难生化降解物质。紫外光处理难以独立将有机物完全氧化，往往起到调质作用，通过与生化降解等技术的联用可大幅改善有机废水处理效果。

3 活性碳纤维在饮用水深度处理中的应用展望

活性碳纤维(Activated carbon fiber，简称ACF)为纤维状活性碳，是继粉状、粒状活性碳后于上世纪七十年代发展起来的第三代新型碳材料[4]，主要通过物理活化或化学活化方法制备。活性碳纤维的直径一般在10～13 μm，具有比表面大、微孔丰富且分布窄、易与吸附质接触、扩散阻力小等特点[4,15]，故吸、脱附速率快，利于吸附分离。目前ACF已广泛应用于电子工业、化学工业、辐射防护、环境保护、食品、医用、卫生等方面[15-16]，且越来越受到人们的重视。

ACF与传统颗粒状或粉状的活性碳比较，具有以下特点[4,6]：(1)ACF直径小，接触面积大，吸附效率高；(2)吸附容量大、吸脱附速率快，可快速吸附低浓度废气或高活性的有机物；(3)孔径分布窄，且以微孔为主。可通过调整工艺参数使其孔径大小与被吸附物质的分子尺寸相匹配，从而达到高效分离的目的；(4)体积密度小、扩散阻力小、动力消耗少，可以吸附粘度较大的液体物质；(5)吸附层薄、漏损小，可制成轻小型设备；(6)强度高、不易粉化，不易造成二次污染；(7)纯度高、杂质少，可用于食品、卫生医疗行业；(8)可以根据实际需要加工成布、毡、纸等多种形式以及圆筒蜂窝状，具有适应性强、操作简便安全、节能经济等特点。

图2 活性碳纤维水深度处理工艺路线

ACF孔隙结构发达，表面有大量的官能团，机械强度和良好的形态使其不易粉碎，且流体压损小，填充层不易堵塞，易再生。近年来国内外相继开展了活性碳纤维饮用水深度处理研究，且多与臭氧氧化等联合使用(图2)。以活性碳纤维为核心材料制造的饮用水净化装置不仅净化效率高，而且处理量大，装置紧凑，效费比高。活性碳纤维水质净化与现在纯净水生产中常用的膜分离工艺相比，活性碳纤维不需高压，滤阻小，能耗和水耗低。活性碳纤维的一大优势在于结构易于调控。针对微污染水中有机物浓度低而含有部分用其他方法难以去除重金属离子这一特点，利用适当的活化方法和改性方法可以制出比表面积高、孔径分布窄、吸附量大、吸脱附效率高的ACF[4]，从而达到利用ACF高效去除重金属和有机物质之效。

总之，由于水质复杂多变，传统工艺的混凝、沉降、过滤等技术已难以满足人们对饮用水质量的要求，需要大面积推广吸附、臭氧氧化等深度水处理技术。同时，饮用水处理技术正向多技术联合的方向发展，将活性碳纤维吸附催化功能与臭氧氧化杀菌功能相结合，有望解决目前饮用水中存在的有机物、金属离子超标等难题，切实提高饮用水的质量，是非常有应用前景广阔的饮用水深度处理技术。