终端用户生活饮用水品质提升工艺探究

林艳雯

（广州市设计院集团有限公司，广东 广州 510620）

0 引言

广州作为我国核心城市之一，人才集聚，经济高速成长，正向全球顶级国际都市发展，同时市民对生活饮用水质量改善的要求不断增加长。广州市水务局为促进广州全面改善饮用水环境和改善城市供水质量，进行了生活饮用水质量监管制度调研工作，并颁发了“广州市水务局关于印发广州市生活饮用水品质提升技术指引要点（试行）的通知”，其中要求，在区域自来水水质未能达到规定标准的情况下，二次供水系统需要结合实际情况添加深度处理设备，并要求设备在应用膜处理技术的同时，配置预处理、膜清洗与浓水排放设施；消毒设置宜优先采用紫外线饮水消毒器或臭氧消毒器。在这背景下，对于二次供水处理设备工艺的研究，具有十分重要的经济价值和社会意义。

1 城市管网末端的水质特征

1.1 微生物对水质的影响

城市消防系统与城市给水系统一般情况下是合用的，但城市消防管网的管道直径相对较大，故而未出现火灾时的管中水将进入停止状态，即不会发生流量。在高水龄的情况下，微生物的繁殖速度相对较快，故而会因生物膜的出现导致二次污染。从爆发的介水传播疾病可知，OPs（条件致病菌）是诱发疾病的主要原因，故而其被国际社会关注。由于OPs的传播渠道有所不同，可通过呼吸、接触等方式进入人体中。在潜在易感人群数量不断增多的条件下，不仅老龄化日益严峻，免疫性疾病人数也将随之增多，促使OPs严重威胁人民健康。如果微生物膜出现在管网中，既会导致饮用水出现水嗅味，也会加快腐蚀管材，并为病菌的生长提供相应条件。在生物膜的影响下，消毒剂穿透难度进一步提升，而且由于消毒剂与其中细胞的接触，则会导致管网的余氯遭到损耗。这些都间接增强了OPs对消毒剂的抵抗能力。基于OPs的传播途径和特征有所不同，至今尚未找到合理的控制措施。在OPs污染的控制上，虽然可利用高水温来控制，但是这项措施却也会引发烫伤和资源浪费等情况。因此，在病菌感染风险的防范上，低免疫力群体可利用过滤装置的方式来实现[1]。

1.2 消毒剂对水质的影响

通常情况下，在运输饮用水时需要借助供水管网，因此为确保终端水质与国家标准相符，避免出现滋生细菌的现象，水管网末端一般会含有剩余的消毒剂。在质量控制中，消毒剂属于较为重要的组成部分，国际相关研究者不断探寻具有稳定消毒效果以及能够广泛杀菌消毒的消毒剂，并且在确保其使用效果的同时，可以做到方便、安全。在实验中从应用、副产物、消毒效果等方面入手，对比分析了几种较为常见的消毒剂，即二氧化氯、臭氧与氯。对比分析结果显示，在消毒效果方面，臭氧效果最好，其次为二氧化氯；在致突变性方面，氯气最好，其次为二氧化氯[2]。显然，不同消毒剂具有其自身特点，目前并无可以适应所有情况的消毒剂，因此，可结合实际情况对水质进行深入全面分析后，确定相应的灭菌方法。

1.3 供水管网铁释放问题

铁的稳定性是管网当前较为普遍的一项问题，而造成该问题的原因并不唯一，而是较为复杂，包括管线在各种生物化学长期反映后出现锈蚀，促使管网中流入一些易溶形态的二价铁；在瞬时强水力冲击效应的影响下，造成管壁锈蚀层剥落，锈蚀层中被致密的金属钝化层包裹保护好的铁疏松部份裸露起来，使得大量铁质离子流入管网水中。当管网铁浓度严格超标时便会产生“红水”的现状，影响观感，另外，释放出来的铁质离子在结垢后会为细菌生长创造优越的环境，促进病原菌的繁衍生长，在特殊状况下管垢中还会富集砷、镭等高毒性化合物，对用户的用水安全产生重大危险[3]。

针对供水管网“红水”的产生原因分析，从以下3个方面入手。

（1）在出厂过程中，可以通过降低水质腐蚀性的方式提高水质化学与物力稳定性，从而在源头上有效解决“红水”问题。若要实现这一点，可在水厂内投入氢氧化钠溶液、石灰等方式，促使水pH得到提高，或通过综合应用石灰与二氧化碳的方式全面改善水的硬度、pH等，从而得到更加稳定的出厂水质。

（2）防止金属管材与水的直接接触，抑制金属管材锈蚀，并进行内部防腐蚀，在装配前必须严格检验防腐蚀层的质量。

（3）优化供水管网水力条件，有效降低停留水力时间。由于给水管网是一项大型系统，且该系统较为复杂。从实际情况来看，一些水力工况环节并不合理，一些管网局部、末梢区域等长期滞留的水加剧了释放腐蚀产物的速度，在管网腐蚀更为严重的同时，“红水”问题也越发突出。正因如此，供水公司在意识到这一点后，可从管理、工程技术等方面入手创建相应模型，利用其对供水管网水力工况进行模拟，根据所得结果掌握给水管网各条管线的水压、流量和速度等水力技术参数，同时制定合理方案对策强化水力在缓流区工况；结合实际情况制定相应的管道冲洗排放方案等。

由于以上解决途径不属于二次供水系统范畴，故不在此展开讨论。

2 粉末活性炭-超滤膜-紫外线联用工艺在二次供水处理中的应用前景

2.1 粉末活性炭在饮用水处理中的发展研究与应用

吸附分离技术是利用多孔固态材料与某一混合组分体系接触，具有选择性将系统内的一个或多个成分粘附在固定上，进而进行特定成分分离的操作过程。其中可以吸收到固体物质上的部分就叫做吸附质，而吸收了吸附物质后的多孔固体则叫做吸附剂。

在相互作用特性方面，由于吸附质、吸附剂并不相同，因此将其作为吸附过程划分依据，则可以将其划分为化学吸附与物理吸附两种。从实际应用情况来看，二者具有明显的不同，其中，前者还可以称为活性吸附，是吸附质、吸附剂化学反应得到的结果，其大小对两种物质化学键能力具有决定性作用；后者则是活性炭吸附剂、吸附质二者表面分子作用后得到的范德华作用力，吸附质分子在二者引力比流体内部分子引力大的情况下被固体表面吸附，该过程也可以称为范德华吸附。

目前，工业上常用的吸附剂当属粉末活性炭，其也处理饮用水时的常用滤料。粉末活性炭的原材料主要是木材和煤，其加工过程主要分为两项，即活化和炭火，由于具有大比表面积特征和优秀的微控结构，所以在诸多吸附剂中常被当做首选目标。此外，因粉末活性炭具有非极性表层，属于亲有机物且疏水范畴中，而且还具备易解吸、高热稳性、大吸附量等特征[4]。目前，水中的消毒副产物、农药等均可通过粉末活性炭来去除，所以常被用在原水水质季节性变化大或遭遇突发水污染影响的水厂中。在有机物处理上，其可处理分子质量小于1×104u区段的有机物，去除率超过了40%[5]。

2.2 超滤膜分离技术在饮用水处理中的发展研究与应用

超滤膜一般是由两部分所构成，其中一部分是可发挥滤功能的表皮层，另一部分是可发挥支撑功能的支撑层，通常是以压力来驱动膜进行分离。由于超滤孔径在0.01~0.1μm之间，所以膜中可透过小分子溶质和溶剂，而大分子溶质则无法透过。由于这项技术引入了高抗氧化性、耐高温的膜组件和超滤膜，所以可达到净化水的效果。超滤的去除原理不仅包含物理筛滤作用，而且与化学性质也密切相关。不仅如此，在超滤过程中，和溶质分子、膜孔大小以及溶质、溶剂与膜材料间的关系密切等均具有一定联系。具体来讲，其功能主要如下。

（1）筛滤：在超滤膜的影响下，与之膜孔径大小相同或超过的分子将被截留于膜层之上。

（2）吸附：因超滤膜、分子或颗粒间蕴含静电引力、范德华力等多种作用力，容易在膜上吸附或截留，因此在颗粒、分子较孔径小的情况下，也容易被吸附。

（3）架桥：在分子或颗粒的相互影响下，彼此会桥联为一体，进而在超滤膜的干预下，被截留在膜上[6]。

相较于寻常工艺，这类工艺存在高浊度去除率（出水浊度能保持在0.1NTU以下，满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）中对浊度的要求）、设备占地面积小，耗能较低，易于自动化控制等优点。

2.3 紫外线技术在二次供水处理中的发展研究与应用

紫外线（UV）辐射可有效地灭火水中的各种微生物，越来越多用于水消毒。相比于原本化学消毒方式，紫外线辐射在实践应用中更具优势。具体而言，其不会导致化学物质新增，且不会因此出现副产物，其在消毒过程中，在紫外线波长为200~300nm时，经紫外光照射，可让微生物小包中的RNA和DNA的分子结构出现根本性变化，通过这种方式使再生性、生长性细胞难以继续存活，实现杀菌消毒的目的。

对二次供水的处理中，为保证用户末端饮水安全，使用了紫外杀菌。并经过实验得到，当未打开的紫外线杀菌设备仅有余氯时，由市政进水至末端龙头，余氯持续减少；同时TOC经膜清洗后也呈现略上升态势，而三卤甲烷也呈现了相同的状况。而在打开紫外线消毒装置，市政自来水进入原水箱后的TOC增加，，而在经过紫外线消毒装置后，出水TOC显著减少，同时余氯也显著减少，而三卤甲烷也有所减少。由此可见，为了对消毒副产物的上升速度进行控制，并达到消除TOC的目的，可引入紫外线来实现上述目标。选择紫外线的原因在于，其可同余氯进行结合，这样既可产生高级氧化效果，又可让氢氧自由基得到丰富，进而达到去除有机物的目的。紫外消毒也可让二次供水中的消毒副产物和有机物得到降低，以此确保市民饮水的安全性[7]。

2.4 粉末活性炭-超滤膜-紫外线联用工艺的研究

综合上述各组件的优点，管网末端市政自来水进入粉末活性炭-超滤膜-紫外线联用工艺后，首先经过粉末活性炭吸附去除部分COD；再经过超滤膜，截留由于高水龄在市政管网中形成的微生物及部分致病菌；最后经过紫外线消毒器消除致病菌及消毒副产物。通过此技术可让用户末端所获的饮用水达到高品质水平，而且相比于制水费相比投资规模更小。二次供水处理设备的处理量可根据新建小区或单体建筑的分质供水设计，相较于改造市政管网，更换管材以维持水质，投资更低，同时亦能满足居民生活饮用水水质提升的需求[8]。

3 对广州实现生活饮用水水质提升目标的展望

3.1 建立供水企业的供水水质检测督察管理方式

基于广州市政府出台的细则可知，要注重加强水质分析管理力度，即采取合理规划的水质标准、监测项目、检验方式来进行供水水质的检查，而且也要对水厂运行进行实时监测，以此保证安全、合格、高质量的供水[9]。

3.2 探索供水水质新检测方法

连续流动分析方式具备自动化水平高、试剂耗损少、分析效率高等优势，而且通过这类分析方法所获结果具有较高精密度和准确性，且与分光光度法相比，其数量级得到了显著提升。目前，常用的连续流动分析仪配备了一系列辅助软件和设备，让分析过程变得更加高效、简易，加之数据的自动化处理，让分析结果也变得更加清晰。这类检测方式可在水源水、饮用水等水质分析中推广使用。

3.3 建立供水水质监察全过程水质评价体系

对于供水水质监察全过程而言，其水质评价体系的建立是以其中的水质指标为基础。为了确保水质内控指标的实现，建立体系时选择了与之相匹配的数学模型，以此来预测和分析水质的变化态势，并对照用户终端和管网的水质变化规律，将结果反馈至水厂处，指导水厂进行生产，并为水厂的管网管理、水质改善与调动提供一定的技术支撑，并在加强全过程监察水平的同时，实现降低能耗的目的[10]。

4 结语

粉末活性炭-超滤膜-紫外线联用工艺可有效适应目前国内核心城市生活饮用水品质提升的发展需求。从长远来看，供水企业引入先进的生产技术，以此提升水质风险管理力度，建立有效的水质监测机制，及时调整监测指标和频率，才能从源头上提升居民生活饮用水的品质。