終端用戶生活飲用水品質提升工藝探究

林艷雯

（廣州市設計院集團有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

廣州作為我國核心城市之一，人才集聚，經濟高速成長，正向全球頂級國際都市發展，同時市民對生活飲用水質量改善的要求不斷增加長。廣州市水務局為促進廣州全面改善飲用水環境和改善城市供水質量，進行了生活飲用水質量監管制度調研工作，并頒發了“廣州市水務局關于印發廣州市生活飲用水品質提升技術指引要點（試行）的通知”，其中要求，在區域自來水水質未能達到規定標準的情況下，二次供水系統需要結合實際情況添加深度處理設備，并要求設備在應用膜處理技術的同時，配置預處理、膜清洗與濃水排放設施；消毒設置宜優先采用紫外線飲水消毒器或臭氧消毒器。在這背景下，對于二次供水處理設備工藝的研究，具有十分重要的經濟價值和社會意義。

1 城市管網末端的水質特征

1.1 微生物對水質的影響

城市消防系統與城市給水系統一般情況下是合用的，但城市消防管網的管道直徑相對較大，故而未出現火災時的管中水將進入停止狀態，即不會發生流量。在高水齡的情況下，微生物的繁殖速度相對較快，故而會因生物膜的出現導致二次污染。從爆發的介水傳播疾病可知，OPs（條件致病菌）是誘發疾病的主要原因，故而其被國際社會關注。由于OPs的傳播渠道有所不同，可通過呼吸、接觸等方式進入人體中。在潛在易感人群數量不斷增多的條件下，不僅老齡化日益嚴峻，免疫性疾病人數也將隨之增多，促使OPs嚴重威脅人民健康。如果微生物膜出現在管網中，既會導致飲用水出現水嗅味，也會加快腐蝕管材，并為病菌的生長提供相應條件。在生物膜的影響下，消毒劑穿透難度進一步提升，而且由于消毒劑與其中細胞的接觸，則會導致管網的余氯遭到損耗。這些都間接增強了OPs對消毒劑的抵抗能力。基于OPs的傳播途徑和特征有所不同，至今尚未找到合理的控制措施。在OPs污染的控制上，雖然可利用高水溫來控制，但是這項措施卻也會引發燙傷和資源浪費等情況。因此，在病菌感染風險的防范上，低免疫力群體可利用過濾裝置的方式來實現[1]。

1.2 消毒劑對水質的影響

通常情況下，在運輸飲用水時需要借助供水管網，因此為確保終端水質與國家標準相符，避免出現滋生細菌的現象，水管網末端一般會含有剩余的消毒劑。在質量控制中，消毒劑屬于較為重要的組成部分，國際相關研究者不斷探尋具有穩定消毒效果以及能夠廣泛殺菌消毒的消毒劑，并且在確保其使用效果的同時，可以做到方便、安全。在實驗中從應用、副產物、消毒效果等方面入手，對比分析了幾種較為常見的消毒劑，即二氧化氯、臭氧與氯。對比分析結果顯示，在消毒效果方面，臭氧效果最好，其次為二氧化氯；在致突變性方面，氯氣最好，其次為二氧化氯[2]。顯然，不同消毒劑具有其自身特點，目前并無可以適應所有情況的消毒劑，因此，可結合實際情況對水質進行深入全面分析后，確定相應的滅菌方法。

1.3 供水管網鐵釋放問題

鐵的穩定性是管網當前較為普遍的一項問題，而造成該問題的原因并不唯一，而是較為復雜，包括管線在各種生物化學長期反映后出現銹蝕，促使管網中流入一些易溶形態的二價鐵；在瞬時強水力沖擊效應的影響下，造成管壁銹蝕層剝落，銹蝕層中被致密的金屬鈍化層包裹保護好的鐵疏松部份裸露起來，使得大量鐵質離子流入管網水中。當管網鐵濃度嚴格超標時便會產生“紅水”的現狀，影響觀感，另外，釋放出來的鐵質離子在結垢后會為細菌生長創造優越的環境，促進病原菌的繁衍生長，在特殊狀況下管垢中還會富集砷、鐳等高毒性化合物，對用戶的用水安全產生重大危險[3]。

針對供水管網“紅水”的產生原因分析，從以下3個方面入手。

（1）在出廠過程中，可以通過降低水質腐蝕性的方式提高水質化學與物力穩定性，從而在源頭上有效解決“紅水”問題。若要實現這一點，可在水廠內投入氫氧化鈉溶液、石灰等方式，促使水pH得到提高，或通過綜合應用石灰與二氧化碳的方式全面改善水的硬度、pH等，從而得到更加穩定的出廠水質。

（2）防止金屬管材與水的直接接觸，抑制金屬管材銹蝕，并進行內部防腐蝕，在裝配前必須嚴格檢驗防腐蝕層的質量。

（3）優化供水管網水力條件，有效降低停留水力時間。由于給水管網是一項大型系統，且該系統較為復雜。從實際情況來看，一些水力工況環節并不合理，一些管網局部、末梢區域等長期滯留的水加劇了釋放腐蝕產物的速度，在管網腐蝕更為嚴重的同時，“紅水”問題也越發突出。正因如此，供水公司在意識到這一點后，可從管理、工程技術等方面入手創建相應模型，利用其對供水管網水力工況進行模擬，根據所得結果掌握給水管網各條管線的水壓、流量和速度等水力技術參數，同時制定合理方案對策強化水力在緩流區工況；結合實際情況制定相應的管道沖洗排放方案等。

由于以上解決途徑不屬于二次供水系統范疇，故不在此展開討論。

2 粉末活性炭-超濾膜-紫外線聯用工藝在二次供水處理中的應用前景

2.1 粉末活性炭在飲用水處理中的發展研究與應用

吸附分離技術是利用多孔固態材料與某一混合組分體系接觸，具有選擇性將系統內的一個或多個成分粘附在固定上，進而進行特定成分分離的操作過程。其中可以吸收到固體物質上的部分就叫做吸附質，而吸收了吸附物質后的多孔固體則叫做吸附劑。

在相互作用特性方面，由于吸附質、吸附劑并不相同，因此將其作為吸附過程劃分依據，則可以將其劃分為化學吸附與物理吸附兩種。從實際應用情況來看，二者具有明顯的不同，其中，前者還可以稱為活性吸附，是吸附質、吸附劑化學反應得到的結果，其大小對兩種物質化學鍵能力具有決定性作用；后者則是活性炭吸附劑、吸附質二者表面分子作用后得到的范德華作用力，吸附質分子在二者引力比流體內部分子引力大的情況下被固體表面吸附，該過程也可以稱為范德華吸附。

目前，工業上常用的吸附劑當屬粉末活性炭，其也處理飲用水時的常用濾料。粉末活性炭的原材料主要是木材和煤，其加工過程主要分為兩項，即活化和炭火，由于具有大比表面積特征和優秀的微控結構，所以在諸多吸附劑中常被當做首選目標。此外，因粉末活性炭具有非極性表層，屬于親有機物且疏水范疇中，而且還具備易解吸、高熱穩性、大吸附量等特征[4]。目前，水中的消毒副產物、農藥等均可通過粉末活性炭來去除，所以常被用在原水水質季節性變化大或遭遇突發水污染影響的水廠中。在有機物處理上，其可處理分子質量小于1×104u區段的有機物，去除率超過了40%[5]。

2.2 超濾膜分離技術在飲用水處理中的發展研究與應用

超濾膜一般是由兩部分所構成，其中一部分是可發揮濾功能的表皮層，另一部分是可發揮支撐功能的支撐層，通常是以壓力來驅動膜進行分離。由于超濾孔徑在0.01~0.1μm之間，所以膜中可透過小分子溶質和溶劑，而大分子溶質則無法透過。由于這項技術引入了高抗氧化性、耐高溫的膜組件和超濾膜，所以可達到凈化水的效果。超濾的去除原理不僅包含物理篩濾作用，而且與化學性質也密切相關。不僅如此，在超濾過程中，和溶質分子、膜孔大小以及溶質、溶劑與膜材料間的關系密切等均具有一定聯系。具體來講，其功能主要如下。

（1）篩濾：在超濾膜的影響下，與之膜孔徑大小相同或超過的分子將被截留于膜層之上。

（2）吸附：因超濾膜、分子或顆粒間蘊含靜電引力、范德華力等多種作用力，容易在膜上吸附或截留，因此在顆粒、分子較孔徑小的情況下，也容易被吸附。

（3）架橋：在分子或顆粒的相互影響下，彼此會橋聯為一體，進而在超濾膜的干預下，被截留在膜上[6]。

相較于尋常工藝，這類工藝存在高濁度去除率（出水濁度能保持在0.1NTU以下，滿足《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）中對濁度的要求）、設備占地面積小，耗能較低，易于自動化控制等優點。

2.3 紫外線技術在二次供水處理中的發展研究與應用

紫外線（UV）輻射可有效地滅火水中的各種微生物，越來越多用于水消毒。相比于原本化學消毒方式，紫外線輻射在實踐應用中更具優勢。具體而言，其不會導致化學物質新增，且不會因此出現副產物，其在消毒過程中，在紫外線波長為200~300nm時，經紫外光照射，可讓微生物小包中的RNA和DNA的分子結構出現根本性變化，通過這種方式使再生性、生長性細胞難以繼續存活，實現殺菌消毒的目的。

對二次供水的處理中，為保證用戶末端飲水安全，使用了紫外殺菌。并經過實驗得到，當未打開的紫外線殺菌設備僅有余氯時，由市政進水至末端龍頭，余氯持續減少；同時TOC經膜清洗后也呈現略上升態勢，而三鹵甲烷也呈現了相同的狀況。而在打開紫外線消毒裝置，市政自來水進入原水箱后的TOC增加，，而在經過紫外線消毒裝置后，出水TOC顯著減少，同時余氯也顯著減少，而三鹵甲烷也有所減少。由此可見，為了對消毒副產物的上升速度進行控制，并達到消除TOC的目的，可引入紫外線來實現上述目標。選擇紫外線的原因在于，其可同余氯進行結合，這樣既可產生高級氧化效果，又可讓氫氧自由基得到豐富，進而達到去除有機物的目的。紫外消毒也可讓二次供水中的消毒副產物和有機物得到降低，以此確保市民飲水的安全性[7]。

2.4 粉末活性炭-超濾膜-紫外線聯用工藝的研究

綜合上述各組件的優點，管網末端市政自來水進入粉末活性炭-超濾膜-紫外線聯用工藝后，首先經過粉末活性炭吸附去除部分COD；再經過超濾膜，截留由于高水齡在市政管網中形成的微生物及部分致病菌；最后經過紫外線消毒器消除致病菌及消毒副產物。通過此技術可讓用戶末端所獲的飲用水達到高品質水平，而且相比于制水費相比投資規模更小。二次供水處理設備的處理量可根據新建小區或單體建筑的分質供水設計，相較于改造市政管網，更換管材以維持水質，投資更低，同時亦能滿足居民生活飲用水水質提升的需求[8]。

3 對廣州實現生活飲用水水質提升目標的展望

3.1 建立供水企業的供水水質檢測督察管理方式

基于廣州市政府出臺的細則可知，要注重加強水質分析管理力度，即采取合理規劃的水質標準、監測項目、檢驗方式來進行供水水質的檢查，而且也要對水廠運行進行實時監測，以此保證安全、合格、高質量的供水[9]。

3.2 探索供水水質新檢測方法

連續流動分析方式具備自動化水平高、試劑耗損少、分析效率高等優勢，而且通過這類分析方法所獲結果具有較高精密度和準確性，且與分光光度法相比，其數量級得到了顯著提升。目前，常用的連續流動分析儀配備了一系列輔助軟件和設備，讓分析過程變得更加高效、簡易，加之數據的自動化處理，讓分析結果也變得更加清晰。這類檢測方式可在水源水、飲用水等水質分析中推廣使用。

3.3 建立供水水質監察全過程水質評價體系

對于供水水質監察全過程而言，其水質評價體系的建立是以其中的水質指標為基礎。為了確保水質內控指標的實現，建立體系時選擇了與之相匹配的數學模型，以此來預測和分析水質的變化態勢，并對照用戶終端和管網的水質變化規律，將結果反饋至水廠處，指導水廠進行生產，并為水廠的管網管理、水質改善與調動提供一定的技術支撐，并在加強全過程監察水平的同時，實現降低能耗的目的[10]。

4 結語

粉末活性炭-超濾膜-紫外線聯用工藝可有效適應目前國內核心城市生活飲用水品質提升的發展需求。從長遠來看，供水企業引入先進的生產技術，以此提升水質風險管理力度，建立有效的水質監測機制，及時調整監測指標和頻率，才能從源頭上提升居民生活飲用水的品質。