我國飲用水質量現狀及對策

吳馨源

(北京交通大學附屬中學，北京 100081)

1 飲用水水質現狀

“民以食為天，食以水為先”，水是生命的源泉和保障。隨著人口的增多和社會的發展，安全潔凈的飲用水成為我們的必需品。遺憾的是，目前全世界有半數以上的國家和地區缺乏干凈的飲用水，而有限的水資源又面臨各種污染的威脅。特別是第三世界國家，目前約17億人喝不上清潔的水。我國水資源總量較豐富，全年總量約為32466億m3[1]，在全球水資源中約占6%，位于巴西、加拿大和俄羅斯之后，居全球第四位。然而，就人均水資源而言我國的水資源卻相當貧乏，僅人均2300 m3，且嚴重分布不均。同時，中國的用水量是世界上最多的，全國總用水量達到6040億m3[1]，約占全球年用量的13%。目前，我國飲用水水質明顯低于發達國家，水龍頭中偶爾還會散發出難聞的味道，時而渾濁，更有甚者水龍頭中會流出蟲子，飲用水的質量令人擔憂。究其原因，一方面是由于我國多數水源的原水水質相對較差，污染嚴重，水中濁度、色度及有機物、重金屬離子濃度偏高；另一方面則源于水廠的水處理工藝，我國大多數自來水廠依然采用混凝-沉淀-過濾-液氯消毒等傳統工藝(圖1)，對重金屬、有機污染物的去除效率有限，在水資源緊缺的大背景下不得不取水于水質漸趨惡化的水源，因此新飲用水標準(GB5749-2006)成為一個較難達到的標準。此外，輸水管道中還會存在二次污染，同樣會導致飲用水質量的下降。據世界衛生組織調查結果，人類疾病的80%跟水污染有聯系，因而對飲用水進行深度處理，提升飲用水質量刻不容緩。

圖1 常規水處理工藝路線

2 飲用水深度處理技術

相對于常規水處理技術，深度水處理技術是指經傳統工藝處理后采用適當的技術手段除掉傳統工藝水處理難以去除的以及在輸送過程中產生的重金屬、有機污染物[2]。目前深度水處理技術有很多種，研究報道較多的有氧化法[3]、生物預處理、吸附法[4]、膜法及光催化法[5]等。

生物預處理技術主要通過接觸氧化實現凈水目的[6]，常用于微污染水的處理。當原水與生物膜接觸發生作用時，水中的污染物如氨氮、鐵、錳和有機物等氧化和轉化而凈化水質[7]，是傳統飲用水處理方法的重要補充。近年來，生物預處理法逐漸引起了國內外重視，在該方面取得了很多有意義的理論和應用研究成果。但這種方法對水工藝凈化技術要求很高，目前還不很成熟，且對三鹵甲烷等污染物的去除率較低。

氧化法常用于水的深度處理中。其中，氯氣、臭氧、二氧化氯等氧化劑是目前最常用的氧化藥劑，常用于水廠的殺菌消毒[8-9]。由于氯化消毒過程產生的副產物可能致癌，引起了人們的關注，臭氧氧化消毒逐漸被人們重視[3,10]。臭氧可用于水處理工藝的多個環節，目的在于通過其強氧化性將水中有機污染物去除。而且可以有效控制三氯甲烷這種致癌物質的生成量。目前在歐美各主要城市早已普及自來水的臭氧氧化消毒處理技術。但臭氧氧化法也不是完美無瑕的，它的主要缺點在于基建和運行成本較高，臭氧往往需要現場制備從而不利于設備運行和維護；此外且臭氧脫除低濃度有機物效果有限。臭氧氧化有機物過程產生的過氫氧化物、環氧衍生物等中間產物的毒性和對人體健康的危害尚待深入研究。臭氧氧化會使水中的可降解物質增多，出水水質穩定性下降，因此臭氧氧化很少單獨使用，常與吸附法等聯用[3,11]。二氧化氯(ClO2)作為一種氧化劑，其氧化性介于氯氣和臭氧之間，除了在除臭、消毒、除鐵錳、殺菌效果好、性價比高等特點之外，還能抑制鹵代烴的形成，在水處理研究和應用中受到重視。美國印第安那州Evansville 城水廠采用常規凝聚沉淀、過濾后，經液氯消毒處理的出水中的三氯甲烷超標，采用二氧化氯ClO2消毒的出水與原水中的三氯甲烷含量基本相同，說明ClO2消毒并沒有引起三氯甲烷濃度的提高[12-13]。然而，水中原有的有機物可以將ClO2大量轉變為ClO3-、ClO2-，這些物質對人體紅血細胞會造成損害，并干擾碘的吸收代謝和升高血液膽固醇，從而限制了ClO2法的大面積推廣應用。

活性碳是吸附法中最常用的水處理吸附劑，這種吸附劑原料來源廣，而且比表面積高、吸附量大、能吸附除掉水中多數有機物，其脫色除臭和對毒性物質的去除效果良好，所以這種吸附劑應用廣泛。但活性碳對極性短鏈含氧有機物、鹵代烴等物質的脫除效果不好，宜與臭氧氧化等方法聯用。

膜法在水處理中的研究與應用源于二十世紀六、七十年代，也是一種深度水處理的高級手段，主要包括微濾、超濾、納濾、反滲透等技術，可有效去除臭味、消毒副產物前體、有色物質、微生物等[14]。為提高使用壽命，膜法對被處理水的要求較高，高昂的投資及運行成本是阻礙膜法大量應用的主因。盡管超濾操作壓力相對較低但很難去除小分子有機物、反滲透和納濾處理過程的濃縮液需要進行后處理，這些都是制約其大規模應用的瓶頸性難題。

光催化法是指有機物在紫外或可見光的作用下，將無機物氧化成為水、二氧化碳和微小離子的過程。光催化分解包括直接光解和間接光解兩大類。在利用光催化降解有機廢水的過程中，所采用的光源主要為紫外光。在紫外光和光催化劑的作用下，可激發水中的溶解氧產生高活性的激發態氧原子，這種物質可與有機物發生自由基反應從而降解有機物，可通過這種氧化作用破壞芳香族類化合物、酚類物質等難生化降解物質。紫外光處理難以獨立將有機物完全氧化，往往起到調質作用，通過與生化降解等技術的聯用可大幅改善有機廢水處理效果。

3 活性碳纖維在飲用水深度處理中的應用展望

活性碳纖維(Activated carbon fiber，簡稱ACF)為纖維狀活性碳，是繼粉狀、粒狀活性碳后于上世紀七十年代發展起來的第三代新型碳材料[4]，主要通過物理活化或化學活化方法制備。活性碳纖維的直徑一般在10～13 μm，具有比表面大、微孔豐富且分布窄、易與吸附質接觸、擴散阻力小等特點[4,15]，故吸、脫附速率快，利于吸附分離。目前ACF已廣泛應用于電子工業、化學工業、輻射防護、環境保護、食品、醫用、衛生等方面[15-16]，且越來越受到人們的重視。

ACF與傳統顆粒狀或粉狀的活性碳比較，具有以下特點[4,6]：(1)ACF直徑小，接觸面積大，吸附效率高；(2)吸附容量大、吸脫附速率快，可快速吸附低濃度廢氣或高活性的有機物；(3)孔徑分布窄，且以微孔為主。可通過調整工藝參數使其孔徑大小與被吸附物質的分子尺寸相匹配，從而達到高效分離的目的；(4)體積密度小、擴散阻力小、動力消耗少，可以吸附粘度較大的液體物質；(5)吸附層薄、漏損小，可制成輕小型設備；(6)強度高、不易粉化，不易造成二次污染；(7)純度高、雜質少，可用于食品、衛生醫療行業；(8)可以根據實際需要加工成布、氈、紙等多種形式以及圓筒蜂窩狀，具有適應性強、操作簡便安全、節能經濟等特點。

圖2 活性碳纖維水深度處理工藝路線

ACF孔隙結構發達，表面有大量的官能團，機械強度和良好的形態使其不易粉碎，且流體壓損小，填充層不易堵塞，易再生。近年來國內外相繼開展了活性碳纖維飲用水深度處理研究，且多與臭氧氧化等聯合使用(圖2)。以活性碳纖維為核心材料制造的飲用水凈化裝置不僅凈化效率高，而且處理量大，裝置緊湊，效費比高。活性碳纖維水質凈化與現在純凈水生產中常用的膜分離工藝相比，活性碳纖維不需高壓，濾阻小，能耗和水耗低。活性碳纖維的一大優勢在于結構易于調控。針對微污染水中有機物濃度低而含有部分用其他方法難以去除重金屬離子這一特點，利用適當的活化方法和改性方法可以制出比表面積高、孔徑分布窄、吸附量大、吸脫附效率高的ACF[4]，從而達到利用ACF高效去除重金屬和有機物質之效。

總之，由于水質復雜多變，傳統工藝的混凝、沉降、過濾等技術已難以滿足人們對飲用水質量的要求，需要大面積推廣吸附、臭氧氧化等深度水處理技術。同時，飲用水處理技術正向多技術聯合的方向發展，將活性碳纖維吸附催化功能與臭氧氧化殺菌功能相結合，有望解決目前飲用水中存在的有機物、金屬離子超標等難題，切實提高飲用水的質量，是非常有應用前景廣闊的飲用水深度處理技術。