國內(nèi)外飲用水深度處理技術(shù)概述

隨著有機化工、石油化工、采礦、農(nóng)藥和醫(yī)藥工業(yè)的迅速發(fā)展，造成水源水污染的有害物質(zhì)數(shù)量也逐年增多。水源水中的人工合成有機物污染、內(nèi)分泌干擾物污染等問題 都開始受到人們的關(guān)注。這些污染物濃度很低，但很難通過常規(guī)的水處理工藝有效去除，且來源難以確定，已成為飲用水水質(zhì)凈化面臨的重要挑戰(zhàn)。研究表明，通過對原水采用預(yù)處理，以及在常規(guī)水處理后再進行深度處理可以改善和提高飲用水水質(zhì)。

一、飲用水預(yù)處理

預(yù)處理通常是指在常規(guī)處理工藝前面采用適當?shù)奈锢?、化學和生物的處理方法，對水中的污染物進行初級去除。同時使常規(guī)處理更好的發(fā)揮作用，減輕常規(guī)處理和深度處理的負擔，發(fā)揮水處理工藝的整體作用，改善和提高飲用水水質(zhì)。

工程中可采用的預(yù)處理方法有:生物預(yù)處理法、化學預(yù)氧化法、粉末活性炭法等。

（1）生物預(yù)處理法

針對水源水被污染的特性，可適時增加生物預(yù)處理。生物預(yù)處理主要是對原水進行曝氣或其他生物處理，去除水中氨氮和生物可降解有機物，包括生物接觸氧化池和曝氣生物濾池等。1971年，日本的小島貞男首次成功地將生物接觸氧化法應(yīng)用于富營養(yǎng)化水源水預(yù)處理，去除藻類60%^80%,氨氮90%以上，嗅味50%-70%，使水廠出水水質(zhì)得到明顯改善，把本來屬于污水處理應(yīng)用范疇的生物法引人了給排水處理領(lǐng)域。

生物預(yù)處理工藝以生物膜法為主導，生物預(yù)處理的填料上生長著細菌、原生動物、后生動物等微生物形成生物膜，在與水接觸時，生物膜上的微生物攝取、分解水中的有機物和氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。去除常規(guī)工藝不能充分去除的氨氮、亞硝酸鹽氮、藻類、可生物降解有機污染物等，此外，還能去除或減少可能在加氯后生長的致突變物質(zhì)的前驅(qū)物，不同程度地去除原水中的鐵、錳、色、嗅及濁度，從而使水得到凈化。其中，CODMn,,去除率一般為15%-20%，氨氮和亞硝酸鹽去除率可高達80%以上。 

生物預(yù)處理適合于水中有機污染物可生化性較強、無工業(yè)廢水污染的情況，，對優(yōu)先污染物去除效果也不佳，且無法間歇運行等。如果原水受生活污水污染，有機物和氨氮較高〔接近或超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002) 中的111類水體的上限〕，與增加臭氧一活性炭深度處理相比，選用生物預(yù)處理是解決該類水質(zhì)問題的經(jīng)濟合理的選擇方案。生物預(yù)處理方案的確定應(yīng)結(jié)合已有研究成果和原水水質(zhì)特征進行必要的模擬試驗，確定生物預(yù)處理的工藝適用性、池型及設(shè)計和運行參數(shù)。

(2)化學預(yù)氧化法

化學預(yù)氧化法是將氯、臭氧、高錳酸鹽等氧化勢較高的氧化劑投加到原水中，以氧化或者催化氧化水中的有機物或改變有機物的性質(zhì)，同時削弱污染物對常規(guī)處理工藝的不利影響，強化常規(guī)處理工藝的除污效能?；瘜W預(yù)氧化的目的主要是為去除水中有機污染物和控制氧化消毒副產(chǎn)物，從而保障飲用水的安全性。此外預(yù)氧化的目的還有除藻、除嗅和味、除鐵和錳、氧化助凝等作用。

在傳統(tǒng)給水處理工藝中，可在多個點加人氧化劑，氧化劑在不同點起著不同的作用。在預(yù)處理過程中，氧化劑和水中多種成分作用，能夠提高對有害成分的去除效率，但各種氧化劑作為預(yù)處理對給水處理的綜合影響程度較大。目前，能夠用于給水處理的氧化劑主要有臭氧、高錳酸鹽、氯、二氧化氯、過氧化氫等。

(3)粉末活性炭法

粉末活性炭法通常將粉末活性炭投加到原水中，吸附水中的有機物，然后通過后續(xù)的混凝沉淀加以去除，該法能夠顯著改善水的色嗅味、對相對分子質(zhì)量為1000-5000 的有機物有較好的去除效果，對于相對分子質(zhì)量較小的有機物，吸附效果往往隨有機物 性質(zhì)的不同而差別較大。國外對粉末活性炭吸附性能做的大量研究表明:粉末活性炭對三氯苯酚、二氯苯酚，農(nóng)藥中所含的有機物，三鹵甲烷及前驅(qū)物以及消毒副產(chǎn)物三氯乙酸、二氯乙酸和二鹵乙睛等均有很好的吸附效果。粉末活性炭可分為干式投加和濕式投加兩種，一般干式投加采用干式投加機，濕式投加采用計量泵。從凈水效果和操作環(huán)境考慮，推薦采用濕式投加。粉末活性炭的投加點一般是水廠進出口、快速混合處、反應(yīng) 池中段和濾池進口，其投加量根據(jù)水質(zhì)的不同而變化較大。

粉末活性炭與粒狀活性炭相比具有基建與投資少、使用靈活、管理方便的特點，特別適于季節(jié)性短期污染高峰負荷的水質(zhì)凈化。在水源受污染較重的季節(jié)，投加粉末活性炭可作為應(yīng)急措施。粉末活性炭可與硅藻土、高錳酸鉀等藥劑聯(lián)用，不僅可以節(jié)省投加量，也能取得更好的處理效果。

二、飲用水深度處理

在飲用水常規(guī)處理后再加上深度處理，能夠?qū)ξ⒘康挠绊懰|(zhì)安全的雜質(zhì)起到很好的去除效果。得到很好的水質(zhì)，另外，現(xiàn)在對直飲水需求的呼聲越來越高，深度處理技術(shù)就顯得更為重要。

（1）砂濾技術(shù)

利用石英砂，去除大顆粒的水中懸浮物，降低水的濁度。

（2）活性炭吸附技術(shù)

活性炭屬于一種非極性吸附劑，對非極性、弱極性的有機物有很好的吸附能力。在水處理中，主要用于去除水中的有機物、膠體硅、微生物、余氯、嗅味、色度及部分重金屬離子，除余氯效果更佳?；钚蕴孔鳛橐环N深度處理技術(shù)，可以用來吸附去除水中的有機物、色、嗅、味、和部分重金屬離子。但在直飲水處理中只能與膜過濾、離子交換器聯(lián)合應(yīng)用，作為其預(yù)處理技術(shù)，濾料為顆?；钚蕴??；钚蕴窟^濾器在以往的工程中，也可用活性炭與臭氧連用方法，處理效果明顯。作為膜法過濾、離子交換器的預(yù)處理，對這些設(shè)備能起到很好的保護作用。

（3）離子交換軟化技術(shù)

常用的鈉離子交換系統(tǒng)、電滲析——鈉離子交換系統(tǒng)和弱酸氫——鈉離子串聯(lián)系統(tǒng)3種。它通過陰、陽離子交換去除水中的鈣、鎂離子，降低水中硬度。

（4）電滲析技術(shù)

在外加直流電場的作用下，利用離子交換膜的選擇透過性（即陽膜只許陽離子通過，陰膜只許陰離子通過），使水中陰陽離子作定向遷移，從而達到離子從水中分離的過程。其主要作用是脫出水中的鹽。體積較大，管理、維護要求較高。

（5）電吸附技術(shù)原理

電吸附水處理技術(shù)，又名電吸式水處理技術(shù)（Electro Sorb Technology），簡稱EST技術(shù)。它是利用帶電電極表面吸附水中離子及帶電粒子的現(xiàn)象，使水中溶解鹽類及其它帶電物質(zhì)在電極表面富集濃縮而實現(xiàn)水的凈化或淡化的一種新型水處理技術(shù)。原水從一端進入陰、陽電極組成的空間，從另一端流出。原水在陰、陽極電極之間流動時受電場作用，水中帶電粒子將分別向帶相反電荷的電極遷移，被該電極吸附并儲存在雙電層內(nèi)。隨著電極吸附帶電粒子的增多，帶電粒子在電極表面富集濃縮，最終實現(xiàn)與水的分離，使水中的溶解鹽類、膠體顆粒及其帶電物質(zhì)滯留在電極表面，而獲得凈化水或淡化水。

（6）微濾膜技術(shù)

微濾膜也稱微孔濾膜，屬于篩型精濾介質(zhì)，表面截留微粒、污染物，達到凈化、分離、濃縮等目的。微濾膜大多是由具有一定剛性和均勻性的纖維素、高分子聚合物材料、無機材料制成的多孔性過濾介質(zhì)。微濾膜過濾技術(shù)，使過濾從一般比較粗糙的相對性質(zhì)，過渡到精密的絕對性質(zhì)。它可以分為表面型和深層型兩類。鑒于微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應(yīng)用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細菌以及其他污染物，以達到凈化、分離、濃縮的目的。制備微孔濾膜的材料很多，商品化的主要有：纖維素脂類、聚酰胺類、含氟材料類、聚烯烴類、無機材料類、聚酯類和聚砜類。其中水處理應(yīng)用最多的是前五種。

（7）超濾技術(shù)

超濾是水和處理應(yīng)用中較早、較成熟的一種膜分離技術(shù)。能夠?qū)⑷芤簝艋?、分離或者濃縮。超濾是介于微濾和納濾之間的一種膜過程，膜孔徑范圍為0.05μm（接近微濾）～1nm（接近納濾）。超濾的典型應(yīng)用是從溶液中分離大分子物質(zhì)（如細菌）和膠體。超濾膜可視為多孔膜，其截留取決于膜的過濾孔徑和溶質(zhì)的大小、形狀。其分離機理主要依靠物理篩分、擴散、遷移作用，小分子物質(zhì)可以透過該膜，而大分子物質(zhì)則被阻在膜外。超濾可以除去水中直徑為0.005-10um的微小物質(zhì)，可以去除水中膠體粒子，改善水體感官性狀，去除水中有機物、細菌等，同時保留對人體有益的微量元素。超濾可以截流水中的膠體，去除水中的細菌、病毒、大分子顆粒，但此方法不能脫鹽。

（8） 反滲透技術(shù)

反滲透是相對于滲透而言的。滲透是一種溶劑（通常指水）通過一種半透膜進入一種溶液或者是從一種稀溶液向一種比較濃的溶液的自然滲透。而反滲透則是在溶液一邊加上比自然滲透壓更高的壓力，扭轉(zhuǎn)自然滲透方向，把濃溶液中的溶劑（水）壓到半透膜的另一邊稀溶液中，這是和自然界正常滲透過程相反的，因而成為反滲透。反滲透作為一門新型膜分離技術(shù)，利用高分子膜進行物質(zhì)分離，可去除水中98%以上的溶解性鹽類和99%以上的膠體、微生物和有機物等，成為現(xiàn)代純水、高純水、海水淡化工程中最佳設(shè)備。它最突出的特點是無污染、工藝簡單、易于操作維修。反滲透處理機理與超濾相似，但它可以有效地脫除水中的無機離子、小分子，與超濾不同的是它具有脫鹽的性能，已在國外廣泛應(yīng)用，也是深度處理飲用水最好的方法。

（9）納濾技術(shù)

與超濾及反滲透等膜分離過程一樣，納濾也是以壓力差為推動力的膜分離過程，是一個不可逆過程。其分離機理可以利用電荷模型（空間電荷模型和固定電荷模型）、細孔模型以及近年來才提出的靜電排斥和立體阻礙模型等來描述。與其他膜分離過程比較，納濾的一個優(yōu)點是能截留透過超濾膜的小相對分子質(zhì)量的有機物，又能透析反滲透膜所截留的部分無機鹽——也就是能使“濃縮”與脫鹽同步進行。納濾是國際上近幾年發(fā)展起來的一種膜分離技術(shù)，它的孔徑范圍在1nm-5nm之間，分子量在100-200Dalton之間的有機物可脫除一部分，分子量在200Dalton以上的有機物，基本完全脫除。而且能脫除水中的細菌、色度、病毒和溶解性有機物等，并保留部分對人體有益的微量元素，其脫鹽率為80%以上。

（10）膜生物反應(yīng)器技術(shù)

膜生物反應(yīng)器（MBR）是由膜分離技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合而形成的一種生物化學反映系統(tǒng)。膜生物反應(yīng)器工藝的實質(zhì)是生物降解與膜分離相互影響、共同作用的過程，即MBR在利用微生物對水中可生物降解污染物進行生物轉(zhuǎn)化的同時利用膜組件分離水中不可生物降解雜質(zhì)，并截留生化反應(yīng)的產(chǎn)物——生物體。膜生物反應(yīng)器的研究始于60年代的美國，70年代，日本由于污水再生利用的需要，開始重視膜分離技術(shù)在廢水處理與回用中的應(yīng)用，建產(chǎn)省分別組織日本的大學、研究所，企業(yè)開始了全面的研究，該研究的深入使得膜生物反應(yīng)器開始在污水處理中得到了應(yīng)用。80年代后，國際上對膜生物反應(yīng)器的研究更是方興未艾，研究內(nèi)容更加全面，為今后的廣泛推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的生化水處理技術(shù)相比，MBR具有以下主要特點：處理效率高、出水水質(zhì)好；設(shè)備緊湊、占地面積??；易實現(xiàn)自動控制、運行管理簡單。80年代以來，該技術(shù)愈來愈受到重視，成為研究的熱點之一。膜生物反應(yīng)器技術(shù)已在美國、日本、英國、德國、南非、澳大利亞等國家和地區(qū)的污水和廢水處理領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。

（11）生物活性炭技術(shù)

生物活性炭技術(shù)是多年來在飲用水處理的應(yīng)用實踐中產(chǎn)生的。在它的發(fā)展過程中，聯(lián)合使用臭氧和活性炭進行處理起到了相當重要的作用。以預(yù)臭氧代替預(yù)氯化，可以使水中一些原不易被生物降解的有機物變成可被生物降解的有機物。此外，臭氧預(yù)氧化的同時還可以提高水中溶解氧的含量。水中溶解臭氧在活性炭的催化分解下，在炭床的頂部很快分解，因此不會抑制炭床中微生物的生長。在適當?shù)脑O(shè)計和運行條件下，活性炭床保持好氧狀態(tài)，在活性炭顆粒的表面生長著大量的好氧微生物，在活性炭對水中污染物進行物理吸附的同時，又充分發(fā)揮了微生物對水中有機物的分解作用，顯著提高了水質(zhì)，并延長了活性炭的再生周期。由于這種活性炭床具有明顯的生物活性，后來被稱之為生物活性炭。歐洲從20世紀70年代末開始了生物活性炭的大規(guī)模研究與應(yīng)用。我國從20世紀80年代初也開始了生物活性炭技術(shù)的研究，目前已有部分給水廠采用了臭氧生物活性炭深度處理工藝。

（12）光催化氧化技術(shù)

對飲用水中致癌物質(zhì)特性的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些致癌物質(zhì)主要是由小相對分子質(zhì)量的有機物造成的，一般處理技術(shù)對此去除率不高。近20年來發(fā)展起來的光化學催化技術(shù)對相對分子質(zhì)量小于120的有機物具有良好的去除能力。自1972年，日本A.Fujishima和K.Honda在n型半導體二氧化鈦（TiO2）電極上發(fā)現(xiàn)了水的光電催化分解作用之后，國內(nèi)外的研究人員對二氧化鈦（TiO2）產(chǎn)生了深厚的興趣。二氧化鈦（TiO2）氧化活性較高，化學穩(wěn)定性好，對人體無毒害，成本低，無污染，應(yīng)用范圍廣，因而最受重視，是目前應(yīng)用最廣泛的納米光催化材料，也是最具有開發(fā)前途的綠色環(huán)保型催化劑。研究表明，納米二氧化鈦（TiO2）能處理多種有毒化合物，可以將水中的烴類、鹵代烴、酸、表面活性劑、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑、木材防腐劑和燃料油等很快地完全氧化為CO2、H2O等無害物質(zhì)。此外，納米二氧化鈦（TiO2）在降解毛紡染料廢水、有機溴（或磷）殺蟲劑等到方面也有一定效果。無機物在二氧化鈦（TiO2）表面也具有光化學活性。例如，廢水中的Cr6+具有較強的致癌作用，在酸性條件下，二氧化鈦（TiO2）對Cr6+具有明顯的光催化還原作用。在PH值為2.5的體系中，光照1h后，Cr6+被還原為Cr3+，還原效率高達85%。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有3000多種難降解的有機化合物可以在紫外線的照射下通過納米二氧化鈦（TiO2）或ZnO而迅速降解，特別是當水中有機污染物濃度很高或用其他方法很難降解時，這種技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢。

（13）預(yù)處理技術(shù)

受污染地表水源中的有機物、氨氮和藻類，常常使常規(guī)處理工藝出現(xiàn)混凝惡化、過濾周期縮短、出廠水中余氯難以保持等問題。在常規(guī)處理前進行化學或生物預(yù)處理成為水處理工藝中必不可少的部分。水處理中的預(yù)處理技術(shù)包括預(yù)氯化、生物預(yù)處理、臭氧預(yù)處理、高錳酸鉀復(fù)合劑預(yù)處理、高錳酸鉀預(yù)處理、紫外線預(yù)處理、過氧化氫預(yù)處理等。

（14）活性氧化鋁吸附技術(shù)

活性氧化鋁是一種極性吸附劑，對水分有很強的吸附能力?；钚匝趸X含巨大比表面積，其比表面積約為200～500m2/g。用不同的原料，在不同的工藝條件下，可制得不同結(jié)構(gòu)、不同性能的活性氧化鋁。當水的PH＝7.1時，它吸附陰離子的親和力順序為OHˉ>Fˉ>SO42ˉ>Clˉ>HCO3ˉ。當原水的PH值和堿度較低時，除氟容量較高，價格比合成樹脂低，還可用于飲水除砷?；钚匝趸X（γ-Al2O3）用于飲水除氟在國外已是相當成熟與普遍的方法；在國內(nèi)的15種理化除氟方法中，該法應(yīng)用也最為廣泛，且比較成功。該法的優(yōu)點是：吸附容量較高，強度好，耐磨，使用壽命長，性能穩(wěn)定，除氟后的水質(zhì)符合國家規(guī)定的衛(wèi)生標準。其不足之處是：在原水不調(diào)pH值、活性氧化鋁粒度較粗（Φ2～3mm）、連續(xù)運行4～6h后出現(xiàn)“疲勞”現(xiàn)象；以往采用硫酸鋁作再生劑時，鋁離子又有一定的環(huán)保問題，而且初濾水水質(zhì)差，活性氧化鋁還有可能發(fā)生板結(jié)。

（15）骨炭吸附過濾技術(shù)

X射線熒光光譜儀的定性分析表明，骨炭主要由Ca、P、S等組成，X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，其主體成分是羥基磷酸鈣，差熱－熱重分析結(jié)果證明羥基磷酸鈣上的羥基是相當穩(wěn)定的，很難與其他離子發(fā)生離子交換過程，也不易脫水，發(fā)射光譜儀分析結(jié)果指出，經(jīng)骨炭降氟處理的出水中Ca2+含量明顯減少，說明Fˉ與Ca2+生成CaF2，被骨炭巨大的比表面積吸附而降低原水中的氟含量。改性骨炭還可以用于除砷。除砷劑的骨架材料具有巨大的比表面積和吸附性能，對除砷功能基團鐵鹽與水中砷形成的絡(luò)合物有特異的親和力，以此達到除砷目的。

（16）消毒技術(shù)

消毒在安全飲用水供應(yīng)中是絕對重要的。在飲用水處理中，消毒對許多病原體尤其是細菌是一個有效的屏障，基本上所有的設(shè)施，包括水源保護、合理的水處理工藝合輸配水系統(tǒng)中預(yù)防和去除微生物的管理對策，都應(yīng)與消毒結(jié)合進行。

目前國內(nèi)外水消毒技術(shù)可分為三大類：化學消毒、物理消毒和抑菌技術(shù)?；瘜W消毒分為加氯消毒和臭氧消毒；物理消毒法以紫外線消毒為主，輔以太陽能輻射、微波或加熱、膜氯菌和高氧化還原電位酸性水；抑菌技術(shù)包括滲銀活性炭和KDF（一種原子化高純度的銅鋅合金顆粒）。

加氯消毒包括氯氣消毒、次氯酸鹽消毒、氯氨消毒、二氧化氯消毒。雖然加氯消毒具有持續(xù)性的滅菌能力，運行、控制相對簡單，但對某些原生動物及隱孢菌素的滅活能力較弱，消毒過程中易產(chǎn)生鹵代甲烷及其它有毒的致癌物,并且化學藥劑的制備、運輸、倉儲需要可靠的安全保護系統(tǒng)。

臭氧消毒所用的臭氧通常是由干燥的氧氣或空氣經(jīng)高壓脈沖電離而產(chǎn)生的。與傳統(tǒng)的加氯消毒法相比，臭氧消毒不會產(chǎn)生鹵代甲烷，且對隱孢子菌有更強的滅活性。但臭氧消毒工藝往往因協(xié)及到氣體干燥、電極冷卻、水氣混合等程序，其設(shè)備投資成本高。另外，臭氧質(zhì)量與濃度易隨時間而衰減，沒有持續(xù)消毒 的能力,對水中殘存有機物的分解受PH影響大(在PH小于5時,氧化分解能力大幅度降低)。

紫外線消毒是通過微生物細胞體內(nèi)核酸吸收了紫外線的光能，破壞DNA及RNA分子結(jié)構(gòu)而達到消毒效果。紫外線消毒不會產(chǎn)生其他副產(chǎn)物,無需化學藥劑的制備、倉儲、運輸。但紫外線對一些病毒（如腸弧病毒和輪狀病毒）的滅活能力較弱，消毒沒有持續(xù)性，消毒后的細菌存在“復(fù)活”現(xiàn)象。另外，紫外線殺菌能力受水質(zhì)影響大，當水濁度大，透光率小時，紫外消毒滅菌能力大大降低。還有，產(chǎn)生紫外線的水銀弧光極易在燈管表面結(jié)垢,造成消毒效果下降，常需清洗甚至更換,從而導致較高的維護費用。

滲銀活性炭是將活性炭浸于含銀化合物溶液中，使活性炭顆粒上吸附上一定量的銀，憑借消毒微動力作用，破壞細菌的酶活性，使其DNA分子斷裂，抑制細菌在活性炭顆粒上的生長繁殖。

KDF技術(shù)是在凈水器中將KDF與活性炭組合，去除水中余氯及其氯化有機物，抑制細菌生長。其作用機理有以下幾種：一是因電子轉(zhuǎn)移而建立的電離場，使大多數(shù)微生物不能存活；二是能使水中的Clˉ和O2ˉ形成氯氧基OCl和過氧化氫H2O2，二者可干擾微生物的正?；顒幽芰?；此外，合金中的銅具有抑制細菌生長的能力。KDF處理介質(zhì)的使用壽命很長，保守估計在10年以上。