中国饮用水的水质问题与水的深度处理

                     王占生 (清华大学环境科学与工程系)

1 新的生活饮用水水质卫生规范的颁布

    我国卫生部己于2001年6月7日颁布了新的生活饮用水水质卫生规范(9月1日执行，详见规范)。规范规定了常规检验项目34项，非常规检验项目61项。明确作为生活饮用水水源，水中耗氧量不应超过4mg/L，五日生化需氧量不应超过3mg/L。规范指出，当水质不符合有关规定时不宜作为生活饮用水水源。若限于条件需加以利用的，应采用相应的净化工艺进行处理，处理后的水应符合规定，并取得卫生行政部门的批准。

2 生活钦用水中有机污染指标的选择

    由国家环境保护总局发布的2000年1月1日实施的修订后的“地表水环境质量标准”中Ⅱ类水域水质中有关有机物综合性指标标准值有：化学需氧量(COD cr )15mg/L，生化需氧量(BOD5) 3mg/L与高锰酸盐指数4mg/L。这三项指标中COD cr 值在小于100mg/L时测定较困难，不易准确；BOD 5 一般自来水部门不进行测定，而且数值小时也不易测准；惟有耗氧量COD Mn (也即高锰酸指数)容易测定，可操作性强，并且在给水部门已经公认用作水源水质的判别。
耗氧量作为生活饮用水的一个水质项目，它不是一个具体的物质，也没有对人体健康有危害的具体数据。发达国家不采用耗氧量作水质指标，因为他们可以测出水中具体的各种有毒有害有机物的量。他们中有用TOC(总有机碳)作水质指标，但无具体数值，只规定TOC不得有大的变动。作为有机物的综合性指标，大家认为TOC是最好的指标，但TOC值需由TOC仪测得，TOC仪价格昂贵，不是所有大城市都有，制水部门就更少了。将COD Mn 作为暂时性的水质指标，因其测定所用设备简单，分析测定方便，不需复杂的技术，一般水厂分析人员都可测定，所以是最适宜的。

3 生活饮用水中有机物综合性指标耗氧量限值的讨论

    按照国家水污染防治法规定：集中供水取水口处水域的水质应为地表水环境质量Ⅱ类，也即耗氧量为4mg/L。水源水的耗氧量为4mg/L，经过给水常规处理工艺(泥凝沉淀-过滤-消毒)，COD Mn 可以有20-30%去除率，因此生活饮用水的耗氧量定为3mg/L，考虑到有些城市水源受污染较严重又无新的好水源，标准中留有余地，即“特殊情况了不超过5mg/L，”注明特殊情况包括水源照制等情况。 修订的生活饮用水水质标准中增加耗氧量作为水质指标是结合我国国情，全面提高市政供水水质、改善居民饮用水质量的一个重要措施，是这次水质标准修改的重要进展。在规定的常规检验项目中还增加了铝(0.2mg／L)、粪大肠菌群(每100mL水样中不得检出)。另一个重要修改是将浊度由3NTU改成1NTU，也留有余地，即特殊情况下不超过5NTU。还有将镉由0.01mg／L改成O.005mg／L、铅由0.05mg／L改为0.01mg／L、四氯化碳由0.03mg／L改为0.002mg／L。在非常规检验项目中增加了有关的农药、除草剂、微囊藻毒素-LR，消毒副产物：三卤甲烷、卤乙酸、亚氯酸盐、一氯胺等与其它有毒有害有机物。在水源选择时还要对常规与非常规检验项目外32项有害物质进行测定。修改后的水质标准应该认为比之85年颁布的老标准有很大提高，为与国际水质标准接轨迈出一大步。对于给水工作者，除全面达到生活饮用水水质标准，其中最主要的是浊度与耗氧量两个指标。浊度要达到1NTU／L要比3NTU困难得多。即使出厂水在1NTU的下，进了管网后也有可能受管中腐蚀、沉积的锈垢影响而超过1NTU。耗氧量按3mg/L来控制出厂水、管网水，只要水源水质正常，是能达到的，但对水源水质达不到4mwL时，要通过常规净化工艺去除30～40％是困难的，但可按特殊情况不超过5mg／L来对待。Ⅲ类水域水质耗氧量现已放宽到8mg/L，如通过常规工艺处理到5mg／L，也较困难，可以采取一些强化措施(如强化混凝、强化过滤)争取去除40％，那样也可达到5mg/L。总之增加耗氧量指标、提高浊度标准将给制水行业带来压力，但能满足居民需求，因控制了耗氧量，控制了水中有机物总量，感官性指标色、臭、味将有很大改善。
    对于给水界，由于提高了水质标准的要求，无疑增加了负担，加重了责任，但也应看到水质标准的提高给给水界同行提供了改善水质，采用先进净水技术的机遇，正是大干事业的时候。

4 我国地表水水质现状、生物预处理与深度处理技术

    不同水源水由于有机物来源不同，有机物的分子量分布特征也表现出独自的特点，而各种处理技术对不同分子量的有机物的去除效果也不同。
分子量大于10000的胶体有机物主要可通过混凝、过滤去除。
分子量在1000—10000的有机物形态可能处于胶体和真溶液之间，混凝、过滤可去除一部分，氧化剂氧化可使部分大分子量有机物氧化降解成小分子量有机物。
    500～3000分子量的有机物能被活性炭有效去除，而<1000分子量的有机物亲水性强，主要由生物降解去除。
4.1　生物预处理技术
    我国地表水源因受氮肥与生活污水污染，水源水中氨氮普遍偏高。常规净水工艺由于滤池反冲洗不净，在砂层中存在少量亚硝酸菌能部分去除氨氮(20％左右)，但却使亚硝酸盐增加，仍然消耗后续消毒时的氯量。
生物处理是去除原水中氨氮最有效的方法。 根据我国的试验研究，生物接触氧化或生物滤池只要保证氧气充分，又有足够的水与填料上生物膜的接触时间，可以将氨氮去除80%左右(原水中氨氮0.5-2mg/L)，去除耗氧量COD Mn 15-20%，同时不同程度地还能去除铁、锰、色、嗅、浊度，全面地提高水质。由于有生物絮凝作用还可使原水中胶体的zeta电位降低，节约后续投加混凝剂(约1／3--1／4)。
    生物预处理存在的问题是水的停留时间过长(1小时)或过滤速度较低(6m/h)致使构筑物体积大、基建投资较高(约100～120元／m 3 ／d)。现上海原水公司正试验采用泡沫塑料珠作填料，采用上向流方式，将滤速提高至15～20m／h，能去除氨氮80％，但去除CODM～效果不明显。生物处理的运行费用低，只需曝气与冲洗填料，但考虑构筑物折旧，也需0.1元/m 3 。
生物预处理有生物接触氧化法与生物滤池(采用颗粒填料)。
4.2　气浮技术
    我国湖泊、水库富营养化严重，大都受藻类污染。气浮技术可以有效去除藻(80～90％)、藻毒素(约70％)。昆明通过气浮还可去除耗氧量40～50％。
气浮产生的藻渣较难处理与处置，我国尚无有效的经验。国外将藻渣经浓缩池浓缩后，加絮凝剂通过机械脱水。只要资金充足，配置机械设备，认真操作，应能解决。
4.3　活性炭吸附与臭氧活性炭联用技术
    活性炭吸附有机物是最常用的技术，但活性炭的吸附容量是有限的，原水水质越差，活性炭吸刚饱和周期越短，一般几个星期至几个月，视水质而异。活性炭必须经常再生，才能保证水质目标。目前我国市政供水仅有北京、昆明少数城市采用。现我国煤质炭约5000元/t，木质炭、果壳炭约8000元Ao考虑到活性炭滤池也要反冲洗，宜采用质地坚硬的煤质炭，但煤质炭吸附主要是微孔，吸附容量有限，应开发中孔发达的水相炭。活性炭再生约需1700元/t，由于不能就近再生，往往使用后就换新炭，因此应按地区设置活性炭再生厂(忙时再生，闲时生产活性炭)才能促进活性炭的应用。
    今后使用活性炭主要目标是去除有机物，应以出水耗氧量3mg／L为再生的依据。
    中小水厂活性炭宜采用钢罐，两级串联，前后轮换，当一罐炭全部饱和后取㈩再生，充分利用炭的吸附能力。目前我国采用单个滤池，当出水不合格需要再生时，往往丢失炭还可吸附的部分能力。如水量大，用池子，也宜采用两级串联。如果水质污染是季节性的或时间短，采用粉末炭灵活、机动，不需增加构筑物，一般投加量约需20mg／L。粉末炭不宜与混凝剂同时投加，应通过试验决定投加的位置。粉末炭约需3000元/t。
    为了减少频繁的再生，常用臭氧——活性炭联用技术。
    臭氧能有效地去除色、嗅。臭氧去除藻与藻毒素效果好，但投加量需视同时存在的其它污染物的数量。臭氧本身无残留，无毒害，但其与有机物反应的中间产物有时可能是有毒、有害的，囚产生小分子有机物，使水中可生物同化有机炭(AOC)增加，导致水的生物稳定性变差，因此臭氧一般不单独使用，而需与活性炭联用。
    臭氧除能氧化某些有害有机物变成无害外，町以增加小分子有机物便于活性炭吸附，由于很好地充氧，使活性炭表面生长良好的生物膜，可以生物降解未被氧化的有机物与被氧化成小分子的羧酸、醛，这样就兼有化学氧化、物理吸附与生物降解三个作用。臭氧活性炭的综合作用使处理后的出水水质大为提高，往往可以使原本出水的毒理学评价Ames致突活性从阳性转为阴性；有机物的去除率达到30％－－50％左右，氨氮、亚硝酸盐氮去除90％左右；色、嗅、味、浊度全面降低；能很有效地降低AOC(生物可同化有机碳)值，使山水生物稳定性大为提高：由于活性炭卜的微生物生长良好，即使炭的吸附饱和后，生物作用依然存在，并能与炭的物理吸附相辅相成(脱附与吸附)，使活性炭长期保持降低有机物的作用，去除有机物20-30％，使炭的再生周期大为延长(一般可以1－1.5年)。
臭氧的投加量需视去除的目标污染物的多寡，如是COD Mn ，根据昆明的经验：视活性炭进水COD Mn ，按其1／2量投加臭氧，臭氧一活性炭去除耗氧量的效果能长期稳定在25％左右。
    上海试验水厂采用新炭，臭氧投加1-2mg／L，臭氧一活性炭去除COD Mn 的效率，经3个月的观察，从85％已降到60％。进一步要考察的是当工艺出水<3mg／L情况下，活性炭能稳定运行多长日期(即活性炭工作周期)。该水厂如能长期运行，将给全国深度处理技术的采用提供范例与提供有实际使用价值的设计参数。
    臭氧一活性炭的基建投资为150～200元／m 3 ／d，运转费约0.2元／m 3 。
    为了适应今后自来水厂发展的需要，我们应做好臭氧设备的开发。国内缺乏大型臭氧发生器装置，如每台每小时产生3kg、5kg、10kg臭氧发生全套装置以备3万、5万、10万m 3 ／d自来水厂的需要，还应保证设备的质量、减少电耗。
臭氧应用中还要开发有效的臭氧扩散与水混合、臭氧尾气的吸收与水中臭氧浓度测定的设备、仪器，使之配套，以便科学地进行运行管理。

5 常规净水工艺的改造

    以上述及深度处理中活性炭与臭氧技术，都需要新增加构筑物与设备。生物预处理构筑物较大，投资也较高，对于1万m 3 ／d水厂，即需100～120万元。最经济可行的是在现有工艺基础上进行改造。采取强化混凝与强化过滤的办法，不增加构筑物，因此改造费用单位水量(m 3 /d)投资只需20～25元，运转费用增加0.03～0.05元／m 3 。氨氮及亚硝酸盐氮的去除效率约80％，有机物COD Mn 15～20％。
5.1　强化混凝
    可以有以下几种方法：
1) 多投混凝剂使有机物的水化壳压缩，水解的阳离子与有机物阴离子电中和消除由于有机物对无机胶体的影响，从而使无机胶体脱稳。
2) 投加絮凝剂，增加吸附、架桥作用，使有机物易被絮体粘附而下沉。
3) 投加氧化剂，使有机物被氧化。
4) 调整混合与絮凝反应的时间，使药剂充分发挥作用，即从水力条件上改进。
5) 调整pH，一般有机物多时，pH5～6效果好。
6) 根据我们试验研究结果，以投加絮凝剂，改善水力条件共同进行能取得好的效果，且经济可行。
5.2　强化过滤
    滤池主要功能是发挥滤料与脱稳颗粒的接触凝聚作用而去除浊度、细菌。如果滤料洗涤不干净，滤料表面就会积泥，当预加氯时抑制了滤料中生物的生长，因此滤料层没有或较少生物降解作用。如果不预加氯，滤料层中就会有生物作用，滤池出水中氨氮有所降低，亚硝酸盐氮增加就是具有亚硝酸盐菌的结果。
强化过滤就是让滤料既能去浊，又能降解有机物，降解氨氮、亚硝酸盐氮。这样，就需要在滤料中培养生物膜，要既有亚硝酸盐菌，又要有硝酸盐菌使氨氮、亚硝酸盐氮都得到有效去除。技术的难点是：
1) 选择滤料(有利于细菌生长)；
2) 控制反冲洗强度既能冲去积泥，又能保持一定的生物膜活性；
3) 要保证出水浊度小于1.0 NTU；
4) 要使滤池的微环境有利于生物膜成长；
5) 其他技术问题，如冲洗水的强度、膨胀率等。
    根据平湖河水厂改造经验，如活性材料采用活性炭，则滤池进水中含氯，会被上层炭还原，不影响下层炭上生物膜去除污染。冲洗水要用无氯水，才能保证亚硒酸盐的去除，否则会增加。活性滤池去除CODＭn20％左右，去除NH 3 -N70～80％。

6 受污染水源水的组合净化工艺

    根据近年来试验研究的成果，对不同程度受污染水源水的净化组合工艺提出如下设想：
1)水源水的耗氧量在4～6mg／L时，可以选择增加生物预处理、或活性炭、或臭氧一活性炭技术与常规处理配合使之达到耗氧量<3mg／1。的水质要求；
2)当水源水的耗氧量在6～8mg／L时，可以先设生物预处理与常规处理配合，然后再增加臭氧一活性炭深度处理；
3)当水源水的耗氧量在8～10mg/L时，或许能采用臭氧预氧化——生物预处理——常规处理(强化混凝)——臭氧——活性炭组合工艺使之达到水质要求，其中臭氧投量要增加，活性炭吸附时间要增长。
    以上主要是从降低有机物(耗氧量最不易降解)为目的考虑的，同时还应考虑去除其它污染物以全面达到水质标准。
    净水厂改造费用见表1，依据是1993年12月中国建筑工业出版社出版的《给水排水工程概预算与经济评价手册》中给水工程构筑物技术经济指标，选取气水反冲V型滤池作为生物陶粒池、双阀滤池作为活性炭滤池投资(直接费)计算，间接费以直接费的50％计，再乘以价差调整系数2进行投资估算。估算中生物陶粒池滤速采用6m／h，活性炭滤池采用10m／h，臭氧发生装置以产1kgQ 3 ／h投资37.5万元计算，生产lkgO 3 耗电35kwh，每kwh以0.8元计，折旧以15年回收计算。运转管理人工费以每月1000元计。

    第2项和第3项分别指活性炭和臭氧的费用，如果用臭氧活性炭技术，则费用为两项相加。

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