我國給水深度處理應用發展的問題
摘 要：水質預處理常用氯氧化，當有機污染尚未得到去除時，會產生較多的有害消毒副產物。目前采用KMnO4與其復合劑（一種專門商品）的應用逐漸展開，對氧化有機物、改善混凝取得較好效果。根據當地水質采用KMnO4是否會產生有害氧化物，是否降低Ames致突活性，報道甚少，仍需作針對性的研究、測試。
1.生活飲用水水質標準是綱，綱舉目張
我國國家水質標準還是1985年前定的，當時就規定了35項水質項目，迄今為止尚無新的國家標準頒布。
我國衛生部于2001年以《生活飲用水衛生規范》名義頒布了水質檢驗項目，其中常規檢驗項目34項，非常規檢驗項目62項。雖然這96項水質項目中規定了大量的有機污染物限制濃度，可以與發達國家接軌，但在“水質監測”中都規定“對水源水、出廠水和部分有代表性的管網末梢水至少每半年進行一次常規檢驗項目的全分析。對于非常規檢驗項目，可根據當地水質情況和存在問題，在必要時具體確定檢驗項目和頻率”。雖然說這符合我國國情，很多檢驗項目需要高精度的儀器才能分析測定，大多數地區、城市尚不具備這些條件，但實際上放棄了非常規項目（眾多有機污染物）的檢驗。好在常規檢驗中規定了耗氧量這一有機物綜合性指標，控制有機物的攝入總量，要比85年的目標前進了一大步。
我國建設部于2004年7月審查了《城市供水水質標準》，遵循不低于衛生部的標準并盡量與之協調的原則，該標準中對濁度“特殊情況下不超過5度”改成不超過3度，對耗氧量“特殊情況下不超過5mg/L”注明為當原水耗氧量>6mg/L時，不超過5mg/L，這就明確規定凡水源水<6mg/L時必須達到3mg/L，較之衛生部規范更嚴了。建設部規定常規檢驗40余項，非常規檢驗60余項。建設部的行業標準有望今年可批準。
2001年的衛生部規范、2004年建設部行業標準的頒布為我國新的生活飲用水水質國家標準的制定奠定了基礎，將能有效防止我國自來水行業水質標準執行過程中的混亂現象。
水質項目耗氧量是針對我國原水有機物污染較普遍、較嚴重的現狀進行總量控制所必須的，因為檢測眾多的單個有機物目前尚為困難，但有機污染量微，卻對健康有著潛在的威脅，隨著時間的推移，在人體中積累到一定程度就會得病，況且人們對有機污染物的危害還有漫長的認識過程，今后有機污染物的水質項目還會增多、變嚴，因此少攝入總比多攝入好。傳統地表水處理工藝對有機污染去除有限，為了保證飲用水CODMn<3mg/L的要求必將采用深度處理。
原建設部作為達標的水質項目只有4項：濁度、余氯、細菌總數與總大腸桿菌，而回避了用戶最敏感也最有爭議的嗅味、色與最擔心的耗氧量。這次城鎮供水水質標準規定作為達標的水質項目10項，將色、嗅味、耗氧量等都列入，這就更完善、更全面衡量飲用水水質是否達到要求，對各供水單位提出更嚴格要求，也更好體現了“以人為本”的原則。
有了水質標準作為依據，要全面達到標準，給水工作者就應針對水源水質情況采取切實措施滿足常規各水質項目，然后逐步檢測非常規項目中各項有機污染物，因此勢必在凈化過程中采用國際先進工藝與技術，改善輸水與配水管網，將合格飲用水送給用戶，這將有效地推動給水事業進步，繼而推動水源保護與江、河、湖、庫水質的提高。
2.水質預處理
2.1 化學氧化
水質預處理常用氯氧化，當有機污染尚未得到去除時，會產生較多的有害消毒副產物。目前采用KMnO4與其復合劑（一種專門商品）的應用逐漸展開，對氧化有機物、改善混凝取得較好效果。根據當地水質采用KMnO4是否會產生有害氧化物，是否降低Ames致突活性，報道甚少，仍需作針對性的研究、測試。
臭氧預氧化可以提高有機物的可生物降解性，又可除嗅、脫色，去除鐵、錳，但往往結合后續深度處理臭氧－活性炭時才采用。
2.2 投加吸附劑粉末碳
一般只有在消除沖擊性污染時采用，因投加量需10～20mg/L，耗費較高（約需0.05元/m3左右）。
2.3 調節pH
由于投加酸與堿，運行成本增加，又在原水中增加無機離子，在我國很少采用。
2.4 投加絮凝劑
投加絮凝劑量不多（小于1mg/L）往往能獲得好的效果，但我國仍習慣于只加一種混凝劑。
2.5 生物預處理
對水中氨氮的去除生物降解最有效，同時可去除一些有機物、鐵、錳，現在上海與浙江嘉興地區已有應用。
2.5.1 生物接觸氧化
一般情況下NH4+-N可去除80％左右，CODMn去除不穩定，溶解性CODMn約可去除5－10％。較多的采用彈性材料，利用混凝土骨架綁扎，價格便宜被粵港公司400萬m3/d工程中使用，上海與嘉興桐鄉也有采用。彈性填料運行中主要問題是填料上積的泥不能自動脫落，填料上的生物膜不易更新。
流化填料是塑料片組成的球，比重控制在0.96-0.98在水中懸浮滾動，采用多孔管曝氣使球上下翻動處于流化狀態，球上的膜不會積累，易更新，脫落的膜隨水流帶出。嘉興地區、海寧、桐鄉已采用，已獲初步成效，尚有待長時間運行的總結。該填料只需填充池容積的一半，每m3填料800元。
2.5.2 生物陶粒濾池
由于顆粒填料粒徑小，比表面積大，生物膜量大，除具有生物絮凝、吸附、降解作用外，又有過濾作用，因此較其他填料去除氨氮效率較高，除生物降解有機物，還能有效去除懸浮、膠體態的有機物，由于反沖洗，濾料上生物膜易更新，CODMn去除約10～20%。
生物濾池的問題在于有水頭損失，需定期（1星期左右）反沖，消耗水。普通陶粒（粉末狀）約500元/噸，圓形顆粒約800元/噸，堆積容重約0.8。
2.5.3 卵石填料
粒徑20～40mm，層厚3.4m，中試柱直徑0.4m，濾速2.5m/h，曝氣量2.5∶1，由美國水環純水務集團與中國市政工程西北設計院浙江分院在嘉興乍浦水廠及平湖古橫橋水廠進行試驗，可將NH4+-N從10mg/L降解到0.2mg/L，去除率98%。
該研究拓寬了思路，將污水處理技術引入給水生物預處理取得初步結果。但可能存在的問題是濾池不設反沖系統，卵石填料積泥后不好運行。我國曾引入前蘇聯的接觸濾池，水由底部進入，最終因長期運行后底部積泥而未得到推廣；再有濾速僅2.5m/h，勢必池子面積龐大。
污水處理中曝氣生物濾池可以將水中NH4+－N從20～30mg/L降至<1mg/L，問題在于給水處理是否要為去除NH4+－N付那么大代價。
希望該技術能結合給水處理特點進行長時間的試驗，從性價比來論證其應用的可能性。
深度處理技術常用的是臭氧－生物活性炭（O3-BAC）。目前在深圳、廣州、上海都已實施，從其發展趨勢看，今后當水源水質超過II類時，必須采用，才能滿足水質標準中CODMn的要求。
3.深度處理
3.1 臭氧氧化與臭氧發生器
臭氧是強氧化劑，可以除嗅、脫色、去除有機物與增加有機污染物的可生物降解性，在給水處理中得到廣泛應用。可臭氧發生裝置在我國目前還正處于發展階段，臭氧發生器幾乎被美國OZONIA與德國維得克壟斷。這兩年臭氧設備與制氧裝置的制造我國企業正在努力突破，迎頭趕上，青島國林公司已生產出6、10甚至20kgO3/h管式（搪瓷管）臭氧發生器。青島膠州科脈公司正在生產2、5kgO3/h板式發生器，盡管質量上與國際上還有差距，關鍵的是我國自制的發生器已經突破10kgO3/h，基本上可以滿足給水事業發展的需要。從價格上占有優勢（1kgO3/h國際上要30萬元，我國<20萬元），在售后服務方面較之國外公司更有長處，可望不斷提高產品質量滿足我國需求。
制氧裝置多有生產，原理皆同，就是設備、零部件的供應不如國外，在必要的氣動閥、分子篩方面從國外引進、提高質量，就能夠適應臭氧生產需要。
3.2 活性炭與生物活性炭
活性炭市場上有粉碎碳、柱狀碳、壓塊粉碎碳，價格不一，粉碎碳多在4500元～5000元/噸，柱狀碳約為5500元/噸，壓塊碳在6500元/噸左右。
粉碎碳系將煤直接粉碎、篩分、烘熔、活化。壓塊碳系將煤磨成粉（50mm），加入石油基粘結劑壓成塊，再粉碎后按需要425℃去除有機物，嚴格控制近1000℃進行活化。壓塊碳吸附性能有很大提高，密度高，耐磨，可再生5～6次。
3.2.1 碳的選擇與O3-BAC
將壓塊碳（泰興）與柱狀碳（ZJ-15）對原水的CODMn做吸附等溫線，結果見表1。
表1 活性炭吸附等溫線試驗結果
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注：壓塊碳試驗原水CODMn5.52mg/L；
ZJ-15碳試驗原水CODMn5.66mg/L。
吸附等溫線試驗結果分析處理后代入Freundrich公式，得：
壓塊碳：
q=14.7Ce0.82 (1)
ZJ-15碳：
q=4.0Ce0.76 (2)
式中：q – 吸附容量，mg/g；
Ce － 平衡濃度，CODMn，mg/L。
從表1與5公式（1）、（2）可見，壓塊碳具有吸附性能優勢。
用壓塊碳進行O3-BAC試驗，此時活性炭成為生物活性炭，進水平均CODMn1.34mg/L，經O3氧化為1.14mg/L,活性炭后0.51mg/L，8個月的試驗，平均去除率為62.2%，不考慮運行初期碳的吸附率高的因素，平均去除率約為55%。該試驗進水水質較好，臭氧投量稍高3～4mg/L，但總的吸附效果要比其他試驗點O3-BAC（用柱狀碳）長期運行平均去除率30～40%為高。
以常規處理去CODMn除35%計，加上深度處理O3-BAC（粉碎碳）對CODMn去除40%，O3-BAC（壓塊碳）去除CODMn50％，推算原水CODMn為6、7、8、9mg/L時綜合工藝出水COD值，見表2。
表2 綜合工藝出水COD值（mg/L）
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從表2可見，采用粉碎碳時原水CODMn8mg/L時綜合工藝出水CODMn為3.12mg/L已經超過水質標準3mg/L，而采用壓塊碳當原水CODMn為9mg/L時，綜合工藝出水CODMn2.93mg/L仍<3mg/L。
以上為推算結果，進一步將用粉碎碳、壓塊碳、柱狀碳用同一原水進行長期比較試驗，從宏觀指標CODMn比較，以確定處理效果，從而解決O3-BAC工藝中應采用價廉的粉碎碳（目前大多數自來水廠采用），還是價格較貴的壓塊碳（國外水廠采用）。同時還將進行單個微量有機物的加標試驗，比較不同碳的去除效果。如果壓塊碳去除CODMn 值高，去除微量有機物效果好，則從性能、價格全面比較，從而證明采用壓塊碳的可取性。
3.2.2 兩級 O3-BAC
寧波自來水公司曾進行兩級O3-BAC工藝試驗，在進水CODMn5.6mg/L時，一級O3-BAC（O3投量3.0mg/L）去除43％，出水CODMn為3.2mg/L，二級O3投量1.5mg/L，O3-BAC在進水CODMn為3.2mg/L時去除率達47％，出水達到1.7mg/L。兩級O3-BAC總去除CODMn70%左右，較一級 O3-BAC大有提高。以常規處理去除 CODMn35%計，兩級O3-BAC進一步去除70％，綜合工藝總去除率約為80％，可以推算出原水CODMn可達15mg/L，出水仍然達標。值得置疑的是第二級O3-BAC能否長期地維持有效去除率，試驗采用的碳是新碳還是老碳，試驗維持多久，如真采用兩級 O3-BAC可以取得70％左右效果，則不失為 O3-BAC的突破。
3.3 活性炭再生
活性炭吸附飽和后應該再生處理，不應丟棄，再生后吸附能力不但不會降低，還能稍有增加，再生時損耗（包括運輸過程損失與升溫損失）約為10%，每再生1噸約需2000元，補充新碳500元，總共2500元。
據嘉興地區統計，活性炭如用一年換碳每m3水需0.09元，用2年為0.06元，3年則僅需0.03元，用后再生，則運轉費還將經濟。
當上海、廣州、浙江、杭州、嘉興地區大規模采用O3-BAC工藝前，應在各地區設置活性炭再生廠以便就地再生補充，為提高居民生活飲用水水質服務。
O3-BAC工藝將廣泛得到應用，工程投資約在250元/m3/d左右，運轉費0.2元～0.3元/m3，在當今水位每m31元～2元之際增加0.2～0.3元應可被接受。
3.4 膜技術的應用
各種膜技術：微濾、超濾、納濾、反滲透在分質給水系統制取純凈水與飲用凈水中都已有效地應用。在污水回用、工業給水中也已有應用實例，惟在市政供水中尚未見報道。廣東東莞虎門曾建成10, 000m3/d的微濾工程凈化受污染的東江水，但因去除溶解性有機物不理想并未成功。
3.4.1 微濾、超濾
當原水水質好，且有濁度、細菌需去除的情況，如清潔的水庫水、泉水，此時微濾、超濾都將有好的凈化效果。
在地下水中硬度、硝酸鹽超標時，采用納濾膜能很好地去除無機鹽與有機污染。北京水源三廠正進行著有效的試驗。天津郊區利用納濾去除地下水中的氟很有成效。
當附近無其他水源，遠距離調水成本太高，目前取水水源又遭到較為嚴重污染，即使增加 O3-BAC工藝仍不能達標時，納濾技術的應用將不可避免。
利用微濾、超濾直接凈化地表水，以及采用混凝－微濾、混凝－過濾－微濾（或超濾）已有試驗結果。對于微污染水源采用混凝－沉淀－投加粉末碳－微濾也都有試驗。
清華大學、上海荏原環保公司、嘉源給水排水公司聯合在嘉興南門水廠做了較長時間試驗。原想利用膜生物反應器加入粉末碳有效地去除CODMn，但試驗結果不甚理想，膜反應器中投加粉末碳只有吸附效果，未能起到生物碳的作用，不如先進入顆粒活性炭濾池然后再進入微濾。這樣，膜生物反應器并不適宜于處理微污染原水。
3.4.2 納濾
納濾技術在濾池后一般可去除CODMn60～70％，再加上前處理去除35％，總去除率可達75～80％，較之常規處理加O3－BAC總去除CODMn55～65％為高。因此在O3－BAC工藝中仍達不到要求時，高效去除CODMn的技術當屬納濾。當無機離子不高，主要去除有機物時可選與之相適應的納濾膜。
納濾膜我國尚不能生產，國際上膜價格已逐漸下降。目前納濾裝置（與反滲透相當）的投資約為600元/m3/d，超濾膜我國可生產且質量不差，超濾裝置投資約為300元/m3/d，國外超濾裝置也需600元/m3/d。
納濾技術每m3水的運行費用需視原水水質、膜清洗的耗藥費、水費、升壓0.8-1.0MPa所需電費以及占重要比重的膜價格與使用壽命而定。一般正常情況下納濾膜可使用2～3年，超濾膜約為3～5年。
3.5 關于凈化工藝中氨氮的去除
在具有預處理、常規處理、深度處理（O3-BAC）綜合工藝中，水中NH4+-N有可能在以下環節去除：
（1）在預加氯過程中氯與氨的化合或在生物預處理中得到去除；
（2）在混凝沉淀過程中去除以懸浮顆粒、膠體態存在的有機氮與氨氮；
（3）在濾池濾層中長有生物膜的砂粒層的生物降解作用；
（4）經O3氧化得到充氧的水再流過生物碳層被生物降解；
（5）最后加氯消毒時部分氨被化合。
原水中氨氮經過以上多級屏障得到去除，其中伴隨著NO2--N被生物氧化成NO3--N的作用。因此不用過分強調生物預處理的氨氮去除率，而采用諸如降低濾速、增加接觸時間、增加氣水比等耗費過大的代價來換取高氨氮去除率。只需充分發揮每一技術環節的生物作用（例如斜板上的生物膜等）就能較好地、全面地去除。
生物預處理可以有效降低氨氮（70%～90%）與去除部分CODMn（視不同填料約為5%～20%），能產生生物絮凝而減少混凝劑（約1/3）。但由于停留時間1～1.5h，構筑物體積大、占地面積大，需投入適當資金（100～120元/m3/d）。因此生物預處理適用于在只有常規處理工藝、原水氨氮較高、CODMn較高，當采用生物預處理后整個工藝就能較好去除氨氮與CODMn，使出水達標的情況。
當有深度處理O3-BAC時，如氨氮并不很高（如小于3mg/L），可以不設生物預處理，采用預O3氧化（如上海周家渡水廠），使后續混凝沉淀過程、過濾濾料層與BAC發揮生物降解作用，有效去除氨氮。
消毒是給水處理工藝的的重要組成部分。氯消毒是國內外最主要的消毒技術，美國自來水廠中約有94.5%采用氯消毒，中國據估計99.5%以上自來水廠采用氯消毒。但氯消毒近二十年受到很大挑戰，主要由于下面三個方面的原因：1）消毒副產物問題。越來越多的消毒副產物如三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵代腈、鹵代醛等在飲用水中被發現。三鹵甲烷和鹵乙酸由于其強致癌性已成為控制的主要目標，而且也分別代表了揮發性和非揮發性的兩類消毒副產物。美國專門有消毒劑和消毒副產物法（D/DBPs RULE）對氯消毒劑和消毒副產物進行了規定，中國衛生部《生活飲用水衛生規范》和建設部新的行業標準《城市供水水質標準》也都準備將消毒副產物增加到水質標準中。因此氯消毒副產物的控制十分關鍵。2）賈第蟲和隱孢子蟲的問題。由于兩蟲有抗氯性，特別是隱孢子蟲，氯消毒幾乎不起作用，因此采用新的有效的消毒方式以保證飲用水安全性十分必要。3）飲用水生物穩定性問題。由于飲用水中生物可同化有機碳的存在，細菌能在管網中生長并形成生物膜，即使管網中余氯量很高也很難完全控制細菌的再生長，并對水質和輸水管造成不利影響。
為了保證飲用水的安全性，包括微生物指標和消毒副產物指標將越來越嚴格，因此有必要對消毒技術進行改進。目前可行的方法有：
4.消毒
4.1 優化氯消毒
因為氯消毒是現階段的主體消毒技術，而且可以預計在短期內不會有根本變化，因此對氯消毒進行技術優化十分必要。手段包括：1）對清水池設計進行改進，以Ct10為設計和運行依據；2）以氯和氯胺消毒有機組合的方式；3）多點加氯；4）采用統合式IDDF模型作為氯消毒設計框架（Integrated Disinfection Design Frameworks）。
4.2 采用紫外線消毒
紫外線是指電磁波波長處于200 ～ 380 nm的光波，一般分為三個區，即UVA（315 ～ 380 nm）、UVB(315 ～ 280 nm)、UVC（200 ～ 280）。低于200 nm的遠紫外線區域稱為真空紫外線，極易被水吸收，因此不能用于消毒。用于消毒的紫外線是UVC區，即波長為200～280nm的區域，特別是254nm附近。紫外線消毒機理與前面的氧化劑不同，是利用波長254nm及其附近波長區域對微生物DNA 的破壞，阻止蛋白質合成而使細菌不能繁殖。由于紫外線對隱孢子蟲的高效殺滅作用和不產生副產物，紫外線消毒在給水處理中顯示了很好的市場潛力。
紫外線的滅菌作用最早在20世紀初由英國學者貝納德和莫加報道，真正開始應用為二十世紀六十年代。早期主要是低壓汞燈（LP），九十年代中壓汞燈（MP）和脈沖汞燈（P-UV）得到研究、應用。
紫外線消毒技術在飲用水處理中的應用自1993在美國Milwaukee市爆發隱孢子蟲病后倍受青睞年，因為氯消毒不能有效殺滅隱孢子蟲卵囊，而研究發現紫外線對隱孢子蟲卵囊有很好殺滅效果。而且在常規消毒劑量范圍內（40 mJ/cm2）紫外線消毒不產生有害副產物，因此在西方發達國家應用實例在近幾年增加十分迅速，特別是在小型水廠。為此國際紫外線協會（IUVA）在1999年成立。
美國對新技術在飲用水處理中的應用歷來比較遲緩、保守，但對紫外技術的應用則采取了出乎以外的快速行動。美國環保局在實驗室證實紫外消毒對隱孢子蟲的滅活有效后僅僅5年就批準了紫外線消毒在飲用水中的應用。大型水廠如西雅圖水廠今年將建成紫外消毒系統，紐約自來水廠計劃2006年建成紫外線消毒系統（見Water 21, 2004年第8期19－20頁）。
紫外線消毒的優點有：1）對致病微生物有廣譜消毒效果、消毒效率高；2）對隱孢子蟲卵囊有特效消毒作用；3）不產生有毒、有害副產物；4）不增加AOC、BDOC等損害管網水質生物穩定性的副產物；5）能降低嗅、味和降解微量有機污染物；6）占地面積小、消毒效果受水溫、pH影響小。
紫外線消毒的缺點主要有：1）沒有持續消毒效果、需與氯配合使用；2）石英管壁易結垢，降低消毒效果；3）消毒效果受水中SS和濁度影響較大；4）被殺滅的細菌有可能復活；5）國內使用經驗較少。
4.3 采用二氧化氯和臭氧消毒
為了滅活兩蟲、減少氯代消毒副產物，采用二氧化氯和臭氧消毒成為新的選擇之一。二氧化氯有以下幾點優點：1）殺菌效果好、用量少，作用快，消毒作用持續時間長，可以保持剩余消毒劑量；2）氧化性強，能分解細胞結構，并能殺死孢子；3）能同時控制水中鐵、錳、色、味、嗅；4）受溫度和pH影響小；5）不產生三鹵甲烷和鹵乙酸等副產物。臭氧消毒有以下優點：1）殺菌效果好、用量少，作用快，2）能同時控制水中鐵、錳、色、味、嗅，3）不產生鹵代消毒副產物。因此二氧化氯消毒在我國某些水廠已經開始得到應用；臭氧消毒也在中水回用中有應用。
但二氧化氯和臭氧消毒都有各自的缺點。二氧化氯消毒的缺點是：1）二氧化氯消毒產生無機消毒副產物亞氯酸根離子（ClO2-）和氯酸根離子（ClO3-），二氧化氯本身也有害，特別是在高濃度時，因此美國EPA消毒劑和消毒副產物法和我國建設部的《城市供水水質標準》的水質標準（報批稿）對此都有規定。2）另外二氧化氯的制備、使用也還存在一些技術問題，二氧化氯發生過程操作復雜，試劑價格高或純度底，二氧化氯的運輸、儲藏的安全性較差，因此國內盡管目前二氧化氯在小規模的給水廠有應用，但大型水廠還未見使用的報道。
臭氧消毒的缺點是：臭氧分子不穩定，易自行分解，在水中保留時間很短，小于30分鐘，因此不能維持管網持續的消毒效率，而且臭氧消毒產生溴酸鹽、醛、酮和羧酸類副產物，其中溴酸鹽在水質標準中有規定，醛、酮和羧酸類副產物部分是有害健康的化合物，部分使管網水生物穩定性下降，因此臭氧消毒在使用中受到一定的限制。對于大、中型管網系統，采用臭氧消毒時必須依靠氯來維持管網中持續的消毒效果。
因此從發展的角度看，在氯、紫外線、二氧化氯和臭氧等主流消毒技術中，紫外線極其組合消毒技術由于其消毒效率高，不產生消毒副產物或產生的消毒副產物少在給水處理中將有很好的前途。
綜觀近年來在水源水質日益惡化、水質標準從嚴制定的情況下，給水深度處理工藝已初露萌芽，隨著試驗研究的進展，對已有工程的認真總結，加上國外技術的引進，相信今后5年將得到蓬勃發展。給水工作者將能在廣闊的田野上辛勤勞動，努力工作，預望收獲豐收的果實，為人們喝上一口好水作出自己的貢獻。
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