给水净化处理一些问题的探讨

作者：天津市自来水集团 杨福才

欢迎访问e展厅 展厅 3 环保设备/水处理设备展厅 噪音控制, 紫外线杀菌器, 反渗透装置, 粉尘过滤器, 除尘器, ... 摘要： 当前国内给水净化处理，基本还是采用传统常规工艺。认为其中有些不适当之处需要改正，有此较新工艺之处需要认识提高，也有些新的观点之处需要研究，现于本文提出提供讨论。 关键词： 净化处理 消毒 过滤 混凝－沉淀 当前国内给水净化处理，基本还是采用传统常规工艺。认为其中有些不适当之处需要改正，有此较新工艺之处需要认识提高，也有些新的观点之处需要研究，现于本文提出提供讨论。 一、水质方面 1、饮用水浊度测定　在饮用水净化处理上，对于水质优劣基本还是以测定水中浊度评定。以浊度仪测定原水浊度作为药剂投加数量的依据，测定沉淀水浊度作为凝聚、沉淀过程及滤池负荷的判断依据，及测定滤后水浊度作为控制出厂水合格率的依据。一般浊度仪是根据水中颗粒光学性质测定浊度的，它对水中稍高浊度性能发挥好，但对浊度很低的则测定的值准确性差，应以测定水中的颗粒来评定。颗粒计数器能测出水中不同颗粒的粒径和数目，以及它们在水中分布状态，同时该仪器比浊度仪敏感度高，并能迅速的测定浊度。但颗粒计数器本身也有不足之处，首先是该计数器检查极小颗粒(0.02－0.5μm)时就无能为力，而浊度仪倒能测定；另外该计数器要测定的颗粒一般都比实际颗粒径小。为解决这个问题，当前国际上先进水厂都以浊度计和颗粒计数器联合使用，以获得良好效果。 当前国外又提出一种称为多方面散射光式(MALS)检测仪。该仪依据微颗粒的光散射及依据检测仪角度导致的发射光强度分布，进行多方向测定各颗粒不同粒径、形状及光学性质，其作用比之以一个角度测定的散射光浊度仪和颗粒计数器，具有很大的优势。现该仪器在国外已初步使用，但价格较高。如果价格降低，会是未来测定水中浊度更精确的一种仪器。 2、饮用水中化学物质测定　在化学物质检测的仪表上也出现了几种改进的倾向。一种是改善色谱一质谱的分析方法，使当前的对化学物质多种分析方法，只用一个单一分析方法解决，例如美国环保局就考虑将原有分析农药的六种分析方法，统一到一种分析方法。另一种是可应用筛分试验（免疫试验）方法，使能够多次的重复试验。再有一种是可简化微生物试验的方法。现国外许多地方还对原生生物进行研究，已提出了许多分析方法，正准备在现场进行实际试验。 3、水质标准规定　在水质标准上，当前美国环保局已考虑将饮用水水质标准和其他各种水处理规定合并成一个整体处理，这是为提高饮用水水质，未来水处理发展的一个方向。例如供水单位在水中加锌一正磷酸盐防腐剂，以满足对水中铅和铜的限定，但此防腐剂会使污水处理厂所处理的水中增加更多的锌，使鱼类中毒，这种矛盾状况如果综合考虑，统一到一个规程上来就可解决。 二、混凝－沉淀方面 1、烧杯试验　当前烧杯试验仍然是选择混凝剂品种和规定适当投剂量的最佳方法有人当一度提出用方形烧杯取代圆形烧杯进行试验，通过实际证明，用这两种烧杯试验方法试验，所得结果基本相似。另外采用烧杯试验取得的混凝条件(GT值)几乎与水厂运行絮凝一沉淀实际结果一致，这种方法在当前还是用其他方法所不同比拟的。国际上给水专家指出，有人认为采用烧杯试验没有实用价值是片面的看法。有此认识的主要原因，考虑不是由于不按规定的烧杯试验程序操作，就是使用混凝剂量不当，混凝剂品种不适合及混凝条件（GT值）不合理所致。 2、混凝剂投加点　两种或以上的混凝点投加点有着不同的方式，有的同在一处投加点投加，有的分别在不同的投加点投加。在一处投加的能直接反应它们的性能，从而防止这些药剂各自反应，不能发挥它们的效果。但在一处投加的多种混凝剂也出现不利的状况。例如投加硫酸铝，于其形成针状絮体期间前，就投加阴离子聚合剂，混凝效果不佳。PAC和高锰酸钾在硫酸铝投加前投加有效。总之，几种药剂投加采用那样方式，应视药剂的性能以及原水条件而定。在弄不清它们相互作用以前，最好在采用以前，先做一些试验再确定。当前国内对于混凝剂投加点的选择很少考虑。事实上选定合理的投加点，极有利于混凝－沉淀，应引起水厂工作者的高度注意。 3、间断运行　国内有个别水厂夜间用水不多，停止设施运转或部分运转，这种方法是不利的。因为在停止运转期间，反应、沉淀作用由于水不流动，絮体多沉在设备内，第二天运行时沉淀絮体被水驱动，不易一时恢复正常状态，而影响处理效果，并也会造成排泥不畅，尤其是澄清池夜间停止运转，第二天运行时，由于池内旧水和新进入池内的新鲜水之间有温度差异形成短流，而降低处理效果。采用澄清池的水厂还要重新起动再度形成絮体。另外，设备经过一夜停止运转，如用前加氯，澄清和沉淀设施内水中余氯消耗殆尽，也会使后续滤池内产生微生物污染。因此水厂运行尽可能避免间断运行。 三、过滤方面 1、滤池厚度与滤料粒径比例　国外给水专家曾在世界各地一些水厂做过调查，无论单层、多层滤池L/d都在800左右（L＝滤层厚度、d＝滤料平均粒径），同时根据世界各水厂生产所得运行数据得出L/de，在1000左右(de=滤料有效粒径)。这两个数据对于控制滤池滤速等指标有着决定性的意义。2000年技术进步发展规划，也提出改善过滤效果关键之一是L/d≥800。最近国外提出，用于快速池或标准双层滤池L/de≥1000，用于粗滤料深滤层滤池或三层滤池L/de≥1300。这是多层滤池和粗滤料深滤层滤池一般都加少量聚合物助滤剂的要求。如果不加助滤剂L/de比至少再增加25%。 2、直接滤池　国内外都有很多水厂使用。然而在当前原水水质日益恶化、有机物和微生物逐渐增多的情况下，常规水处理技术已正在不能将这些不良物质除掉，采用直接过滤更缺乏保证水质合乎要求的可靠性。美国最近已明确净化处理方针，水处理要可靠一定要通过多极水处理设施。认为国内除非有特殊条件，一定要考虑不要采用直接过滤方式处理。 3、净水处理不加混凝剂　这种处理方法只能将原水中大的颗粒去除，对微小颗粒、有机物、微生物不能除掉，或许更为加多影响出厂水水质。虽然滤后水也加消毒剂消毒，但不能保证饮用水的可靠性。国外对这种处理方法已有所报道，指出此种处理方法不能应用。现国有的水厂应用此方法，希望应慎重考虑。 4、双层滤料滤池和均质滤料滤池 双层滤料滤池在国外尤其是美、日等国仍然作为主要过滤设施采用，国内也在大量使用，当前还是应予优先考虑的一种滤池。它滤出水量多，在一般原水情况下滤出水能达到要求的水质标准，造价低、滤料易于制备（煤滤料吸附性更强），便利操作和维护，至于轻质滤料失去问题，用水冲洗或是气水分隔冲洗，只要管理得当，设计合理，不会发生丢失情况。均质滤料滤池应该说属于粗滤料深滤层范畴的滤池，它的特点是在冲洗时滤料不膨胀或微膨胀，其滤床每个横断面滤料级配在理论上应该是一致的，当前欧洲尤其是法国用的最多，现在国内正风盛一时的采用。这种滤池最大的优点是在冲洗时不容易丢失滤料。有报告称在相同原水下，与均匀系统数大的双层滤池，用气水冲洗，两者滤后水浊度、滤速、滤过周期几乎相等。由于均质滤料粒径在滤层内上下一致，可能易于漏失(breakthrough)，造成滤后水浊度突然增加情况。在当前尤其在国内，有多数城市由于经济状况、业务水平，更会考虑采用基建投资低、操作简单、运转经费省、只用高强度水冲洗方便、节约的双层滤料滤池。只需严格管理、控制轻质滤料流失得当，此种滤池还是应当考虑，首先的滤池类型之一。目前这两种滤池都为2000年技术发展规划推荐采用。国内净水厂尤其是新建水厂，可根据原水特性、滤池产水量、滤池滤后水水质、建设投资、经营费用及运行经验等各方面要求考虑，以求最合理的采用，且勿一哄而起，造成以后不必要的状况发生。现在尚有生物滤池、混合滤池、两级滤池等类型滤池，据国外报道都有一定效果，可予以注意。 5、多层滤料滤池轻质滤料丢失 多层滤池尤其是双层滤池在国内外大量使用，应该说在当前仍然是首选的滤池之一。但主要在国内对使用此种滤池顾虑滤料丢失，在使用上缺乏信心。事实上此种滤池除不宜使用气水混合冲洗外，采用气水分隔冲洗或用高强水冲洗，只要严格的遵守操作规则，跑失滤料是绝对能够避免的。笔者曾早在60年代末在天津进行单用高强水冲洗的双层滤池试验，获得成功结果后，又在生产滤池实践。采取的操作方法是，在冲洗前将滤池水降到距滤层顶部15cm距离，冲洗时先缓开冲洗闸，徐徐将水托起，当冲洗水托到排水槽顶时候，滤层内气体应全部排净，以后再用设计的冲洗水量冲洗。特别注意的是，冲洗第一个滤池时，一定要在冲洗水流进排水槽以前，将滤层内多余空气全部排净。笔者在煤砂双层生产滤池实验了将近两年，只有极少数煤滤料丢失。用气水分隔冲洗结果应是一样。轻质滤料丢失主要在于管理不认真所致，个别的由于设计考虑不同而成。因此多层滤池只要按规定的操作规程办事，不会出现大量流失轻质滤料的情况发生。 6、慢滤池　国内于建国以来，几乎所有城市的慢滤池都陆续废弃。但国外尤其是欧洲国家为保持良好水质，很多以慢滤池作为把关的最后设施。实际上慢滤对特定农药的处理效果是优异的，是获得生物稳定的处理水的最有效的方法。特别是在强化水质标准上，慢滤与其他处理设施相组合使用，更是最能有效地解决众多水处理问题的一种处理方法。在当前国内原水有机物和微生物日益增加的情况下，应把慢滤池的再度使用，列到议事日程加以探讨。 7、臭氧－生物活性炭滤池　这种滤池的作用是原水经臭氧作用，将水中大分子有机物分解成小分子，提高有机物的可生化性。由于臭氧溶解度比氧为高，活性炭始终处于富氧状态，使保持一定的吸附能力；同时还使炭的表面附着细菌繁衍生长，以降解吸附的小分子，达到去除有机物的目的。 在1890年后半期，臭氧(O3)曾被认为是最佳处理剂，估计能有90%以上的水厂使用。以后发现用臭氧处理后会要产生醛类及溴酸盐等有毒副产物。国外多次报道此事。美国洛杉矶水厂使用臭氧就产生许多有毒副产物，国内哈尔滨水厂也提出了用臭氧处理产生可能是有害的致癌物。同果也有报道臭氧并不能对三卤甲烷前驱前氧化破坏，只是增加有机物的可生化性，一般要经过吸附处理才起作用。国外尤其是美国、日本新建或改建水厂，对采用臭氧持犹豫不决态度，因此一般认为单独使用臭氧是不适宜的，一定要配合有消除臭氧产生的副产物过滤设施。常规滤池结合臭氧使用，在臭氧为少量的情况时可勉强使用，但最好采用各种形式的活性炭滤池，特别是采用生物活性炭(O3+BAC)滤池最相宜。 活性炭滤池有单独活性炭(GAC)滤池、单独生物活性炭(BAC)滤池、臭氧一活性炭(O3+GAC)滤池和臭氧一生物活性炭(O3+BAC)滤池。采用BAC滤池和GAC滤池，由于使用效果不尽人意，使用的不多。O3+GAC滤池一度曾广泛使用，基本能除掉水中有机物，但最大缺点是寿命不长，一般几十后即失掉吸附能力需要再生，再生设备价格高且再生费用大。 O3+BAC滤池几乎除尽全部有机物，其脱色、除臭效果也佳，使用寿命一般为2－3年，最长可达5年，是一种值得应用的给水设施。提出的一些不足处，如滤池漏泄细菌内有有毒素及有毒微生物，据报道漏泄情况很少，就是有漏泄情况，漏泄的细菌和微生物无毒。另外有采用这种滤池，一些有机物不能被全部化解成CO2的观点，报道提出遇有此种状况可以用曝气法解决。 8、膜过滤设施　膜过滤是物理性的固液分离技术，不需化学性的处理，在给水技术上应是一大突破。一般在原水稍好的情况下，单独使用过滤膜就能处理成优质的饮用水。过滤膜基本分类为微滤膜(MF)、超滤膜(UF)和纳诺滤膜(NF)。MF以除去0.05μm及以上的浮游物质、胶体及菌类为对象，UF以除去分离分子量300、0.05μm以下的有机物质为对象，NF则以除去分离分子量300以下的无机物为对象。NF处理后水几乎成为纯水，对人类有益的盐类可能也被除掉，所以当前都以MF和UF过滤饮用水。 膜用于过滤饮用水有以下优点：基本无需凝聚剂、易于自动化、维护管理费用小、排水处理简单、处理场地少。但也有不足处，如膜的寿命当前还短，一般5－7年更换一次、膜过滤时间少只有几分钟或多一些，在原水水质突发时不易对付、膜过滤水厂的膜块本身有数千根到数万根，施工维护困难、膜过滤为新技术，管理经验少。一般由于膜的孔眼细小，对原水中较大颗粒不易应付，多没有预处理，采用常规处理居多。现此设施已有多处应用，到1996年世界已有74座膜过滤水厂，规模都几乎在万m3/d以下，最近建设的已有很多超过万m3/d，巴黎正建造14 万m3/d的NF水厂，美国洛杉矶也建造14万m3/d的膜水厂（类型不详，估计为MF模）。但愿膜过滤始终是新技术，国外虽然已有多数国家使用，然而还是起始阶段经验不足，且有着一些不足处，国内已有几处使用更是摸索进行。认为国内目前不宜于在稍大型水厂采用，可在中小型水厂试用及在瓶装水厂应用。 四、消毒方面 1、氯剂消毒与CT值　饮用水消毒有许多消毒剂在应用，如氧剂、氯胺、二氧化氯、臭氧等。这些消毒剂都产生不适于人体的副产物，就是紫外线消毒，也有极少量对人体不利的副产物存在，消毒后的煮沸水一样会有着残留的不挥发性的有机物。虽然这些副产物绝大多数都认为带有毒性的，但如果控制这些消毒剂在一定使用范围内，产生的副产物可基本对人体无害。从各种消毒剂的消毒效果、产生副产物对人体危害程度及从经济、技术考虑，使用氯剂消毒还是比较实际的，除欧洲一部分国家外，全世界大多数国家都是用氯剂消毒，如美国当前水厂有70%用氯剂消毒，我国国内也绝大多数的水厂用氯剂消毒。 国外对氯剂消毒特别提出用CT值控制的重要性。CT值为在一定水温及水中PH值的条件下需要的值(C=消毒剂剩余浓度mg/L、T=处理后水与氯剂接触时间min)。达到CT值即可满足对微生物要求的必要去除率。国外认为处理后水满足CT值是保证水质的关键性条件。美国地表水处理规程要求必须杀死或除掉葛第虫为99.9%(3Log)、病毒为99.99%(4Log)。规定在快滤处理系统（混凝——沉淀——过滤）平均去除率，葛第虫2.5Log、病毒2.0Log，消毒系统平均去除率葛第虫0.5Log、病毒2.0Log。为了达到上述要求，美国也规定了CT值。如用游离氯消毒，欲达到0.5Log葛第虫去除率，于处理后水PH为7、水温为5℃时，CT值为25；PH为7、而水温为25℃时，CT值为6。欲达到2.0Log病毒去除率于处理后水PH为6－9、水温为5℃时，CT值为6，水温改为25℃时，CT值为1。隐孢子虫似乎对人体危害更大，美国最近已订立处理规定不久颁布。 结语 本文所述主要为国内的水厂水处理设施出现的运行管理问题、生产人员在管理当中忽略问题，及国外新的技术等，提出来予以注意。本文中对滤池应用提出情况较多。近二三十年来在水处理上，滤池类型更是异彩纷呈，它由化学性处理到生物性处理，又进到物理性处理。然而当前世界上还是以常规处理为主。国内现在多用双层滤池及均质滤料滤池。这两种滤池在运行效果上基本上是一致的，双层滤池采用气水冲洗比之其用高强度水冲洗对保证水质可靠性可能高一些。但由于采用后者在经济、技术上认为当前更适合我国国情，一般城市采用合宜。生物滤池能以有效的除掉绝大多数有机物及其物质，但需要添置臭氧发生器、耗费大量电能和增加活性炭滤料、加设再生活性炭设施及再生费用。过滤膜滤池在国外已有较大型的在使用，其基建投资尤其是小型的比生物滤池要低，但以后更换滤膜的费用大。这两种设施在国内都是新型滤池，最需要注意的是，当前国内应用在经济上负担恐怕甚重，且旧水厂改变类型尤其是膜滤池更困难。据国外报告，常规处理设施（混凝、沉淀、过滤）在运转时，如果加强管理可以几乎对有机物等基本清除。据天津水厂试验结果，用常规处理设施处理原水至0.5NTU时，原水有机物可剩余20%，水中颗粒只有2μm以下粒径的存在。国外先进水厂滤后水可以达到0.1NTU，甚至更低，达到这种情况，原水中有机物等可能绝大多数被除掉，在微生物上，其于常规处理当中能去稍大一部分，其余部分用投加消毒剂杀灭，以C×T值办法除掉。因此在国内除特别要求者以外，在当前国内的经济条件下，是否一般上还是先考虑以采用常规处理为好。生物滤池和膜过滤滤池可在国内几个水厂试用。等待一个时间，再根据该时的条件进行进一步研究。 主要参考资料： 1、住友　恒等：消毒付成物之指标　水道协会杂志1993-5 2、J.Alan Roberson:Future Treads in drinking water treatment New world water 1997 3、河村　勤：“净水处理最新动向”水道协会杂志1993-1 4、S.Kawamura:Optimisation of basic water treatment processes-de-sign and operation coagulation and floccutation AQUA 1996-1 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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/21/2005)