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中國(guó)飲用水的水質(zhì)問(wèn)題與水的深度處理
王占生 (清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系)
1 新的生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范的頒布
我國(guó)衛(wèi)生部己于2001年6月7日頒布了新的生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范(9月1日?qǐng)?zhí)行，詳見(jiàn)規(guī)范)。規(guī)范規(guī)定了常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目34項(xiàng)，非常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目61項(xiàng)。明確作為生活飲用水水源，水中耗氧量不應(yīng)超過(guò)4mg/L，五日生化需氧量不應(yīng)超過(guò)3mg/L。規(guī)范指出，當(dāng)水質(zhì)不符合有關(guān)規(guī)定時(shí)不宜作為生活飲用水水源。若限于條件需加以利用的，應(yīng)采用相應(yīng)的凈化工藝進(jìn)行處理，處理后的水應(yīng)符合規(guī)定，并取得衛(wèi)生行政部門(mén)的批準(zhǔn)。
2 生活欽用水中有機(jī)污染指標(biāo)的選擇
由國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的2000年1月1日實(shí)施的修訂后的“地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”中Ⅱ類(lèi)水域水質(zhì)中有關(guān)有機(jī)物綜合性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值有：化學(xué)需氧量(COD
cr )15mg/L，生化需氧量(BOD5) 3mg/L與高錳酸鹽指數(shù)4mg/L。這三項(xiàng)指標(biāo)中COD cr
值在小于100mg/L時(shí)測(cè)定較困難，不易準(zhǔn)確；BOD 5 一般自來(lái)水部門(mén)不進(jìn)行測(cè)定，而且數(shù)值小時(shí)也不易測(cè)準(zhǔn)；惟有耗氧量COD Mn
(也即高錳酸指數(shù))容易測(cè)定，可操作性強(qiáng)，并且在給水部門(mén)已經(jīng)公認(rèn)用作水源水質(zhì)的判別。
耗氧量作為生活飲用水的一個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目，它不是一個(gè)具體的物質(zhì)，也沒(méi)有對(duì)人體健康有危害的具體數(shù)據(jù)。發(fā)達(dá)國(guó)家不采用耗氧量作水質(zhì)指標(biāo)，因?yàn)樗麄兛梢詼y(cè)出水中具體的各種有毒有害有機(jī)物的量。他們中有用TOC(總有機(jī)碳)作水質(zhì)指標(biāo)，但無(wú)具體數(shù)值，只規(guī)定TOC不得有大的變動(dòng)。作為有機(jī)物的綜合性指標(biāo)，大家認(rèn)為T(mén)OC是最好的指標(biāo)，但TOC值需由TOC儀測(cè)得，TOC儀價(jià)格昂貴，不是所有大城市都有，制水部門(mén)就更少了。將COD
Mn 作為暫時(shí)性的水質(zhì)指標(biāo)，因其測(cè)定所用設(shè)備簡(jiǎn)單，分析測(cè)定方便，不需復(fù)雜的技術(shù)，一般水廠(chǎng)分析人員都可測(cè)定，所以是最適宜的。
3 生活飲用水中有機(jī)物綜合性指標(biāo)耗氧量限值的討論
按照國(guó)家水污染防治法規(guī)定：集中供水取水口處水域的水質(zhì)應(yīng)為地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類(lèi)，也即耗氧量為4mg/L。水源水的耗氧量為4mg/L，經(jīng)過(guò)給水常規(guī)處理工藝(泥凝沉淀-過(guò)濾-消毒)，COD
Mn
可以有20-30%去除率，因此生活飲用水的耗氧量定為3mg/L，考慮到有些城市水源受污染較嚴(yán)重又無(wú)新的好水源，標(biāo)準(zhǔn)中留有余地，即“特殊情況了不超過(guò)5mg/L，”注明特殊情況包括水源照制等情況。
修訂的生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中增加耗氧量作為水質(zhì)指標(biāo)是結(jié)合我國(guó)國(guó)情，全面提高市政供水水質(zhì)、改善居民飲用水質(zhì)量的一個(gè)重要措施，是這次水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)修改的重要進(jìn)展。在規(guī)定的常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目中還增加了鋁(0.2mg／L)、糞大腸菌群(每100mL水樣中不得檢出)。另一個(gè)重要修改是將濁度由3NTU改成1NTU，也留有余地，即特殊情況下不超過(guò)5NTU。還有將鎘由0.01mg／L改成O.005mg／L、鉛由0.05mg／L改為0.01mg／L、四氯化碳由0.03mg／L改為0.002mg／L。在非常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目中增加了有關(guān)的農(nóng)藥、除草劑、微囊藻毒素-LR，消毒副產(chǎn)物：三鹵甲烷、鹵乙酸、亞氯酸鹽、一氯胺等與其它有毒有害有機(jī)物。在水源選擇時(shí)還要對(duì)常規(guī)與非常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目外32項(xiàng)有害物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。修改后的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該認(rèn)為比之85年頒布的老標(biāo)準(zhǔn)有很大提高，為與國(guó)際水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)接軌邁出一大步。對(duì)于給水工作者，除全面達(dá)到生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中最主要的是濁度與耗氧量?jī)蓚�(gè)指標(biāo)。濁度要達(dá)到1NTU／L要比3NTU困難得多。即使出廠(chǎng)水在1NTU的下，進(jìn)了管網(wǎng)后也有可能受管中腐蝕、沉積的銹垢影響而超過(guò)1NTU。耗氧量按3mg/L來(lái)控制出廠(chǎng)水、管網(wǎng)水，只要水源水質(zhì)正常，是能達(dá)到的，但對(duì)水源水質(zhì)達(dá)不到4mwL時(shí)，要通過(guò)常規(guī)凈化工藝去除30～40％是困難的，但可按特殊情況不超過(guò)5mg／L來(lái)對(duì)待。Ⅲ類(lèi)水域水質(zhì)耗氧量現(xiàn)已放寬到8mg/L，如通過(guò)常規(guī)工藝處理到5mg／L，也較困難，可以采取一些強(qiáng)化措施(如強(qiáng)化混凝、強(qiáng)化過(guò)濾)爭(zhēng)取去除40％，那樣也可達(dá)到5mg/L�？傊黾雍难趿恐笜�(biāo)、提高濁度標(biāo)準(zhǔn)將給制水行業(yè)帶來(lái)壓力，但能滿(mǎn)足居民需求，因控制了耗氧量，控制了水中有機(jī)物總量，感官性指標(biāo)色、臭、味將有很大改善。
對(duì)于給水界，由于提高了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，無(wú)疑增加了負(fù)擔(dān)，加重了責(zé)任，但也應(yīng)看到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高給給水界同行提供了改善水質(zhì)，采用先進(jìn)凈水技術(shù)的機(jī)遇，正是大干事業(yè)的時(shí)候。
4 我國(guó)地表水水質(zhì)現(xiàn)狀、生物預(yù)處理與深度處理技術(shù)
不同水源水由于有機(jī)物來(lái)源不同，有機(jī)物的分子量分布特征也表現(xiàn)出獨(dú)自的特點(diǎn)，而各種處理技術(shù)對(duì)不同分子量的有機(jī)物的去除效果也不同。
分子量大于10000的膠體有機(jī)物主要可通過(guò)混凝、過(guò)濾去除。
分子量在1000—10000的有機(jī)物形態(tài)可能處于膠體和真溶液之間，混凝、過(guò)濾可去除一部分，氧化劑氧化可使部分大分子量有機(jī)物氧化降解成小分子量有機(jī)物。
500～3000分子量的有機(jī)物能被活性炭有效去除，而<1000分子量的有機(jī)物親水性強(qiáng)，主要由生物降解去除。
4.1 生物預(yù)處理技術(shù)
我國(guó)地表水源因受氮肥與生活污水污染，水源水中氨氮普遍偏高。常規(guī)凈水工藝由于濾池反沖洗不凈，在砂層中存在少量亞硝酸菌能部分去除氨氮(20％左右)，但卻使亞硝酸鹽增加，仍然消耗后續(xù)消毒時(shí)的氯量。
生物處理是去除原水中氨氮最有效的方法。
根據(jù)我國(guó)的試驗(yàn)研究，生物接觸氧化或生物濾池只要保證氧氣充分，又有足夠的水與填料上生物膜的接觸時(shí)間，可以將氨氮去除80%左右(原水中氨氮0.5-2mg/L)，去除耗氧量COD
Mn
15-20%，同時(shí)不同程度地還能去除鐵、錳、色、嗅、濁度，全面地提高水質(zhì)。由于有生物絮凝作用還可使原水中膠體的zeta電位降低，節(jié)約后續(xù)投加混凝劑(約1／3--1／4)。
生物預(yù)處理存在的問(wèn)題是水的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(1小時(shí))或過(guò)濾速度較低(6m/h)致使構(gòu)筑物體積大、基建投資較高(約100～120元／m
3 ／d)�，F(xiàn)上海原水公司正試驗(yàn)采用泡沫塑料珠作填料，采用上向流方式，將濾速提高至15～20m／h，能去除氨氮80％，但去除CODM～效果不明顯。生物處理的運(yùn)行費(fèi)用低，只需曝氣與沖洗填料，但考慮構(gòu)筑物折舊，也需0.1元/m
3 。
生物預(yù)處理有生物接觸氧化法與生物濾池(采用顆粒填料)。
4.2 氣浮技術(shù)
我國(guó)湖泊、水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，大都受藻類(lèi)污染。氣浮技術(shù)可以有效去除藻(80～90％)、藻毒素(約70％)。昆明通過(guò)氣浮還可去除耗氧量40～50％。
氣浮產(chǎn)生的藻渣較難處理與處置，我國(guó)尚無(wú)有效的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)外將藻渣經(jīng)濃縮池濃縮后，加絮凝劑通過(guò)機(jī)械脫水。只要資金充足，配置機(jī)械設(shè)備，認(rèn)真操作，應(yīng)能解決。
4.3 活性炭吸附與臭氧活性炭聯(lián)用技術(shù)
活性炭吸附有機(jī)物是最常用的技術(shù)，但活性炭的吸附容量是有限的，原水水質(zhì)越差，活性炭吸剛飽和周期越短，一般幾個(gè)星期至幾個(gè)月，視水質(zhì)而異。活性炭必須經(jīng)常再生，才能保證水質(zhì)目標(biāo)。目前我國(guó)市政供水僅有北京、昆明少數(shù)城市采用�，F(xiàn)我國(guó)煤質(zhì)炭約5000元/t，木質(zhì)炭、果殼炭約8000元Ao考慮到活性炭濾池也要反沖洗，宜采用質(zhì)地堅(jiān)硬的煤質(zhì)炭，但煤質(zhì)炭吸附主要是微孔，吸附容量有限，應(yīng)開(kāi)發(fā)中孔發(fā)達(dá)的水相炭。活性炭再生約需1700元/t，由于不能就近再生，往往使用后就換新炭，因此應(yīng)按地區(qū)設(shè)置活性炭再生廠(chǎng)(忙時(shí)再生，閑時(shí)生產(chǎn)活性炭)才能促進(jìn)活性炭的應(yīng)用。
今后使用活性炭主要目標(biāo)是去除有機(jī)物，應(yīng)以出水耗氧量3mg／L為再生的依據(jù)。
中小水廠(chǎng)活性炭宜采用鋼罐，兩級(jí)串聯(lián)，前后輪換，當(dāng)一罐炭全部飽和后取㈩再生，充分利用炭的吸附能力。目前我國(guó)采用單個(gè)濾池，當(dāng)出水不合格需要再生時(shí)，往往丟失炭還可吸附的部分能力。如水量大，用池子，也宜采用兩級(jí)串聯(lián)。如果水質(zhì)污染是季節(jié)性的或時(shí)間短，采用粉末炭靈活、機(jī)動(dòng)，不需增加構(gòu)筑物，一般投加量約需20mg／L。粉末炭不宜與混凝劑同時(shí)投加，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)決定投加的位置。粉末炭約需3000元/t。
為了減少頻繁的再生，常用臭氧——活性炭聯(lián)用技術(shù)。
臭氧能有效地去除色、嗅。臭氧去除藻與藻毒素效果好，但投加量需視同時(shí)存在的其它污染物的數(shù)量。臭氧本身無(wú)殘留，無(wú)毒害，但其與有機(jī)物反應(yīng)的中間產(chǎn)物有時(shí)可能是有毒、有害的，囚產(chǎn)生小分子有機(jī)物，使水中可生物同化有機(jī)炭(AOC)增加，導(dǎo)致水的生物穩(wěn)定性變差，因此臭氧一般不單獨(dú)使用，而需與活性炭聯(lián)用。
臭氧除能氧化某些有害有機(jī)物變成無(wú)害外，町以增加小分子有機(jī)物便于活性炭吸附，由于很好地充氧，使活性炭表面生長(zhǎng)良好的生物膜，可以生物降解未被氧化的有機(jī)物與被氧化成小分子的羧酸、醛，這樣就兼有化學(xué)氧化、物理吸附與生物降解三個(gè)作用。臭氧活性炭的綜合作用使處理后的出水水質(zhì)大為提高，往往可以使原本出水的毒理學(xué)評(píng)價(jià)Ames致突活性從陽(yáng)性轉(zhuǎn)為陰性；有機(jī)物的去除率達(dá)到30％－－50％左右，氨氮、亞硝酸鹽氮去除90％左右；色、嗅、味、濁度全面降低；能很有效地降低AOC(生物可同化有機(jī)碳)值，使山水生物穩(wěn)定性大為提高：由于活性炭卜的微生物生長(zhǎng)良好，即使炭的吸附飽和后，生物作用依然存在，并能與炭的物理吸附相輔相成(脫附與吸附)，使活性炭長(zhǎng)期保持降低有機(jī)物的作用，去除有機(jī)物20-30％，使炭的再生周期大為延長(zhǎng)(一般可以1－1.5年)。
臭氧的投加量需視去除的目標(biāo)污染物的多寡，如是COD Mn ，根據(jù)昆明的經(jīng)驗(yàn)：視活性炭進(jìn)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長(zhǎng)期穩(wěn)定在25％左右。
上海試驗(yàn)水廠(chǎng)采用新炭，臭氧投加1-2mg／L，臭氧一活性炭去除COD Mn
的效率，經(jīng)3個(gè)月的觀(guān)察，從85％已降到60％。進(jìn)一步要考察的是當(dāng)工藝出水<3mg／L情況下，活性炭能穩(wěn)定運(yùn)行多長(zhǎng)日期(即活性炭工作周期)。該水廠(chǎng)如能長(zhǎng)期運(yùn)行，將給全國(guó)深度處理技術(shù)的采用提供范例與提供有實(shí)際使用價(jià)值的設(shè)計(jì)參數(shù)。
臭氧一活性炭的基建投資為150～200元／m 3 ／d，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)約0.2元／m 3 。
為了適應(yīng)今后自來(lái)水廠(chǎng)發(fā)展的需要，我們應(yīng)做好臭氧設(shè)備的開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)缺乏大型臭氧發(fā)生器裝置，如每臺(tái)每小時(shí)產(chǎn)生3kg、5kg、10kg臭氧發(fā)生全套裝置以備3萬(wàn)、5萬(wàn)、10萬(wàn)m
3 ／d自來(lái)水廠(chǎng)的需要，還應(yīng)保證設(shè)備的質(zhì)量、減少電耗。
臭氧應(yīng)用中還要開(kāi)發(fā)有效的臭氧擴(kuò)散與水混合、臭氧尾氣的吸收與水中臭氧濃度測(cè)定的設(shè)備、儀器，使之配套，以便科學(xué)地進(jìn)行運(yùn)行管理。
5 常規(guī)凈水工藝的改造
以上述及深度處理中活性炭與臭氧技術(shù)，都需要新增加構(gòu)筑物與設(shè)備。生物預(yù)處理構(gòu)筑物較大，投資也較高，對(duì)于1萬(wàn)m 3
／d水廠(chǎng)，即需100～120萬(wàn)元。最經(jīng)濟(jì)可行的是在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。采取強(qiáng)化混凝與強(qiáng)化過(guò)濾的辦法，不增加構(gòu)筑物，因此改造費(fèi)用單位水量(m
3 /d)投資只需20～25元，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用增加0.03～0.05元／m 3 。氨氮及亞硝酸鹽氮的去除效率約80％，有機(jī)物COD Mn
15～20％。
5.1 強(qiáng)化混凝
可以有以下幾種方法：
1) 多投混凝劑使有機(jī)物的水化殼壓縮，水解的陽(yáng)離子與有機(jī)物陰離子電中和消除由于有機(jī)物對(duì)無(wú)機(jī)膠體的影響，從而使無(wú)機(jī)膠體脫穩(wěn)。
2) 投加絮凝劑，增加吸附、架橋作用，使有機(jī)物易被絮體粘附而下沉。
3) 投加氧化劑，使有機(jī)物被氧化。
4) 調(diào)整混合與絮凝反應(yīng)的時(shí)間，使藥劑充分發(fā)揮作用，即從水力條件上改進(jìn)。
5) 調(diào)整pH，一般有機(jī)物多時(shí)，pH5～6效果好。
6) 根據(jù)我們?cè)囼?yàn)研究結(jié)果，以投加絮凝劑，改善水力條件共同進(jìn)行能取得好的效果，且經(jīng)濟(jì)可行。
5.2 強(qiáng)化過(guò)濾
濾池主要功能是發(fā)揮濾料與脫穩(wěn)顆粒的接觸凝聚作用而去除濁度、細(xì)菌。如果濾料洗滌不干凈，濾料表面就會(huì)積泥，當(dāng)預(yù)加氯時(shí)抑制了濾料中生物的生長(zhǎng)，因此濾料層沒(méi)有或較少生物降解作用。如果不預(yù)加氯，濾料層中就會(huì)有生物作用，濾池出水中氨氮有所降低，亞硝酸鹽氮增加就是具有亞硝酸鹽菌的結(jié)果。
強(qiáng)化過(guò)濾就是讓濾料既能去濁，又能降解有機(jī)物，降解氨氮、亞硝酸鹽氮。這樣，就需要在濾料中培養(yǎng)生物膜，要既有亞硝酸鹽菌，又要有硝酸鹽菌使氨氮、亞硝酸鹽氮都得到有效去除。技術(shù)的難點(diǎn)是：
1) 選擇濾料(有利于細(xì)菌生長(zhǎng))；
2) 控制反沖洗強(qiáng)度既能沖去積泥，又能保持一定的生物膜活性；
3) 要保證出水濁度小于1.0 NTU；
4) 要使濾池的微環(huán)境有利于生物膜成長(zhǎng)；
5) 其他技術(shù)問(wèn)題，如沖洗水的強(qiáng)度、膨脹率等。
根據(jù)平湖河水廠(chǎng)改造經(jīng)驗(yàn)，如活性材料采用活性炭，則濾池進(jìn)水中含氯，會(huì)被上層炭還原，不影響下層炭上生物膜去除污染。沖洗水要用無(wú)氯水，才能保證亞硒酸鹽的去除，否則會(huì)增加�；钚詾V池去除CODＭn20％左右，去除NH
3 -N70～80％。
6 受污染水源水的組合凈化工藝
根據(jù)近年來(lái)試驗(yàn)研究的成果，對(duì)不同程度受污染水源水的凈化組合工藝提出如下設(shè)想：
1)水源水的耗氧量在4～6mg／L時(shí)，可以選擇增加生物預(yù)處理、或活性炭、或臭氧一活性炭技術(shù)與常規(guī)處理配合使之達(dá)到耗氧量<3mg／1。的水質(zhì)要求；
2)當(dāng)水源水的耗氧量在6～8mg／L時(shí)，可以先設(shè)生物預(yù)處理與常規(guī)處理配合，然后再增加臭氧一活性炭深度處理；
3)當(dāng)水源水的耗氧量在8～10mg/L時(shí)，或許能采用臭氧預(yù)氧化——生物預(yù)處理——常規(guī)處理(強(qiáng)化混凝)——臭氧——活性炭組合工藝使之達(dá)到水質(zhì)要求，其中臭氧投量要增加，活性炭吸附時(shí)間要增長(zhǎng)。
以上主要是從降低有機(jī)物(耗氧量最不易降解)為目的考慮的，同時(shí)還應(yīng)考慮去除其它污染物以全面達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
凈水廠(chǎng)改造費(fèi)用見(jiàn)表1，依據(jù)是1993年12月中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版的《給水排水工程概預(yù)算與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)手冊(cè)》中給水工程構(gòu)筑物技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，選取氣水反沖V型濾池作為生物陶粒池、雙閥濾池作為活性炭濾池投資(直接費(fèi))計(jì)算，間接費(fèi)以直接費(fèi)的50％計(jì)，再乘以?xún)r(jià)差調(diào)整系數(shù)2進(jìn)行投資估算。估算中生物陶粒池濾速采用6m／h，活性炭濾池采用10m／h，臭氧發(fā)生裝置以產(chǎn)1kgQ
3 ／h投資37.5萬(wàn)元計(jì)算，生產(chǎn)lkgO 3 耗電35kwh，每kwh以0.8元計(jì)，折舊以15年回收計(jì)算。運(yùn)轉(zhuǎn)管理人工費(fèi)以每月1000元計(jì)。
第2項(xiàng)和第3項(xiàng)分別指活性炭和臭氧的費(fèi)用，如果用臭氧活性炭技術(shù)，則費(fèi)用為兩項(xiàng)相加。
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