简介： 本文介绍了给水厂净水工艺的发展过程、不同净水工艺的比较。本文提出，在我国现有的条件下，在优先考虑强化常规工艺的前提下发展预处理和深度处理将是今后水厂改造的主要方向。
关键字：给水处理 强化常规工艺 预处理 深度处理 水厂改造
Abstract: The development of water treatment technics and comparison of different water treatment technics was introduced in this paper. It was put forward that under present conditions consolidation of routine technics is top-priority, then pretreatment and deep treatment is major evolution aspect in the future in our country.
Keywords: water treatment；consolidation of routine technics；pretreatment；deep treatment；reconstruction of water treatment plant
1. 给水净水工艺的发展过程
给水处理的主要任务和目的就是通过必要的处理方法去除水中的杂质，以价格合理、水质优良安全的水供给人们使用，并提供符合质量要求的水用于工业。
给水处理的方法应根据水源水质和用水对象对水质的要求而确定。在逐渐认识到饮用水存在水质污染和危害的同时，人们也开始了长期不懈地对饮用水净化技术的研究和应用。到20世纪初，饮用水净化技术已基本形成了现在被人们普遍称之为常规处理工艺的处理方法，即混凝、沉淀或澄清、过滤和。这种常规处理工艺至今仍被世界上大多数国家所采用，成为目前饮用水处理的主要工艺。
饮用水常规工艺的主要目标是去除水源水中的悬浮物、胶体杂质和细菌。混凝是向原水中投加混凝剂，使水中难以自然沉淀分离的悬浮物和胶体颗粒互相聚合，形成大颗粒的絮体。沉淀是将混凝后形成的大颗粒絮体通过重力分离。过滤则是利用颗粒状滤料（石英砂等）截留经沉淀后出水中残留的颗粒物，进一步去除水中杂质，降低水中的混浊度。过滤之后采用方法来灭活水中致病微生物，从而保证饮用水的卫生安全性。
在二十世纪七十和八十年代，给水工程技术人员面临的主要问题是工程的投资效益，即如何以最低的工程总投资来完成简单的处理目标。因此，在这段时期里，研究出了许多比较经济的净水技术和工艺，这些研究包括改进沉淀池设计，出现了斜管沉淀池、斜板沉淀池和气浮池等快速澄清工艺，还有快速过滤工艺和将絮凝、沉淀和过滤工艺组合在一起的专用集成设备。
然而，到了二十世纪八十和九十年代，新的问题出现了，即饮用水中存在的微量有机物对人体健康的长期潜在危害。因此，出现了新的水质污染指标和规定，例如，总三卤甲烷、挥发性有机物和最大污染物浓度等。为了对待这些新情况，满足净水处理要求，工程技术人员和研究人员已经成功地设计出去除水中有机污染物的方法。这些方法，如化学氧化、活性炭吸附和强化混凝处理等，在过去的十多年里一直是主要的研究方向。
给水处理的主要任务和目的就是通过必要的处理方法去除水中的杂质，以价格合理、水质优良安全的水供给人们使用，并提供符合质量要求的水用于工业。
给水处理的方法应根据水源水质和用水对象对水质的要求而确定。在逐渐认识到饮用水存在水质污染和危害的同时，人们也开始了长期不懈地对饮用水净化技术的研究和应用。到20世纪初，饮用水净化技术已基本形成了现在被人们普遍称之为常规处理工艺的处理方法，即混凝、沉淀或澄清、过滤和。这种常规处理工艺至今仍被世界上大多数国家所采用，成为目前饮用水处理的主要工艺。
饮用水常规工艺的主要目标是去除水源水中的悬浮物、胶体杂质和细菌。混凝是向原水中投加混凝剂，使水中难以自然沉淀分离的悬浮物和胶体颗粒互相聚合，形成大颗粒的絮体。沉淀是将混凝后形成的大颗粒絮体通过重力分离。过滤则是利用颗粒状滤料（石英砂等）截留经沉淀后出水中残留的颗粒物，进一步去除水中杂质，降低水中的混浊度。过滤之后采用方法来灭活水中致病微生物，从而保证饮用水的卫生安全性。
在二十世纪七十和八十年代，给水工程技术人员面临的主要问题是工程的投资效益，即如何以最低的工程总投资来完成简单的处理目标。因此，在这段时期里，研究出了许多比较经济的净水技术和工艺，这些研究包括改进沉淀池设计，出现了斜管沉淀池、斜板沉淀池和气浮池等快速澄清工艺，还有快速过滤工艺和将絮凝、沉淀和过滤工艺组合在一起的专用集成设备。
然而，到了二十世纪八十和九十年代，新的问题出现了，即饮用水中存在的微量有机物对人体健康的长期潜在危害。因此，出现了新的水质污染指标和规定，例如，总三卤甲烷、挥发性有机物和最大污染物浓度等。为了对待这些新情况，满足净水处理要求，工程技术人员和研究人员已经成功地设计出去除水中有机污染物的方法。这些方法，如化学氧化、活性炭吸附和强化混凝处理等，在过去的十多年里一直是主要的研究方向。
2. 不同的水质参数对应不同的水处理工艺
综观一下给水净水工艺的发展历程，我们可以得出结论，即不同水质参数对应不同的水处理工艺。表1就列出针对不同水质参数而选择的不同处理方法[1]。
综观一下给水净水工艺的发展历程，我们可以得出结论，即不同水质参数对应不同的水处理工艺。表1就列出针对不同水质参数而选择的不同处理方法[1]。
表1 目前最通用的给水处理方法（美国，1998年）
水质参数 | 工艺组成 |
浊度 | 快速砂滤池（常规方式）：絮凝，沉淀，过滤 |
快速砂滤池（直接过滤方式）：絮凝，过滤 | |
膜过滤 | |
色度 | 絮凝／快速砂滤池 |
吸附：粒状（粉状）活性炭；离子交换树脂 | |
氧化作用：臭氧；氯；高锰酸钾；二氧化氯 | |
嗅味 | 氧化作用：臭氧；氯；高锰酸钾；二氧化氯 |
生物活性炭 | |
挥发性有机物 （VOC） | 空气吹脱 |
粒状活性炭 | |
两种（吹脱和粒状活性炭）技术联用 | |
三卤甲烷和腐殖酸 | 前驱物的去除：强化混凝；粒状活性炭；生物活性炭 |
氯化副产物的去除：粒状活性炭；空气吹脱 | |
有机化合物 | 离子交换树脂 |
生物活性炭 | |
膜过滤 | |
细菌和病毒 | 过滤（部分去除） |
（灭活）：氯；二氧化氯；氯胺；臭氧 |
从上表可以看出，结合混凝工艺的快速砂滤池是给水处理中最通用的处理方法。然而，在常规处理工艺基础上，增加的预氧化和吸附以及二者的联用是解决当前水源遭到污染的主要方法，另外，在我国生物预处理技术也已经开始得到应用。这里新提出的膜过滤将是未来很有发展前途的净水处理技术。
3. 净水工艺的比较及发展趋势
目前我国各自来水厂的水源大都遭受生活污水与工业废水的污染，原水中有机物氨氮浓度增加，使水带色、味；有的水厂是从湖泊、水库取水，由于原水藻类（包括藻类分泌物）增加，使出水色、腥味增加。这些原水经水厂常规工艺净化，浊度不易得到很好控制，滤池易堵塞（藻类影响），出水有机物浓度高（生物不稳定，易使输配水管道中细菌滋长，恶化水质），氨氮浓度高，使加氯量增加进而使副产物（如三卤甲烷、卤乙酸等）量增加，提高了饮用水的致癌风险，使出厂水有异味，水质下降，往往会遭受居民的抱怨和投诉。因此，对给水厂的现有工艺进行改造势在必行。
净水厂的工艺改造有以下几种方法：①. 增加深度处理构筑物，如活性炭吸附（或者臭氧－活性炭联用）技术；②. 增加预处理构筑物,如生物预处理(接触氧化池或生物滤池)；③. 不增加常规工艺前、后的净化构筑物，在现有工艺上改造，如强化混凝、强化过滤、优化；④. 综合采用前面几种技术。
具体来说，给水厂净水系统技术改造的内容主要包括如下几个部分：
(1) 针对水源水的污染特性，增设必要的预处理设施。预处理技术包括投加化学氧化剂，如臭氧、高锰酸钾；投加吸附剂，包括粉末活性炭和活化粘土；以及生物氧化技术等。特别是生物氧化预处理技术（如曝气生物滤池），由于本身存在的一些优点，自二十世纪八十年代以来，在许多国家得到重视。我国部分城市水厂也已经开始了这方面的工作。
(2) 混凝技术改造。改造的基本方法可因地制宜选用静态混合器、利用水泵和加装机械搅拌混合器等。
(3) 絮凝技术改造。改造的基本原则是创造适宜的水力条件，使絮凝的各段过程中尽量接近最隹GT值。对打碎絮体的部位需扩大断面积，对GT值过小的部位加装网格或阻流装置。如要适当增加絮凝时间则可适当地占用一些沉淀池空间来解决。
(4) 沉淀池、澄清池的技术改造。改造的基本方法是加装斜管或斜板。
(5) 过滤技术改造，改造为煤和砂的双层滤料滤池；可考虑采用轻质（煤或陶粒滤料）、粒径较粗、滤层较厚的均匀滤料。滤池采用气水联合反冲洗，改善冲洗效果，节约冲洗水量。
(6) 助滤剂的应用。在进滤池的水中再加注少量（一般为1-3mg/L）的混凝剂或微量（一般几十µg/L）高分子絮凝剂，能明显改善水的过滤性能，显著提高去除率。这是改善过滤出水水质的一个非常重要措施。投加助滤剂后，出水浊度明显降低，但运行周期会相应缩短。经试验，采用助滤剂方案时，如运行周期尚长，可不改变滤层，否则要同时把滤层改为双层滤料或均粒滤层并加装表面冲洗以改善冲洗效果。
(7) 增设活性炭吸附或生物活性炭（臭氧－活性炭联用）深度处理设施，进一步控制出厂水中的有机污染物的浓度，减少卤代物质的生成量。
(8) 在无条件建立活性炭滤池时，可在过滤前投加粉末活性炭（PAC），或将滤池改造为活性滤池。
(9) 优化工艺，使用氯胺、二氧化氯、臭氧等剂，降低副产物的产生量，提高饮用水的卫生安全性。
(10) 采用膜技术，可以替代常规工艺和深度处理工艺，并可以去除部分溶解性无机盐。
(11) 水厂自动控制的技术改造，目的是减低能耗，优化工艺参数，保证出水水质。
这里需要特别指出的是，活性炭吸附技术最能有效地去除水中的有机物，将是今后给水净水厂首先应考虑增加的深度处理构筑物。但从经济角度来看，根据我们的估算，采用活性炭吸附技术每处理1m³/d水的投资将在80-100元，运转费将增加0.15元/m³左右。从目前来看出，恐怕在短时间内还难以实现。生物预处理技术对氨氮、亚硝酸盐氮有很好的去除（80-95％），对铁、锰的去除有相当效果，对有机物也有较好的去除效果（10-25％）；对色、味的去除也有一定效果，还能减少药剂投加量。生物预处理技术运转费便宜，仅需增加费用0.09元/m³，但基建面积较大，投资高，每1m3/d约在100-120元左右[2]。
当然，在我国当前的经济和技术条件下，最经济可行办法的是在现在净水工艺基础上进行改造。采取强化混凝与强化过滤的办法，可以不增加构筑物，因此单位水量1m3改造费用只需20-25元，运转费用只需增加0.03-0.05元/m³。氨氮及亚硝酸盐氮去除率80-90%，有机物CODMn去除率15-20%[2]。下面重点介绍一下常规工艺的强化即强化混凝和强化过滤。
关于强化混凝，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。
关于强化过滤，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。强化过滤技术的难点是：
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；
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。
综合给水厂的净水工艺状况，我们把不同工艺的机理、功能、净水效果和费用比较列为一个表格，便于分析和比较，具体详见下表（表2）。该表的依据是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，这里选取气水反冲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1kgO3/h投资37.5万元计算，生产1kgO3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。
目前我国各自来水厂的水源大都遭受生活污水与工业废水的污染，原水中有机物氨氮浓度增加，使水带色、味；有的水厂是从湖泊、水库取水，由于原水藻类（包括藻类分泌物）增加，使出水色、腥味增加。这些原水经水厂常规工艺净化，浊度不易得到很好控制，滤池易堵塞（藻类影响），出水有机物浓度高（生物不稳定，易使输配水管道中细菌滋长，恶化水质），氨氮浓度高，使加氯量增加进而使副产物（如三卤甲烷、卤乙酸等）量增加，提高了饮用水的致癌风险，使出厂水有异味，水质下降，往往会遭受居民的抱怨和投诉。因此，对给水厂的现有工艺进行改造势在必行。
净水厂的工艺改造有以下几种方法：①. 增加深度处理构筑物，如活性炭吸附（或者臭氧－活性炭联用）技术；②. 增加预处理构筑物,如生物预处理(接触氧化池或生物滤池)；③. 不增加常规工艺前、后的净化构筑物，在现有工艺上改造，如强化混凝、强化过滤、优化；④. 综合采用前面几种技术。
具体来说，给水厂净水系统技术改造的内容主要包括如下几个部分：
(1) 针对水源水的污染特性，增设必要的预处理设施。预处理技术包括投加化学氧化剂，如臭氧、高锰酸钾；投加吸附剂，包括粉末活性炭和活化粘土；以及生物氧化技术等。特别是生物氧化预处理技术（如曝气生物滤池），由于本身存在的一些优点，自二十世纪八十年代以来，在许多国家得到重视。我国部分城市水厂也已经开始了这方面的工作。
(2) 混凝技术改造。改造的基本方法可因地制宜选用静态混合器、利用水泵和加装机械搅拌混合器等。
(3) 絮凝技术改造。改造的基本原则是创造适宜的水力条件，使絮凝的各段过程中尽量接近最隹GT值。对打碎絮体的部位需扩大断面积，对GT值过小的部位加装网格或阻流装置。如要适当增加絮凝时间则可适当地占用一些沉淀池空间来解决。
(4) 沉淀池、澄清池的技术改造。改造的基本方法是加装斜管或斜板。
(5) 过滤技术改造，改造为煤和砂的双层滤料滤池；可考虑采用轻质（煤或陶粒滤料）、粒径较粗、滤层较厚的均匀滤料。滤池采用气水联合反冲洗，改善冲洗效果，节约冲洗水量。
(6) 助滤剂的应用。在进滤池的水中再加注少量（一般为1-3mg/L）的混凝剂或微量（一般几十µg/L）高分子絮凝剂，能明显改善水的过滤性能，显著提高去除率。这是改善过滤出水水质的一个非常重要措施。投加助滤剂后，出水浊度明显降低，但运行周期会相应缩短。经试验，采用助滤剂方案时，如运行周期尚长，可不改变滤层，否则要同时把滤层改为双层滤料或均粒滤层并加装表面冲洗以改善冲洗效果。
(7) 增设活性炭吸附或生物活性炭（臭氧－活性炭联用）深度处理设施，进一步控制出厂水中的有机污染物的浓度，减少卤代物质的生成量。
(8) 在无条件建立活性炭滤池时，可在过滤前投加粉末活性炭（PAC），或将滤池改造为活性滤池。
(9) 优化工艺，使用氯胺、二氧化氯、臭氧等剂，降低副产物的产生量，提高饮用水的卫生安全性。
(10) 采用膜技术，可以替代常规工艺和深度处理工艺，并可以去除部分溶解性无机盐。
(11) 水厂自动控制的技术改造，目的是减低能耗，优化工艺参数，保证出水水质。
这里需要特别指出的是，活性炭吸附技术最能有效地去除水中的有机物，将是今后给水净水厂首先应考虑增加的深度处理构筑物。但从经济角度来看，根据我们的估算，采用活性炭吸附技术每处理1m³/d水的投资将在80-100元，运转费将增加0.15元/m³左右。从目前来看出，恐怕在短时间内还难以实现。生物预处理技术对氨氮、亚硝酸盐氮有很好的去除（80-95％），对铁、锰的去除有相当效果，对有机物也有较好的去除效果（10-25％）；对色、味的去除也有一定效果，还能减少药剂投加量。生物预处理技术运转费便宜，仅需增加费用0.09元/m³，但基建面积较大，投资高，每1m3/d约在100-120元左右[2]。
当然，在我国当前的经济和技术条件下，最经济可行办法的是在现在净水工艺基础上进行改造。采取强化混凝与强化过滤的办法，可以不增加构筑物，因此单位水量1m3改造费用只需20-25元，运转费用只需增加0.03-0.05元/m³。氨氮及亚硝酸盐氮去除率80-90%，有机物CODMn去除率15-20%[2]。下面重点介绍一下常规工艺的强化即强化混凝和强化过滤。
关于强化混凝，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。
关于强化过滤，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。强化过滤技术的难点是：
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；
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。
综合给水厂的净水工艺状况，我们把不同工艺的机理、功能、净水效果和费用比较列为一个表格，便于分析和比较，具体详见下表（表2）。该表的依据是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，这里选取气水反冲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1kgO3/h投资37.5万元计算，生产1kgO3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。
序号 | 工艺 | 作用机理 | 功能 | 去除效果（％） | 增加费用 | ||||||
有机物 CODMn | 氨氮 | 亚硝酸盐 | 色嗅味 | AOC | Ames 致突活性 | 基建费(元/m³/d) | 运转费(元/m³/d) | ||||
1 | 常规工艺 | 混凝、接触凝聚 | 除浊、 | 20 | 10-20 | 负增长 | 一定 | 少量 | 负增长 | ||
2 | 活性炭吸附 | 物理吸附、部分生物降解 | 去除有机物 | 20-50 | 少量 | 少量 | 很有效 | 部分 | 很有效 | 80- 100 | 0.12-0.15 |
3 | 臭氧活性炭 | 化学氧化、物理吸附、生物降解 | 去除有机物 | 20-50 | 80-90 | 80-90 | 很有效 | 很有效 | 很有效 | O3 35- 40 | 0.05 |
4 | 生物预处理 | 生物降解、吸附、絮凝 | 去除氨氮、亚硝酸氮、有机物 | 10-25 | 85-90 | 90 | 部分 | 有效 | 不明显 | 100-120 | 0.10 |
5 | 强化混凝 | 创造良好水力条件、吸附架桥 | 充分发挥混凝作用 | 增加8-10 | 基本无 | 基本无 | 少量 | 少量 | 不明显 | 5 | 0.02-0.03 |
6 | 强化过滤 | 生物降解、絮凝吸附 | 去除氨氮、亚硝酸盐氮、部分有机物 | 10- 15 | 80-90 | 80-90 | 少量 | 部分 | 少量 | 15- 20 | 0.01-0.02 |
4. 结论
综合给水厂不同净水工艺的去除指标和经济上增加的费用，我们得出的基本结论是，在我国现有经济和技术条件下，在优先考虑强化常规工艺的前提下，增加预处理和深度处理将是今后我国水厂进行改造的主要方向。在预处理中，生物预处理发展前景广阔。在深度处理中，活性炭或者生物活性炭（即臭氧-活性炭联用）将是主要的发展趋势。
综合给水厂不同净水工艺的去除指标和经济上增加的费用，我们得出的基本结论是，在我国现有经济和技术条件下，在优先考虑强化常规工艺的前提下，增加预处理和深度处理将是今后我国水厂进行改造的主要方向。在预处理中，生物预处理发展前景广阔。在深度处理中，活性炭或者生物活性炭（即臭氧-活性炭联用）将是主要的发展趋势。
参考文献
[1].范洁，关于供水企业技术发展问题的探讨，21世纪中国城市水管理国际研讨会（UNDP技术援助项目CPR/96/302），1999，9，北京，5-105~5-109
[2]王占生，中国饮用水的水质问题，环境科学与工程研究，钱易、郝吉明、陈吉宁、唐新华主编，北京：清华大学出版社，2001年4月第一版，32
[1].范洁，关于供水企业技术发展问题的探讨，21世纪中国城市水管理国际研讨会（UNDP技术援助项目CPR/96/302），1999，9，北京，5-105~5-109
[2]王占生，中国饮用水的水质问题，环境科学与工程研究，钱易、郝吉明、陈吉宁、唐新华主编，北京：清华大学出版社，2001年4月第一版，32