給水處理新技術研究

徐堅

上海勘測設計研究院有限公司 上海 200335

水資源是人們賴以生存和發展的物質基礎和基本保障，同樣，城市的建設與運行也離不開水資源系統的支撐。在經濟飛速發展的背后，大量的水污染持續破壞著水生態系統的穩定性，大大增加了水資源的風險系數。在城鄉一體化逐步實施，供水需求日益增加的背景下，水資源短缺嚴重影響了城市的發展與人們的日常生活。如何為用戶提供高質量的供水，并且保障供水的有效性與及時性，是學者們的重點研究方向。傳統的給水處理技術處理效率低下，并且對于原水水質有較高的要求。為了保障城市的正常運轉以及居民日常生活的需要，就要采用高效、科學的給水處理新技術。給水處理新技術在供水環節中的廣泛應用，不僅能夠提高處理效率與用水安全性，也有利于實現我國給水系統經濟效益的最大化。

1 傳統給水處理技術

1.1 傳統工藝基本流程

傳統給水處理技術主要分為四個流程：混凝、沉淀、過濾和消毒[1]。這種工藝流程的作用主要是增強水體的透明度、吸附水中的有機顆粒、攔截水中懸浮雜質以及消殺水體中的病菌，從而實現水質的凈化處理。這樣的水處理技術較為簡單，不需要復雜的設備，處理成本也相對較低，能夠大規模地為城市生產生活提供用水。但是在實際的應用過程中，尤其是在復雜的原水水質供應情況下，水的處理凈化效果往往得不到保障，使得生產生活受到一定影響。

1.2 傳統工藝存在的問題

(1)處理效率低

傳統的給水處理技術在進行水處理的過程中，基本都是利用氧化反應以及催化反應，這種反應機制在一定程度上使得水處理周期較長。此外，傳統的給水處理設備相對陳舊，容易出現故障從而導致運行效率較低。因此，尤其在用水高峰期以及特殊用水情況下，傳統的給水處理技術很難讓用水需求得到有效的保障。

(2)水質易受藥劑影響

傳統的給水處理基本上是通過投加化學藥劑的方式對水質進行凈化，通常是投加鋁離子作為絮凝劑。高濃度的絮凝劑可以使水體得到有效的凈化，但是如果沒有將沉淀雜質及時清除，就會導致水體化學物質的大量聚集從而影響水質。對于工業化生產用水，如果水中含有較多金屬離子，可能會對產品質量造成影響。

(3)消毒不徹底

傳統的給水處理采用加氯方式對水體中的細菌進行消除，確保水質能夠符合居民飲用水標準。但是隨著部分水體受污染程度逐漸加重以及細菌的不斷變異，加氯已經不能保證水體中的細菌被完全消除。同時，細菌強大的適應能力也使得加氯效果進一步削弱。如果供水中的細菌含量較高，則會嚴重危害人體健康。

2 現代給水處理新技術

隨著我國工業化的迅速發展以及城市化進程的推進，城市所產生的污水量急劇增加。大部分的污廢水通過市政管道進入污水廠進行處理，但是由于污水收集率的限制以及管道不同等級的缺陷，仍有大量污水進入了自然水體。水源受到不同程度的污染，讓給水的處理帶來了一定的困難。《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）自全面實施執行后，傳統的給水處理技術已經難以適應現有的水質變化以及達到實行的水質標準。所以，為了達到對水源的有效處理，尤其是去除水中新出現的污染物，保障人民群眾的飲用水安全，新的給水處理技術便由此展開研究并逐步推廣應用。

2.1臭氧生物活性炭

臭氧生物活性炭工藝是一種將臭氧化學氧化、活性炭物理化學吸附、生物降解及臭氧消毒滅菌合為一體的飲用水深度處理工藝[2]。臭氧的強氧化性，使其能夠去除水中色度、臭味，并且溶解性有機物的分子結構在臭氧的氧化能力下得到破壞。而生物活性炭是活性炭在飲用水處理的應用實踐中逐步發展應用的。生物活性炭對比普通的活性炭來講，吸附效果更好并且活性炭的再生周期得到大大延長。臭氧生物活性炭工藝以傳統水處理過程為基礎，將原水進行預臭氧化。臭氧的投加初步分解水中的有機物，同時部分難生物降解的有機物斷鏈、開環，使其能夠被生物降解。臭氧分解產生的氧氣，可以補充后續濾池的溶解氧，創造好氧環境從而提高好氧微生物活性。經過臭氧預處理后，生物活性炭迅速吸附水中溶解性有機物，同時表面的微生物也能達到去除有機物的效果，在這個過程中，活性炭還能吸附臭氧氧化產生的中間產物。隨后進行臭氧后氧化階段，將水體中的細菌體消殺。

在20世紀80年代，我國開始了臭氧生物活性炭技術的探索，主要是針對處理含有較高濃度的有機物與氨氮的原水。北京村山水廠[3]是我國第一座采用臭氧生物活性炭技術的給水廠。運行結果表明，采用了新工藝的村山水廠在不同的來水水源條件下對濁度、CODMn以及臭味的去除效果較好，出水水質滿足要求，運行較為穩定。進入21世紀以來，關于臭氧生物活性炭技術的研究迅速發展，諸多研究人員關于該技術的處理效果展開了諸多研究。陳儀春[4]等通過研究活性炭中微生物生長情況以及有機物的去除效果來優化臭氧生物活性炭處理工藝的效果。試驗結果表明，溫度是影響微生物生長的重要因素。當溫度保持在25℃時，微生物的生長速度達到最大。當炭濾池運行到240~270天時，活性炭表面形成穩定的生物膜，整個工藝過程對CODMn、UV254、BDOC的平均去除率達到70%、90%和85%。徐春蕾[5]等選取江蘇省以長江、太湖、淮河和沂沭泗水系為水源的水廠，對其水質數據進行研究。結果表明，在水廠工藝改造為臭氧生物活性炭技術后，出水渾濁度明顯降低，僅為0.1~0.4NTU，CODMn僅為1.0~2.7mg/L。

2.2 超濾膜技術

膜技術作為一種跨學科的實用型技術，其高效、節能、無污染及用途廣等特點，在諸多領域受到了廣泛的應用，甚至被認為是當代最具有發展前途的高新技術之一[6]。超濾膜作為膜分離產品的一種，它的孔徑范圍在0.05μm~1mm之間，膜的透過速率為0.5~5m3/（·d）。超濾膜技術則是根據超濾膜的特性而形成的一種膜分離技術。這種技術以超濾膜為過濾的介質，在一定的壓力下，當水流過濾膜表面時，僅有水及低分子溶質透過，從而達到截留雜質、溶液得到凈化的效果。

在給水處理領域，超濾膜技術則是近年來學者們熱門研究的新技術。與傳統工藝相比，超濾膜技術的出水水質更加穩定可靠。在原水水質不斷波動的情況下，超濾膜工藝可以將產水的濁度穩定降低到0.1NTU以下[7]。此外，超濾膜較小的孔徑尺寸可以有效地過濾微生物分子，極大地減少了消毒劑用量，所以出水化學安全性也較高。由于通過超濾膜組件進行過濾，所以該技術適用于任何規模供水量的處理，僅需增減組件數量即可，所以操作方便靈活，占地面積也能夠得到大幅度的減少。在我國，超濾膜技術始用于杭州灣新區給水廠[8]。該廠以四灶浦水庫為水源，原水氯化物含量高，屬苦咸水水質。由于傳統的給水處理技術難以去除原水中溶解性無機離子，因此采用超濾膜技術進行處理。運行結果顯示，采用超濾膜技術后水廠處理效果穩定，去除率高，不但去除氯化物等離子雜質，對于微生物、病毒和熱原質都有較好的去除效果。

隨著超濾膜技術的大量應用，該技術的短板也逐漸明顯。超濾膜在使用后產生的膜污染是限制超濾膜應用的重要原因。在超濾膜表面沉淀的各種雜質，減小了膜通量，從而影響過濾效果。為了解決膜污染問題，水力清洗與化學清洗是常用途徑，但是頻繁的清洗則加大了制水成本。所以針對膜組件的污染問題，仍需要學者們不斷地進行研究從而找到合適的解決辦法。

2.3 納濾膜技術

納濾膜同樣作為一種新型分離膜，又被稱為“低壓反滲透膜”或“疏松反滲透膜”，它的孔徑尺寸為1~2nm，截留分子量在200~2000Da（道爾頓）之間，對溶質的截留能力介于反滲透膜與超濾膜之間。無論是天然有機物、合成有機物，或者是消毒副產物及其前體物如三鹵甲烷等，納濾膜都能進行有效的截留。此外，納濾膜的表面分離層是由聚電解質構成，因此對于截留無機鹽物質具有較好的效果。將納濾膜技術應用于給水生產，不僅可以有效去除原水中的重金屬、無機鹽、病毒及寄生蟲等，還能夠保留對人體有益的礦物質和微量元素[9]。這些優質的性能使其擁有其他膜技術無法代替的作用，因此納濾膜在給水領域具有極大的發展前景。

早在1995年，美國佛羅里達州便開展了利用納濾膜處理飲用水的試驗研究[10]，飲用水硬度明顯降低，試驗得到顯著效果。在1999年，法國巴黎Mery-sur-Oise水廠建成處理水量為14萬m3/（·d）的納濾膜處理系統，投運結果顯示，該廠出水水質極好，對于有機物和殺蟲劑的清除十分有效，自建成以來該水廠向周邊80萬居民提供高品質的飲用水[11]。在我國，山東長島南隍城納濾示范工程則是納濾技術的實際應用[12]。采用納濾膜技術制備的飲用水，符合國家生活飲用水衛生標準。在水污染程度不斷加重以及飲用水安全面臨挑戰的情況下，納濾膜技術發展迅速，在給水處理中得到了廣泛的應用，但如何提高納濾膜的除污效率，以及降低膜污染，仍是制約其發展和推廣的關鍵問題。在未來，納濾膜組件的優化、新型膜材料的研發和膜污染的控制將會是學者們的研究重點。

2.4 紫外消毒技術

紫外線是一種波長分布在200~400nm的電磁波，其中波長為200~300nm的紫外波段具有殺菌消毒的功能。微生物在吸收紫外線后，核酸受到紫外線光化學反應破壞而失去復制再生功能，從而達到滅活的效果。與傳統的加氯消毒相比，紫外消毒殺菌能力強，不殘留任何有害物質。有研究成果顯示[13]，僅在強度為30mW/cm2的紫外光輻射強度下，絕大部分細菌在1s內便被接近100%滅活。與此同時，紫外消毒的運行成本也相對較低。上海臨江水廠將紫外消毒與臭氧消毒進行對比[14]，在一次性投資相同的情況下，紫外消毒的年運行成本僅為臭氧消毒的25%左右。

紫外線消毒這種簡單高效的物理消毒方法，使得眾多工程應用相繼投入。根據數據顯示，在歐洲有2000多套紫外線消毒系統用于飲用水處理，美國及日本紫外消毒技術也有著廣泛的應用。我國關于紫外消毒技術的研究應用相較于國外則起步較晚。但是隨著水質要求的提高以及相關標準的出臺，紫外消毒技術在我國逐步得到推廣。天津開發區凈水廠，建成了國內首家利用紫外線和氯消毒技術的水廠，產水能力達到了32.5萬m3/d，該技術的使用也保證了出水水質達到國家標準。同樣，紫外消毒技術存在一定的消毒缺陷。J.Wist[15]等人在試驗中對原水進行紫外線照射觀察，當照射時間達到1.5h時，原水中的菌落數量直線下降。但是當停止光照時，菌落數量開始回升。經過24小時后，數量甚至可以達到處理前的水平。由此可見，在一定的情況下紫外消毒并不是對水體保持持續性的消毒。這說明紫外消毒技術存在一定的使用條件，對于處理的水質有較高的要求。

3 總結

水資源是人們生存發展必需的能源之一，給水處理新技術無論是在生產方式還是生產效率上，都遠超過傳統的給水處理技術。所以為了保障社會的有序運行及居民的健康發展，采用高效、科學的給水處理新技術是勢在必行的。當然，不斷改良與研發新的技術，推進現代給水新技術應用，仍需要學者們的潛心研究。