自来水净化技术

自来水净化技术研究
国内外研究概况及发展趋势：
1 第一代自来水净化工艺
自来水厂净水常规处理工艺主要是由混凝、沉淀或澄清、过滤和消毒等工序组成，如图1所示，其理论主要是建立在传统的以粘土胶体微粒和致病细菌为主要去除对象的基础上，该工艺被中国和世界上大多数水厂所采用。

图1 自来水厂常规处理工艺流程图
“混凝→沉淀→过滤→消毒”是以地表水为水源的生活饮用水处理工艺，可称为第一代工艺，也称为常规工艺。

常规工艺去除对象是引起水浑浊的悬浮物及胶体物质。

混凝、沉淀和过滤在去除浊度的同时，对色度、细菌和病毒等也有一定去除作用。

通过向水中投加氯气、漂白粉，或二氧化氯等消毒剂，杀灭滤后水中致病微生物，达到饮用水水质要求。

2 第二代自来水净化工艺
20世纪70年代，在城市饮用水中发现了种类众多的对人体有毒害的微量有机污染物和氯化消毒副产物，而第一代工艺不能对其有效去除和控制，某些水中微量有机污染物能使人致癌、致畸、致突变(三致物)。

在这个背景下研发出第二代城市饮用水净化工艺，即在第一代工艺后面增加了活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性碳等深度处理工艺。

第二代工艺能比较有效地去除和控制水中的有机污染物和氯化消毒副产物，使水的化学安全性得到提高。

2.1 活性炭吸附法
活性炭技术是20世纪60年代从国外引进的深度处理技术，不仅是最成熟有效的方法，而且是具有潜力的技术。

活性炭是一种多孔性物质，内部具有发达的空隙结构和巨大的比表面积，活性炭的空隙分为大孔、过渡孔和微孔，大孔主要分布在活性炭表面，对有机物的吸附甚微，过渡孔是水中大分子有机物的吸附场所和小分子有机物进入微孔的通道，而微孔则是活性炭吸附有机物的主要区
域，微孔构成的比面积占总面积的95%，活性炭对有机物的去除受有机物特性的影响，主要是有机物的极性和分子大小的影响，同样大小的有机物，溶解度愈大，亲水性愈强，活性炭对其吸附性愈差。

实验结果表明[4]，活性炭对分子量在500～3000的有机物有明显的去处效果，去除率一般为70%～87%.
2.2 生物预处理技术
生物预处理]对水中氨氮的去除最为有效，同时，还可去除一些有机物和铁、锰。

目前，该项技术在上海与浙江嘉兴地区已有应用。

生物预处理工艺以生物膜法为主，包括生物滤池法、生物接触氧化法和生物流化床法。

生物预处理的填料（填料可根据处理水质的不同采用生物陶粒填料或卵石填料上生长着细菌、原生动物、后生动物等微生物，从而形成生物膜。

当与水接触时，生物膜上的微生物摄取、分解水中的有机物和氮、磷等营养物质，去除常规工艺不能充分去除的氨氮、亚硝酸盐氮、藻类、臭味等；同时，去除或减少可能在加氯后生成的致突变物质的前驱物，从而使水得到净化。

生物预处理对某些降解缓慢的化合物，如氯仿、三氯乙烯等的去除效果较差，对优先污染物的去除效果也不佳，且无法间歇运行等。

2.3 臭氧-生物活性炭技术（O3-BAC）
臭氧（O3）是一种很强的氧化剂和消毒剂，它可使水中大分子的有机物分解为小分子状态，改变水中成分达到净水的目的。

但O3容易引起细菌繁殖。

臭氧的强氧化性也造成它在水中不稳定，容易失效，在管网中杀菌效果不能持久，因此臭氧很少在水深度处理工艺中单独使用，在此基础上发展了臭氧与活性炭联用技术。

臭氧-生物活性炭技术是目前国际上最先进的水处理工艺，在日、欧、美广泛应用。

目前国外普遍采用的工艺流程如图2。

图2 臭氧-生物活性炭工艺流程
2.4 高级氧化技术
高级氧化技术在饮用水处理中主要用于去除原水中的天然有机物和农药残
留物。

(1) TiO2-UV联合工艺
高级氧化研究大都停留在实验室阶段，在水处理实际工程中的应用很少。

(2) 臭氧高级氧化-生物活性炭(AOPs-BAC)工艺
该工艺是采用臭氧高级氧化和生物活性炭滤池联用的方法，将臭氧高级氧化、活性炭物理化学吸附、生物氧化降解几种技术合为一体。

其主要目的是去除原水中微量有机物和氯消毒副产物的前体物等有机指标。

2.5 活性炭-膜技术
在活性炭-膜技术组合系统中，利用活性炭吸附技术对污水进行必要的预处理以降低浊度、色度和各种类型的有机化合物的浓度，用膜进行处理后可有效地解决出水中含有一定量细菌的问题，保证了出水水质。

2.6 超声空化技术
在超声水处理过程中，声空化诱发的高级氧化过程对于降低水污染物的毒性、降解难于降解的有机物和提高生化比等都有较好的效果。

现阶段超声空化技术主要用在实验室小水量的处理研究中，尚处于基础研究阶段。

3 第三代自来水净化工艺
20世纪末叶，水中发现了新的致病原生动物——蓝氏贾第虫和隐孢子虫（“两虫”），出现了藻类大量繁殖以及藻毒素、嗅味、水的生物稳定性、有害水生生物——剑水蚤和红虫等重大微生物安全问题。

膜分离技术被公认为是20世纪末至21世纪中期最有发展前景的高技术之一
3.1 膜分离技术的特点
(1)膜分离技术能耗低。

(2) 膜分离过程是在常温下进行的，因而特别适于对热敏感的物质，如对废水中有价值的重金属、化学药品、生产原料等的分离、分级、浓缩与富集过程。

而用膜法处理饮用水，其出水水质只取决于膜自身的性质，如膜孔径、膜的选择性等，与原水水质无关。

( 3) 膜分离技术适用的范围广。

反应过程不会改变物质的属性，不需要添加剂参加反应，不会带来新的污染物和浪费其它物质，可用于多种类型的废水处理过程。

( 4) 膜分离法分离装置简单，操作容易且易控制，便于维修且分离效率高。

与常规水处理方法相比，具有占地面积小，处理效率高等特点。

( 5) 膜分离技术设备可实现定型化。

自控性强，便于管理和运行，也有利于产业化发展。

3.2 微滤
微滤(MF)，又称精密过滤，对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1～1μm，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。

3.3 超滤
超滤（UF）是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.001～0.1μm 分子量之间。

超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。

以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。

3.4 纳滤
纳滤(NF) [24]介于超滤和反渗透之间，可在较低压力（0.5~1.0MPa）下实现较高的水通量，总盐类去除率为50%~70%，尤其对二价离子（如Ca2+、Mg2+等）的去除率可在90%以上，膜孔径通常在0.001～0.005μm范围内。

在净水处理中适用于硬度和有机物高且浊度低的原水，主要是地下水处理方面。

3.5 反渗透
反渗透（RO）是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程，膜孔径通常在0.0001～0.005μm分子量之间。

反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术。

一、自来水的生产过程
原水里含有各种各样的杂质。

从给水处理角度考虑，这些杂质可分为悬浮物、胶体、溶解物三大类。

城市水厂净水处理的目的就是去除原水中这些产带来危害的有害成分，使净化后的水能满足生活饮用及工业生产的需要。

市自来水总公司水厂采用常规水处理工艺，它包括混合、反应、沉淀、过滤及消毒几个过程。

1、混凝反应原水经取水泵房提升后，首先经过混凝工艺处理（药剂与水均匀混合起直到大颗粒絮凝体形成为止）
经混凝反应处理过的水通过道管流入沉淀池，进入净水第二阶段。

2、沉淀处理
水流入沉淀区后，沿水区整个截面进行分配，进入沉淀区，然后缓慢地流向出口区。

水中的颗粒依靠重力作用沉于池底，污泥不断堆积并浓缩，定期排出池外。

3、过滤处理
以石英砂等有空隙的粒状滤料层通过黏附作用截留水中悬浮颗粒，从而进一步除去水中细小悬浮杂质、有机物、细菌、病毒等，使水澄清的过程。

4、滤后消毒处理
水经过滤后，浊度进一步降低，同时亦使残留细菌、病毒等失去浑浊物保护或依附，为滤后消毒创造良好条件。

消毒并非把微生物全部消灭，只要求消灭致病微生物。

消毒起了保证饮用达到饮用水细菌学指标的作用，同时它使城市水管末梢保持一定余氯量，以控制细菌繁殖且预防污染。

消毒的加氯量（液氯）在1.0-2.5g/m3之间。

主要是通过氯与水反应生
成的次氯酸在细菌内部起氧化作用，破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。

消毒后的水由清水池经送水泵房提升达到一定的水压，在通过输、配水管网送给千家万户。