给水处理新技术研究

徐坚

上海勘测设计研究院有限公司 上海 200335

水资源是人们赖以生存和发展的物质基础和基本保障，同样，城市的建设与运行也离不开水资源系统的支撑。在经济飞速发展的背后，大量的水污染持续破坏着水生态系统的稳定性，大大增加了水资源的风险系数。在城乡一体化逐步实施，供水需求日益增加的背景下，水资源短缺严重影响了城市的发展与人们的日常生活。如何为用户提供高质量的供水，并且保障供水的有效性与及时性，是学者们的重点研究方向。传统的给水处理技术处理效率低下，并且对于原水水质有较高的要求。为了保障城市的正常运转以及居民日常生活的需要，就要采用高效、科学的给水处理新技术。给水处理新技术在供水环节中的广泛应用，不仅能够提高处理效率与用水安全性，也有利于实现我国给水系统经济效益的最大化。

1 传统给水处理技术

1.1 传统工艺基本流程

传统给水处理技术主要分为四个流程：混凝、沉淀、过滤和消毒[1]。这种工艺流程的作用主要是增强水体的透明度、吸附水中的有机颗粒、拦截水中悬浮杂质以及消杀水体中的病菌，从而实现水质的净化处理。这样的水处理技术较为简单，不需要复杂的设备，处理成本也相对较低，能够大规模地为城市生产生活提供用水。但是在实际的应用过程中，尤其是在复杂的原水水质供应情况下，水的处理净化效果往往得不到保障，使得生产生活受到一定影响。

1.2 传统工艺存在的问题

(1)处理效率低

传统的给水处理技术在进行水处理的过程中，基本都是利用氧化反应以及催化反应，这种反应机制在一定程度上使得水处理周期较长。此外，传统的给水处理设备相对陈旧，容易出现故障从而导致运行效率较低。因此，尤其在用水高峰期以及特殊用水情况下，传统的给水处理技术很难让用水需求得到有效的保障。

(2)水质易受药剂影响

传统的给水处理基本上是通过投加化学药剂的方式对水质进行净化，通常是投加铝离子作为絮凝剂。高浓度的絮凝剂可以使水体得到有效的净化，但是如果没有将沉淀杂质及时清除，就会导致水体化学物质的大量聚集从而影响水质。对于工业化生产用水，如果水中含有较多金属离子，可能会对产品质量造成影响。

(3)消毒不彻底

传统的给水处理采用加氯方式对水体中的细菌进行消除，确保水质能够符合居民饮用水标准。但是随着部分水体受污染程度逐渐加重以及细菌的不断变异，加氯已经不能保证水体中的细菌被完全消除。同时，细菌强大的适应能力也使得加氯效果进一步削弱。如果供水中的细菌含量较高，则会严重危害人体健康。

2 现代给水处理新技术

随着我国工业化的迅速发展以及城市化进程的推进，城市所产生的污水量急剧增加。大部分的污废水通过市政管道进入污水厂进行处理，但是由于污水收集率的限制以及管道不同等级的缺陷，仍有大量污水进入了自然水体。水源受到不同程度的污染，让给水的处理带来了一定的困难。《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）自全面实施执行后，传统的给水处理技术已经难以适应现有的水质变化以及达到实行的水质标准。所以，为了达到对水源的有效处理，尤其是去除水中新出现的污染物，保障人民群众的饮用水安全，新的给水处理技术便由此展开研究并逐步推广应用。

2.1臭氧生物活性炭

臭氧生物活性炭工艺是一种将臭氧化学氧化、活性炭物理化学吸附、生物降解及臭氧消毒灭菌合为一体的饮用水深度处理工艺[2]。臭氧的强氧化性，使其能够去除水中色度、臭味，并且溶解性有机物的分子结构在臭氧的氧化能力下得到破坏。而生物活性炭是活性炭在饮用水处理的应用实践中逐步发展应用的。生物活性炭对比普通的活性炭来讲，吸附效果更好并且活性炭的再生周期得到大大延长。臭氧生物活性炭工艺以传统水处理过程为基础，将原水进行预臭氧化。臭氧的投加初步分解水中的有机物，同时部分难生物降解的有机物断链、开环，使其能够被生物降解。臭氧分解产生的氧气，可以补充后续滤池的溶解氧，创造好氧环境从而提高好氧微生物活性。经过臭氧预处理后，生物活性炭迅速吸附水中溶解性有机物，同时表面的微生物也能达到去除有机物的效果，在这个过程中，活性炭还能吸附臭氧氧化产生的中间产物。随后进行臭氧后氧化阶段，将水体中的细菌体消杀。

在20世纪80年代，我国开始了臭氧生物活性炭技术的探索，主要是针对处理含有较高浓度的有机物与氨氮的原水。北京村山水厂[3]是我国第一座采用臭氧生物活性炭技术的给水厂。运行结果表明，采用了新工艺的村山水厂在不同的来水水源条件下对浊度、CODMn以及臭味的去除效果较好，出水水质满足要求，运行较为稳定。进入21世纪以来，关于臭氧生物活性炭技术的研究迅速发展，诸多研究人员关于该技术的处理效果展开了诸多研究。陈仪春[4]等通过研究活性炭中微生物生长情况以及有机物的去除效果来优化臭氧生物活性炭处理工艺的效果。试验结果表明，温度是影响微生物生长的重要因素。当温度保持在25℃时，微生物的生长速度达到最大。当炭滤池运行到240~270天时，活性炭表面形成稳定的生物膜，整个工艺过程对CODMn、UV254、BDOC的平均去除率达到70%、90%和85%。徐春蕾[5]等选取江苏省以长江、太湖、淮河和沂沭泗水系为水源的水厂，对其水质数据进行研究。结果表明，在水厂工艺改造为臭氧生物活性炭技术后，出水浑浊度明显降低，仅为0.1~0.4NTU，CODMn仅为1.0~2.7mg/L。

2.2 超滤膜技术

膜技术作为一种跨学科的实用型技术，其高效、节能、无污染及用途广等特点，在诸多领域受到了广泛的应用，甚至被认为是当代最具有发展前途的高新技术之一[6]。超滤膜作为膜分离产品的一种，它的孔径范围在0.05μm~1mm之间，膜的透过速率为0.5~5m3/（·d）。超滤膜技术则是根据超滤膜的特性而形成的一种膜分离技术。这种技术以超滤膜为过滤的介质，在一定的压力下，当水流过滤膜表面时，仅有水及低分子溶质透过，从而达到截留杂质、溶液得到净化的效果。

在给水处理领域，超滤膜技术则是近年来学者们热门研究的新技术。与传统工艺相比，超滤膜技术的出水水质更加稳定可靠。在原水水质不断波动的情况下，超滤膜工艺可以将产水的浊度稳定降低到0.1NTU以下[7]。此外，超滤膜较小的孔径尺寸可以有效地过滤微生物分子，极大地减少了消毒剂用量，所以出水化学安全性也较高。由于通过超滤膜组件进行过滤，所以该技术适用于任何规模供水量的处理，仅需增减组件数量即可，所以操作方便灵活，占地面积也能够得到大幅度的减少。在我国，超滤膜技术始用于杭州湾新区给水厂[8]。该厂以四灶浦水库为水源，原水氯化物含量高，属苦咸水水质。由于传统的给水处理技术难以去除原水中溶解性无机离子，因此采用超滤膜技术进行处理。运行结果显示，采用超滤膜技术后水厂处理效果稳定，去除率高，不但去除氯化物等离子杂质，对于微生物、病毒和热原质都有较好的去除效果。

随着超滤膜技术的大量应用，该技术的短板也逐渐明显。超滤膜在使用后产生的膜污染是限制超滤膜应用的重要原因。在超滤膜表面沉淀的各种杂质，减小了膜通量，从而影响过滤效果。为了解决膜污染问题，水力清洗与化学清洗是常用途径，但是频繁的清洗则加大了制水成本。所以针对膜组件的污染问题，仍需要学者们不断地进行研究从而找到合适的解决办法。

2.3 纳滤膜技术

纳滤膜同样作为一种新型分离膜，又被称为“低压反渗透膜”或“疏松反渗透膜”，它的孔径尺寸为1~2nm，截留分子量在200~2000Da（道尔顿）之间，对溶质的截留能力介于反渗透膜与超滤膜之间。无论是天然有机物、合成有机物，或者是消毒副产物及其前体物如三卤甲烷等，纳滤膜都能进行有效的截留。此外，纳滤膜的表面分离层是由聚电解质构成，因此对于截留无机盐物质具有较好的效果。将纳滤膜技术应用于给水生产，不仅可以有效去除原水中的重金属、无机盐、病毒及寄生虫等，还能够保留对人体有益的矿物质和微量元素[9]。这些优质的性能使其拥有其他膜技术无法代替的作用，因此纳滤膜在给水领域具有极大的发展前景。

早在1995年，美国佛罗里达州便开展了利用纳滤膜处理饮用水的试验研究[10]，饮用水硬度明显降低，试验得到显著效果。在1999年，法国巴黎Mery-sur-Oise水厂建成处理水量为14万m3/（·d）的纳滤膜处理系统，投运结果显示，该厂出水水质极好，对于有机物和杀虫剂的清除十分有效，自建成以来该水厂向周边80万居民提供高品质的饮用水[11]。在我国，山东长岛南隍城纳滤示范工程则是纳滤技术的实际应用[12]。采用纳滤膜技术制备的饮用水，符合国家生活饮用水卫生标准。在水污染程度不断加重以及饮用水安全面临挑战的情况下，纳滤膜技术发展迅速，在给水处理中得到了广泛的应用，但如何提高纳滤膜的除污效率，以及降低膜污染，仍是制约其发展和推广的关键问题。在未来，纳滤膜组件的优化、新型膜材料的研发和膜污染的控制将会是学者们的研究重点。

2.4 紫外消毒技术

紫外线是一种波长分布在200~400nm的电磁波，其中波长为200~300nm的紫外波段具有杀菌消毒的功能。微生物在吸收紫外线后，核酸受到紫外线光化学反应破坏而失去复制再生功能，从而达到灭活的效果。与传统的加氯消毒相比，紫外消毒杀菌能力强，不残留任何有害物质。有研究成果显示[13]，仅在强度为30mW/cm2的紫外光辐射强度下，绝大部分细菌在1s内便被接近100%灭活。与此同时，紫外消毒的运行成本也相对较低。上海临江水厂将紫外消毒与臭氧消毒进行对比[14]，在一次性投资相同的情况下，紫外消毒的年运行成本仅为臭氧消毒的25%左右。

紫外线消毒这种简单高效的物理消毒方法，使得众多工程应用相继投入。根据数据显示，在欧洲有2000多套紫外线消毒系统用于饮用水处理，美国及日本紫外消毒技术也有着广泛的应用。我国关于紫外消毒技术的研究应用相较于国外则起步较晚。但是随着水质要求的提高以及相关标准的出台，紫外消毒技术在我国逐步得到推广。天津开发区净水厂，建成了国内首家利用紫外线和氯消毒技术的水厂，产水能力达到了32.5万m3/d，该技术的使用也保证了出水水质达到国家标准。同样，紫外消毒技术存在一定的消毒缺陷。J.Wist[15]等人在试验中对原水进行紫外线照射观察，当照射时间达到1.5h时，原水中的菌落数量直线下降。但是当停止光照时，菌落数量开始回升。经过24小时后，数量甚至可以达到处理前的水平。由此可见，在一定的情况下紫外消毒并不是对水体保持持续性的消毒。这说明紫外消毒技术存在一定的使用条件，对于处理的水质有较高的要求。

3 总结

水资源是人们生存发展必需的能源之一，给水处理新技术无论是在生产方式还是生产效率上，都远超过传统的给水处理技术。所以为了保障社会的有序运行及居民的健康发展，采用高效、科学的给水处理新技术是势在必行的。当然，不断改良与研发新的技术，推进现代给水新技术应用，仍需要学者们的潜心研究。