李圭白院士解读第三代城市饮用水净化工艺docWord文件下载.docx
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采用的多种处理单元具有互补性和协同效应，从而使整体得到优化。
以超滤为核心技术的第三代城市饮用水净化工艺不仅高效经济，还体现了绿色工艺的理念，其中的膜滤、活性炭吸附和生物降解都是绿色工艺。
李圭白院士最后说，新的《生活饮用水卫生标准》中规定的微生物指标是相对安全的，而以超滤为核心的第三代城市饮用水净化工艺将使饮用水的生物安全性从相对安全走到绝对安全，使城市饮用水净化工艺产生重大变革。
∙第三代饮用水净化工艺初探
阅读（521）|发表于2009年11月25日17:
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一、前言
过去城市居民饮用水卫生安全性得不到保障，致使水介烈性细菌性传染病（如霍乱、痢疾、伤寒等）流行，对人们生命健康危害极大。
在这个背景下，20世纪初，研发出了混凝—沉淀—过滤—氯消毒净水工艺，可称为第一代饮用水净化工艺。
20世纪中叶，出现了城市中水介病毒性传染病（如肝炎、小儿脊椎灰质炎等）的流引。
研究表明，水中的病毒浓度与水的浊度有关，只要将水的浊度降至0.5NTU以下，再经氯消毒，就可以控制病毒性传染病的流行，从而对第一代工艺提出了更高的要求，推动了第一代工艺的发展。
20世纪70年代，由于水环境污染，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（如致癌、致畸、致突变物质等）和氯化消毒副产物，而第一代工艺又不能对其有效地去除和控制。
在这个背景下研发出了第二代饮用水净化工艺，即在第一代工艺后面增加臭氧—颗粒活性炭深度处理工艺。
20世纪末，由于水环境污染的加剧，以及水质检测技术的发展，又发现了许多新的水质问题，如贾第虫和隐孢子虫（两虫）问题，水蚤、红虫问题，藻类污染加剧及臭味、藻毒素问题，水的生物稳定性问题、高氨氮含量问题，内分泌干扰物问题等等。
为此，包括我国在内的世界各国都对饮用水制订了指标项目更多（100多项）和更严格的水质卫生标准。
第二代工艺对上述的水质问题，只取得了一定处理效果。
例如对“两虫”、水蚤、藻类都不能百分之百地去除，对高氨氮含量（氨氮含量＞2~3mg/l）难于降到水质标准（0.5mg/l）的要求等等。
此外，臭氧氧化能生成溴酸盐、甲醛等对人体有较严重毒害作用的氧化副产物，使臭氧的广泛使用受到质疑；
有的研究指出，第二代工艺经颗粒活性炭的出水中细菌含量显著增多、且有的细菌抗氯性增强，此外含有的细微炭粒会对后续消毒效果产生不利影响；
这就使人们对第二代工艺的合理性和优越性不再被充分认可。
在这个背景下，有待研发出比第二代工艺更安全更有效的第三代饮用水净化工艺。
二、第三代饮用水净化工艺初探
1、第三代饮用水净化工艺的特点和组成
第三代饮用水净化工艺，应该体现有效、经济和绿色工艺的理念。
可造成二次污染的净水技术已不符合环境保护的要求，将会逐步受到限制，研制开发新的绿色净水技术是刻不容缓的课题。
绿色净水工艺要求在提高效率或优化效果的同时，能够提高资源和能源的利用率，减轻污染负荷，改善环境质量。
绿色净水工艺应具有下列特点：
（1）
绿色净水工艺所使用的原材料，如净水药剂或膜本身是无毒无害的，制造他们的原料是无毒无害的，并且在制造过程本身不产生有毒有害污染物。
（2）
绿色净水工艺在使用过程中要降低能耗、物耗，提高资源和能源的利用率。
（3）
绿色净化工艺在使用后，不产生有毒有害的副产物，不会对饮用者的健康造成影响。
（4）
绿色净水工艺的产物，如沉淀池污泥等等，易于处置，不会增加外环境的污染负荷。
绿色净水工艺不仅强调使用过程及使用前后无毒无害，而且也着重强调提高能源和能源的利用率，这样才能发挥绿色工艺的作用，为人类的可持续发展做出贡献。
笔者提出的第三代饮用水净化工艺，在我国城市绝大多数以Ⅲ类水体为水源的前提下，工艺组成如图1所示
Ⅲ类水源水→安全预氧化/强化混凝→生物活性碳/超滤→安全消毒→饮用水
图1第三代饮用水净化工艺
对于受污染的水源水，常规的强化混凝能提高天然有机物的去除率，但对于微量有机污染物的去除效果很低；
而化学预氧化常能显著提高对微量有机物的去除率。
此外还能进一步强化混凝，提高对天然有机物以及浊度的去除率。
本工艺最后经超滤出水，出水浊度可降至0.1NTU，所以混凝后的水经过沉淀便可进入超滤过滤，而不必设置常规的过滤池，从而简化了工艺流程。
超滤前设置活性炭，例如颗粒活性炭，可以发挥物理吸附和生物降解的作用。
若设置粉末活性炭，炭浓度可提高至数千mg/l,当于反应器前向水中投加数mg/l的粉末活性炭时，活性炭将在反应器中停留很长的时间，不仅能将其吸附容量充分发挥出来，并且在炭表面还能生长生物膜，进一步发挥对有机物的生物降解作用，从而构成高效的超滤膜—生物粉末活性炭反应器。
超滤一般能去除包括水蚤、藻类、原生动物、细菌甚至病毒在内的微生物，所以对超滤出水的消毒，主要不是灭活水中的致病微生物，而是使水在输配和贮存过程中具有持久的消毒能力。
本工艺中的超滤和生物活性炭净水，一般对水质无不良影响，是绿色的物理和生物处理方法。
化学预氧化、混凝和药剂消毒，都会对水质有一定的影响，所以应选择对水质影响较小较安全的水处理药剂，争取做到既有效又安全。
2.第三代饮用水净化工艺对水中致病微生物的去除作用。
饮用水的微生物安全性无疑是首要的，是需要特别关注的。
本工艺对于致病微生物、藻类、以及水蚤、红虫等，具有预氧化杀灭、强化混凝、活性炭吸附、生物吸附、超滤截留及安全消毒等多级屏障，特别是超滤几乎100%地对微生物截留，是最有效地去除“两虫”、除细菌及病毒、除藻、除水蚤等的方法。
该工艺中的预氧化剂和消毒剂，在目前工程中可供选择的有氯、氯氨、二氧化氯、臭氧、高锰酸钾及高锰酸盐复合剂。
用氯作预氧化剂，能生成大量对人体有毒害的氯化消毒副产物，已不提倡采用，这已为众人所周知。
氯氨生成的消毒副产物比氯要低得多，并且THM或HAA一般不超过10μg/l，所以是比氯更安全的消毒剂。
并且实验表明，若先将氯与氨作用生成氯氨再投入水中，比将氯与氨分别投于水中生成的氯化消毒副产物要少。
二氧化氯虽然不生成氯化消毒副产物，但其还原产物—亚氯酸盐和氯酸盐对人体有毒害作用。
世界卫生组织提出的饮用水水质标准（1992）和我国卫生部颁布的“生活饮用水卫生规范”（2001），规定水中亚氯酸盐的浓度限值为0.2mg/l，考虑到二氧化氯向亚氯酸盐的转化率为70%，所以二氧化氯的投量只有不超过0.3mg/l条件下才能满足水质标准的要求，这样的限量限制了二氧化氯的使用。
虽然我国建设部颁布的“城市供水水质标准”（2005）规定水中亚氯酸盐浓度限值为0.8mg/l，使二氧化氯仍可使用，但不能认为是足够安全的消毒剂。
此外，氯、氯氨和二氯化氯都有持续消毒能力，若在工艺中用作预氧化剂，将对后续生物活性炭的生物作用产生不利影响，所以在此不宜用作预氧化剂。
臭氧用作预氧化剂对致病微生物、藻类、水蚤等的灭活能力都很强，但其氧化副产物的毒害作用不容忽视，且基建及运行费用都较高，在此也不推荐使用。
近年来，笔者研究开发将高锰酸钾用于饮用水除污染，并发明了效能更高的高锰酸钾复合剂除污染技术。
高锰酸钾及其复合剂的氧化能力和对微生物等的灭活能力相对较弱，但对藻类仍有使其失活的作用，特别是藻类失活细胞不被破坏，内容物不外洩，比较其他氧化剂会使藻内容物外洩造成二次污染，是其优点。
研究表明，高锰酸钾预氧化迄今尚未发现能生成对人体有毒害的氧化副产物，所以是比氯、氯氨、二氧化氯和臭氧更安全的氧化剂，鉴于高锰酸钾及其复合剂预氧化还有优良的强化混凝、除臭除味、除污染效能（见后文），故在本工艺中推荐采用高锰酸钾及其复合剂作为预氧化剂。
在本工艺中，超滤出水的微生物学指标，一般已能达到新饮用水水质卫生标准的要求，所以后续的消毒，主要是为满足水在贮存和输配过程中对消毒剂持续消毒作用的要求。
在生产中可供选择的有持续消毒能力的消毒剂有氯、氯氨和二氧化氯。
前已叙及，氯氨和二氧化氯都是比氯更安全的消毒剂，但从安全性和经济性的综合评价看，宜首选氯氨用作超滤后的消毒剂。
3.第三代饮用水净化工艺对浊度的去除作用。
水的浊度是非常重要的水质指标，它不仅是水的观感性指标，并且还是水的微生物学指标。
原水中浊质经混凝沉淀可大部被除去。
高锰酸钾及其复合剂预氧化具有优良的强化混凝作用，能提高浊质的去除效率。
在出水浊度相同的条件下，高锰酸钾及其复合剂能减少混凝剂的投加量。
超滤出水浊度一般为0.1NTU左右，并与超滤前水的浊度基本无关，所以本工艺混凝沉淀后的水可以不经过滤直接进入超滤。
我国绝大多数城市以河水为水源，原水浊度在数十NTU到数百（甚至上千）NTU间变化，本工艺的混凝沉淀单元对该浊度变化范围的原水应该是适应的。
若将混凝沉淀看作超滤前的预处理，本工艺混凝沉淀单元的设置大大拓展了超滤对原水浊度的适用范围。
由于本工艺超滤出水浊度一般为0.1NTU左右，在水的观感指标和微生物安全性方面，应是符合新的水质标准的。
此外，超滤能截留生物活性炭出水中的细微炭粒，可防止细微炭粒对微生物的保护作用，从而增加了出水的微生物安全性，这与第二代工艺相比是一个优点。
4.第三代饮用水净化工艺对天然有机物的去除作用
水中的天然有机物是氧化消毒副产物的主要前体物质，天然有机物还对混凝效果有很大影响，所以新的饮用水水质标准对水中有机物含量（COD）提出了比以前更严格的要求。
对去除天然有机物，本工艺有化学预氧化、强化混凝、活性炭吸附、生物炭生物降解等多级屏障。
特别是生物粉末活性炭与超滤联用，可以大大延长粉末活性炭在反应器内的停留时间，大大提高在反应器内的浓度，从而可以充分利用粉末活性炭的吸附容量；
同时也使以粉末炭为载体的生物膜大大增加，从而显著提高生物降解效果。
这样，强化混凝可去除大分子天然有机物，而活性炭吸附及生物降解则可去除中、小分子有机物，化学预氧化则将部分大分子有机物氧化降解为中、小分子有机物，有利于后续活性炭吸附和生物降解，从而提高对有机物的去除效率。
如果采用高锰酸盐为预氧化剂，则氧化生成的新生态水合二氧化锰表面有丰富的羟基，可吸附水中有机物，从而使去除率进一步得到提高。
在上述多种预氧化剂中，臭氧与高锰酸钾及其复合剂，既能将大分子有机物氧化降解为小分子有机物，又不会对后续生物活性炭的生物作用产生不利影响，所以是可以选用的预氧化剂，但从去除有机物以及安全性和经济性综合考虑，无疑应首选高锰酸钾及其复合剂。
颗粒活性炭对有机物的物理吸附效能，随着时间将逐渐衰减；
相反地颗粒炭上的生物膜随时间逐渐生长成熟，使生物降解对有机物的去除作用逐渐增强；
相应地，颗粒活性炭吸附去除和生物降解有机物的种类性质和数量也会随着时间不断变化，并且最后趋于以生物降解为主。
但本工艺的生物粉末活性炭则不同，在反应器前不断有新的粉末活性炭加入的情况下，使活性炭对有机物的物理吸附作用能长期持续下去；
进入反应器的粉末炭上逐渐生长出生物膜，开始对有机物有生物降解作用，并且粉末炭在反应器中持续停留的时间愈长，生长的生物膜愈多，对有机物的生物降解作用也愈大；
最后，在反应器中将存在由新粉末活性炭到各种龄期的生物炭构成的一个稳定体系，达到一种动态平衡，使各种有机物在反应器中都有相应的去除率，即可能获得比生物颗粒活性炭更好的处理效果。
对水中天然有机物的有效去除，将使后续氯氨（或氯）的消毒副产物得到有效控制。
在水质生物稳定性方面，工艺中设置了生物活性炭处理单元，所以对水中包括AOC、BDOE在内的有机物应有很高的去除率。
此外，由于生物粉末炭上有很高浓度的生物量，特别是投加粉末活性炭的量、粉末炭在反应器中的停留时间、生成的生物膜浓度和性质、曝气量和曝气方法、去除有机物的种类等等，都是可以调节和优化的，所以本工艺生物粉末活性炭应能获得比生物颗粒活性炭生物稳定性更高的出水。
5.第三代饮用水净化工艺对水中微量有机污染物的去除作用
水中对人体有毒害的微量有机污染物，有三致物、内分泌干扰物、藻毒素、持久性有机物、臭味物质等。
本工艺对水中微量有机污染物的去除，有化学预氧化、强化混凝、活性炭的吸附、生物降解等多级屏障。
常规混凝对水中微量有机污染物的去除效果很差，但臭氧与高锰酸钾及其复合剂预氧化则能显著提高除污染效果。
活性炭也是良好的除微污染剂，再加上生物炭的生物降解，本工艺应能获得良好的去除微量有机污染物的效果。
近年来，水环境污染较严重，天然水体特别是大量用作城市水源的湖、库水体，由于藻类大量繁殖，使水具有臭味，对饮用水的品质影响很大，受到人们特别关注。
此外，受工业废水和城市污水污染的河段，也常有臭味的问题。
本工艺化学预氧化、活性炭吸附和生物降解，是去除水中臭味的多级屏障，特别是臭氧和高锰酸钾及其复合剂，都是良好的除臭味剂，后续的活性炭除臭味效果也很好。
所以，本工艺除臭味应是十分有效的。
本工艺组成还有一个优点，就是不仅使高锰酸钾及其复合剂与活性炭以及生物活性炭除有机物污染的效能的协同作用得以发挥，即总去除率高于两者单独去除率之和，并且活性炭还能防止高锰酸钾及其复合剂的浅漏，从而使高锰酸钾及其复合剂的投加量可以大大提高，充分发挥其除污染效能。
6.第三代饮用水净化工艺对水中氨氮的去除作用。
氨氮浓度是饮用水水质标准新列入水质指标。
第一代工艺基本没有除氨氮的能力。
在第二代工艺中，氨氮主要在生物颗粒活性炭层中被去除，但由于水中溶解氧浓度有限，所以只能去除很有限的氨氮。
在第三代工艺中，可在生物粉末活性炭反应器中通入空气进行曝气，从而不断向水中供应溶解氧，再加上反应器中有高浓度生物膜量，从而有可能去除水中很高的氨氮。
7.第三代饮用水净化工艺的通用性和局限性。
本工艺是以Ⅲ类水体为水源，试图与第二代工艺对比的一个通用工艺。
第三代工艺在国内外是作为以Ⅲ类水体为水源的通用工艺提出来的。
本工艺与第二代工艺相比，也是一种通用工艺，它只基本上解决了目前提出的饮用水主要水质问题，如饮用水的微生物安全性问题、藻类污染问题、臭味问题、微量有毒害的有机物问题、氯化消毒副产物问题，生物稳定性问题，高氨氮含量问题，以及部分无机毒质问题。
但对于许多特殊水质问题，则有待在工艺系统中增加某些特殊处理环节，如采用高级氧化技术去除高稳定性有机物，对高浊度原水采用预沉技术，对废水和污泥的安全处理处置问题等。
对于未受污染的水源水，或低浊度源水，本工艺流程可以得到简化。
本工艺的提出，只是一个探索，有待于在今后的实践中不断地得到完善和发展。
8、关于超滤净水工艺的经济性。
第三代工艺的特点是利用了超滤技术。
人们早就认识到膜滤将是饮用水净化工艺的发展方向，有人甚至提出21世纪是膜滤的时代。
但是，过去人们一直没有将膜滤用于大型城市自来水厂，主要是认为膜组件价格昂贵。
随着膜材料制造技术的快速发展，膜的性能不断提高，膜价格在迅速降低。
我国生产的超滤膜，性能和质量已达到国外同类产品的水平，而价格比进口产品低得多，已降到可与第一代工艺竞争的价位。
根据生产厂家提供的资料，我国生产的中空纤维超滤膜组件，每1㎡膜过滤面积的价格约为150元左右。
如设计采用1㎡超滤膜每小时过滤0.1m3水计算，每日每m3水的超滤膜价格为60元。
超滤膜一般可使用3－5年，如按使用3年计算，每1㎡膜面积可过滤水量为0.1×
24×
365×
3＝2628m3，则为更换膜每1m3水只需增加0.057元费用。
超滤膜工程单元，由超滤装置，前置过滤器、进水泵、反洗泵、化学清洗装置以及管道、控制阀、监测仪表、自控设备等组成。
按厂家提供的资料，超滤工程单元的建设（第一部分费用）已降至250－300元/m3/d，而第一代工艺中混凝－沉淀－过滤部分的建设费约300元/m3/d左右，第二代工艺中深度处理部分（臭氧－活性炭）的建设费约为250－300元/m3/d，可见超滤单元工程的建设费与之相当。
在苏州市建设的1万m3/d的超滤净水厂，以太湖水为水源，原水最低浊度<
15NTU,最高浊度300－500NTU。
超滤水厂流程如图2。
该超滤水厂建设费用约为300元/m3/d，与第一代工艺大体相同。
超滤水厂运行成本为0.0782元/m3/d，与该水厂原传统工艺（即第一代工艺）的运行成本（0.08元/m3）也大体相同。
目前，膜滤在城市自来水的应用规模愈来愈大，可以说城市自来水厂的膜时代已经到来
∙自来水”不“自来”新中国建筑供水探索前行
阅读（422）|发表于2009年11月24日17:
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“自来水”被人们称之为“城市的生命线”。
当建筑技术的发展让人们的住所平地而起，超高层大楼鳞次栉比耸立在现代城市里的时候，如何将水送到同样的高度并不是一件轻而易举的事情。
“自来水”来之不易，也绝非自来。
新中国成立六十年来，我国的建筑供水事业走过了一条从沿承旧路、不断摸索再到自主创新的发展之路。
中国人在解决水与高度这一命题的过程中，发挥了自己的智慧与创造，开辟了安全供水的新时代。
轱辘摇转，井绳结缠。
自掘土挖坑打出第一眼水井开始，解决“水与高度”的问题，便成为人类生活中最重要的内容之一。
也许你并没有太注意，水塔供水方式的产生，就如同互联网改变了我们的生活方式一样，从“辘轳井”汲水到“自来水”的跨越已经成为人类生活进步的重要标志。
时至今日，我国不少欠发达地区还没有解决自来水的问题，还在致力于推动健康卫生的“自来水工程”。
水塔供水——要盖楼必建塔的岁月
在北京东直门立交桥的东北角，一个名叫清水苑的居民区里，耸立着两座典型的建筑。
一座是体态雍容的绿顶圆亭，这就是北京第一个自来水厂——“京师自来水公司”的旧址标志；
另一座是由原“京师自来水公司”蒸汽车间改造的“北京自来水博物馆”，在这里记录着北京供水事业的全部历史。
历史上，北京城区居民都自打土井，用“辘轳”取用浅层地下水。
据史料记载，1908年,京师自来水公司开工兴建，并最终于1910年3月正式落成供水。
直到1949年，北京城区还仅有这一座水厂。
京师自来水公司的成立，可谓中国自来水事业发展史上最具浓墨重彩的一笔。
自来水不仅方便了千家万户的饮水，更重要的是改善了人们的饮水卫生状况，大江南北许多因水源污染而引发的传染病得以遏制。
北京第一座水塔是与京师自来水公司同时建立的，1910年由德国设计师设计建造，直到1957年才被拆除。
在东直门水塔之后很长一段时期里，“水塔”成为中国当时“大城市”的标志。
“我的中学曾是日军占领时期日本纺织厂的一座三层宿舍楼，旁边就是一座红砖水塔。
”每当回忆起年少求学的时光，青岛市科技局都兴恩处长的脑海里，总是会浮现出那座斑驳渍旧的水塔。
与都兴恩的记忆相仿，在许多老人的眼中，水塔就是一个时代的象征。
随便翻看几十年前的老照片，无处不是排排砖楼必配一水塔的图景，张张记录着那段要盖楼必盖塔的岁月。
所谓水塔供水就是先用水泵把经过消毒的干净水抽到水塔顶部箱体内，再依据水塔自身高度产生的落差，自然形成水的压力，经过城市供水管线流到千家万户。
这种方式的自来水在地面建筑多为平房和低层楼房的时期无疑是完全可以满足的。
解放初期我国大多数城市大都是采取水塔供水的方式。
但是随着城市楼房的不断升高，供水压力的不足暴露无疑。
面对越来越多的高层楼房拔地而起，如何将自来水输送到高层楼房的顶层成为高层建筑供水技术的新命题。
1958年，以人民大会堂、北京饭店、民族饭店、华侨大厦等“十大建筑”的陆续竣工为标志，中国高层建筑的“楼顶水箱供水”技术开启了新的时代。
密封罐供水——见证中国创造
陈忠潮是中国建筑设计院的第一代老专家，北京饭店的供水设计任务落在了他的身上。
当时的北京饭店是名副其实的京城“超高层”建筑。
很显然，东直门水塔不能满足顶层的供水需要。
如果在旁边再建一座水塔，那么既要增加建筑成本预算，又要延误工期，整体上来看还不美观。
经过无数次的计算，参照前苏联的经验，陈忠潮采取楼顶建大水箱、楼下设加压水泵的方式，将水先抽到楼顶水箱，成功解决了北京饭店的供水需求。
随后，这一技术相继在“十大建筑”上使用推广，直到今天，还有不少的城市旧楼房仍在使用这一供水方式。
然而，如同“水塔供水”的技术局限性一样，楼顶“水箱供水”方式的不足很快暴露无遗。
“头重脚轻”的建筑供水不仅给防震施工、节约成本等提出了难题，而且在用水过程中也出现了问题。
由于顶层水压不足，底层水压太强，造成顶层房间“涓涓细流”而底层房间“喷涌而出”。
随着文革的到来，我国供水事业从此陷入了十多年的停滞。
直到广州东方宾馆的建设完工，采用“减压阀”减压技术，实施分层减压供水，以其为代表才彻底解决这一难题。
“水箱供水”的另一个问题——水质卫生也一直困扰着人们。
由于水箱长期暴露在光天化日之下，风沙降雨，垃圾鸟尸无所不有。
甚至夏天有人竟然把它当成澡堂子在里面洗澡。
因此，高楼供水呼唤着新的技术出现。
上世纪八十年代初期，沐浴着改革开放的春风，我国高层建筑供水事业又一次迎来了科技的春天，密封罐供水技术开始普及。
所谓密封罐供水，就是将原来建在楼顶的大水箱密封成一个大水罐放在楼房的底下，并在其旁边建一个大蓄水池。
然后先从城市自来水管网干线中抽水把蓄水池装满，再用水泵注入到密封罐里，同时往密封罐里加气压。
根据不同的楼房高度设置不同的压力，实现对楼房的自来水供应。
据建筑给排水标准委员会专家组组长
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