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中國飲用水的水質問題與水的深度處理
王占生 (清華大學環境科學與工程系)
1 新的生活飲用水水質衛生規范的頒布
我國衛生部己于2001年6月7日頒布了新的生活飲用水水質衛生規范(9月1日執行，詳見規范)。規范規定了常規檢驗項目34項，非常規檢驗項目61項。明確作為生活飲用水水源，水中耗氧量不應超過4mg/L，五日生化需氧量不應超過3mg/L。規范指出，當水質不符合有關規定時不宜作為生活飲用水水源。若限于條件需加以利用的，應采用相應的凈化工藝進行處理，處理后的水應符合規定，并取得衛生行政部門的批準。
2 生活欽用水中有機污染指標的選擇
由國家環境保護總局發布的2000年1月1日實施的修訂后的“地表水環境質量標準”中Ⅱ類水域水質中有關有機物綜合性指標標準值有：化學需氧量(COD
cr )15mg/L，生化需氧量(BOD5) 3mg/L與高錳酸鹽指數4mg/L。這三項指標中COD cr
值在小于100mg/L時測定較困難，不易準確；BOD 5 一般自來水部門不進行測定，而且數值小時也不易測準；惟有耗氧量COD Mn
(也即高錳酸指數)容易測定，可操作性強，并且在給水部門已經公認用作水源水質的判別。
耗氧量作為生活飲用水的一個水質項目，它不是一個具體的物質，也沒有對人體健康有危害的具體數據。發達國家不采用耗氧量作水質指標，因為他們可以測出水中具體的各種有毒有害有機物的量。他們中有用TOC(總有機碳)作水質指標，但無具體數值，只規定TOC不得有大的變動。作為有機物的綜合性指標，大家認為TOC是最好的指標，但TOC值需由TOC儀測得，TOC儀價格昂貴，不是所有大城市都有，制水部門就更少了。將COD
Mn 作為暫時性的水質指標，因其測定所用設備簡單，分析測定方便，不需復雜的技術，一般水廠分析人員都可測定，所以是最適宜的。
3 生活飲用水中有機物綜合性指標耗氧量限值的討論
按照國家水污染防治法規定：集中供水取水口處水域的水質應為地表水環境質量Ⅱ類，也即耗氧量為4mg/L。水源水的耗氧量為4mg/L，經過給水常規處理工藝(泥凝沉淀-過濾-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重又無新的好水源，標準中留有余地，即“特殊情況了不超過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標準中增加耗氧量作為水質指標是結合我國國情，全面提高市政供水水質、改善居民飲用水質量的一個重要措施，是這次水質標準修改的重要進展。在規定的常規檢驗項目中還增加了鋁(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。在非常規檢驗項目中增加了有關的農藥、除草劑、微囊藻毒素-LR，消毒副產物：三鹵甲烷、鹵乙酸、亞氯酸鹽、一氯胺等與其它有毒有害有機物。在水源選擇時還要對常規與非常規檢驗項目外32項有害物質進行測定。修改后的水質標準應該認為比之85年頒布的老標準有很大提高，為與國際水質標準接軌邁出一大步。對于給水工作者，除全面達到生活飲用水水質標準，其中最主要的是濁度與耗氧量兩個指標。濁度要達到1NTU／L要比3NTU困難得多。即使出廠水在1NTU的下，進了管網后也有可能受管中腐蝕、沉積的銹垢影響而超過1NTU。耗氧量按3mg/L來控制出廠水、管網水，只要水源水質正常，是能達到的，但對水源水質達不到4mwL時，要通過常規凈化工藝去除30～40％是困難的，但可按特殊情況不超過5mg／L來對待。Ⅲ類水域水質耗氧量現已放寬到8mg/L，如通過常規工藝處理到5mg／L，也較困難，可以采取一些強化措施(如強化混凝、強化過濾)爭取去除40％，那樣也可達到5mg/L。總之增加耗氧量指標、提高濁度標準將給制水行業帶來壓力，但能滿足居民需求，因控制了耗氧量，控制了水中有機物總量，感官性指標色、臭、味將有很大改善。
對于給水界，由于提高了水質標準的要求，無疑增加了負擔，加重了責任，但也應看到水質標準的提高給給水界同行提供了改善水質，采用先進凈水技術的機遇，正是大干事業的時候。
4 我國地表水水質現狀、生物預處理與深度處理技術
不同水源水由于有機物來源不同，有機物的分子量分布特征也表現出獨自的特點，而各種處理技術對不同分子量的有機物的去除效果也不同。
分子量大于10000的膠體有機物主要可通過混凝、過濾去除。
分子量在1000—10000的有機物形態可能處于膠體和真溶液之間，混凝、過濾可去除一部分，氧化劑氧化可使部分大分子量有機物氧化降解成小分子量有機物。
500～3000分子量的有機物能被活性炭有效去除，而<1000分子量的有機物親水性強，主要由生物降解去除。
4.1 生物預處理技術
我國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，仍然消耗后續消毒時的氯量。
生物處理是去除原水中氨氮最有效的方法。
根據我國的試驗研究，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%，同時不同程度地還能去除鐵、錳、色、嗅、濁度，全面地提高水質。由于有生物絮凝作用還可使原水中膠體的zeta電位降低，節約后續投加混凝劑(約1／3--1／4)。
生物預處理存在的問題是水的停留時間過長(1小時)或過濾速度較低(6m/h)致使構筑物體積大、基建投資較高(約100～120元／m
3 ／d)。現上海原水公司正試驗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。生物處理的運行費用低，只需曝氣與沖洗填料，但考慮構筑物折舊，也需0.1元/m
3 。
生物預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
我國湖泊、水庫富營養化嚴重，大都受藻類污染。氣浮技術可以有效去除藻(80～90％)、藻毒素(約70％)。昆明通過氣浮還可去除耗氧量40～50％。
氣浮產生的藻渣較難處理與處置，我國尚無有效的經驗。國外將藻渣經濃縮池濃縮后，加絮凝劑通過機械脫水。只要資金充足，配置機械設備，認真操作，應能解決。
4.3 活性炭吸附與臭氧活性炭聯用技術
活性炭吸附有機物是最常用的技術，但活性炭的吸附容量是有限的，原水水質越差，活性炭吸剛飽和周期越短，一般幾個星期至幾個月，視水質而異。活性炭必須經常再生，才能保證水質目標。目前我國市政供水僅有北京、昆明少數城市采用。現我國煤質炭約5000元/t，木質炭、果殼炭約8000元Ao考慮到活性炭濾池也要反沖洗，宜采用質地堅硬的煤質炭，但煤質炭吸附主要是微孔，吸附容量有限，應開發中孔發達的水相炭。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，因此應按地區設置活性炭再生廠(忙時再生，閑時生產活性炭)才能促進活性炭的應用。
今后使用活性炭主要目標是去除有機物，應以出水耗氧量3mg／L為再生的依據。
中小水廠活性炭宜采用鋼罐，兩級串聯，前后輪換，當一罐炭全部飽和后取㈩再生，充分利用炭的吸附能力。目前我國采用單個濾池，當出水不合格需要再生時，往往丟失炭還可吸附的部分能力。如水量大，用池子，也宜采用兩級串聯。如果水質污染是季節性的或時間短，采用粉末炭靈活、機動，不需增加構筑物，一般投加量約需20mg／L。粉末炭不宜與混凝劑同時投加，應通過試驗決定投加的位置。粉末炭約需3000元/t。
為了減少頻繁的再生，常用臭氧——活性炭聯用技術。
臭氧能有效地去除色、嗅。臭氧去除藻與藻毒素效果好，但投加量需視同時存在的其它污染物的數量。臭氧本身無殘留，無毒害，但其與有機物反應的中間產物有時可能是有毒、有害的，囚產生小分子有機物，使水中可生物同化有機炭(AOC)增加，導致水的生物穩定性變差，因此臭氧一般不單獨使用，而需與活性炭聯用。
臭氧除能氧化某些有害有機物變成無害外，町以增加小分子有機物便于活性炭吸附，由于很好地充氧，使活性炭表面生長良好的生物膜，可以生物降解未被氧化的有機物與被氧化成小分子的羧酸、醛，這樣就兼有化學氧化、物理吸附與生物降解三個作用。臭氧活性炭的綜合作用使處理后的出水水質大為提高，往往可以使原本出水的毒理學評價Ames致突活性從陽性轉為陰性；有機物的去除率達到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(生物可同化有機碳)值，使山水生物穩定性大為提高：由于活性炭卜的微生物生長良好，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)，使活性炭長期保持降低有機物的作用，去除有機物20-30％，使炭的再生周期大為延長(一般可以1－1.5年)。
臭氧的投加量需視去除的目標污染物的多寡，如是COD Mn ，根據昆明的經驗：視活性炭進水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期穩定在25％左右。
上海試驗水廠采用新炭，臭氧投加1-2mg／L，臭氧一活性炭去除COD Mn
的效率，經3個月的觀察，從85％已降到60％。進一步要考察的是當工藝出水<3mg／L情況下，活性炭能穩定運行多長日期(即活性炭工作周期)。該水廠如能長期運行，將給全國深度處理技術的采用提供范例與提供有實際使用價值的設計參數。
臭氧一活性炭的基建投資為150～200元／m 3 ／d，運轉費約0.2元／m 3 。
為了適應今后自來水廠發展的需要，我們應做好臭氧設備的開發。國內缺乏大型臭氧發生器裝置，如每臺每小時產生3kg、5kg、10kg臭氧發生全套裝置以備3萬、5萬、10萬m
3 ／d自來水廠的需要，還應保證設備的質量、減少電耗。
臭氧應用中還要開發有效的臭氧擴散與水混合、臭氧尾氣的吸收與水中臭氧濃度測定的設備、儀器，使之配套，以便科學地進行運行管理。
5 常規凈水工藝的改造
以上述及深度處理中活性炭與臭氧技術，都需要新增加構筑物與設備。生物預處理構筑物較大，投資也較高，對于1萬m 3
／d水廠，即需100～120萬元。最經濟可行的是在現有工藝基礎上進行改造。采取強化混凝與強化過濾的辦法，不增加構筑物，因此改造費用單位水量(m
3 /d)投資只需20～25元，運轉費用增加0.03～0.05元／m 3 。氨氮及亞硝酸鹽氮的去除效率約80％，有機物COD Mn
15～20％。
5.1 強化混凝
可以有以下幾種方法：
1) 多投混凝劑使有機物的水化殼壓縮，水解的陽離子與有機物陰離子電中和消除由于有機物對無機膠體的影響，從而使無機膠體脫穩。
2) 投加絮凝劑，增加吸附、架橋作用，使有機物易被絮體粘附而下沉。
3) 投加氧化劑，使有機物被氧化。
4) 調整混合與絮凝反應的時間，使藥劑充分發揮作用，即從水力條件上改進。
5) 調整pH，一般有機物多時，pH5～6效果好。
6) 根據我們試驗研究結果，以投加絮凝劑，改善水力條件共同進行能取得好的效果，且經濟可行。
5.2 強化過濾
濾池主要功能是發揮濾料與脫穩顆粒的接觸凝聚作用而去除濁度、細菌。如果濾料洗滌不干凈，濾料表面就會積泥，當預加氯時抑制了濾料中生物的生長，因此濾料層沒有或較少生物降解作用。如果不預加氯，濾料層中就會有生物作用，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果。
強化過濾就是讓濾料既能去濁，又能降解有機物，降解氨氮、亞硝酸鹽氮。這樣，就需要在濾料中培養生物膜，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。技術的難點是：
1) 選擇濾料(有利于細菌生長)；
2) 控制反沖洗強度既能沖去積泥，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) 要使濾池的微環境有利于生物膜成長；
5) 其他技術問題，如沖洗水的強度、膨脹率等。
根據平湖河水廠改造經驗，如活性材料采用活性炭，則濾池進水中含氯，會被上層炭還原，不影響下層炭上生物膜去除污染。沖洗水要用無氯水，才能保證亞硒酸鹽的去除，否則會增加。活性濾池去除CODＭn20％左右，去除NH
3 -N70～80％。
6 受污染水源水的組合凈化工藝
根據近年來試驗研究的成果，對不同程度受污染水源水的凈化組合工藝提出如下設想：
1)水源水的耗氧量在4～6mg／L時，可以選擇增加生物預處理、或活性炭、或臭氧一活性炭技術與常規處理配合使之達到耗氧量<3mg／1。的水質要求；
2)當水源水的耗氧量在6～8mg／L時，可以先設生物預處理與常規處理配合，然后再增加臭氧一活性炭深度處理；
3)當水源水的耗氧量在8～10mg/L時，或許能采用臭氧預氧化——生物預處理——常規處理(強化混凝)——臭氧——活性炭組合工藝使之達到水質要求，其中臭氧投量要增加，活性炭吸附時間要增長。
以上主要是從降低有機物(耗氧量最不易降解)為目的考慮的，同時還應考慮去除其它污染物以全面達到水質標準。
凈水廠改造費用見表1，依據是1993年12月中國建筑工業出版社出版的《給水排水工程概預算與經濟評價手冊》中給水工程構筑物技術經濟指標，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)計算，間接費以直接費的50％計，再乘以價差調整系數2進行投資估算。估算中生物陶粒池濾速采用6m／h，活性炭濾池采用10m／h，臭氧發生裝置以產1kgQ
3 ／h投資37.5萬元計算，生產lkgO 3 耗電35kwh，每kwh以0.8元計，折舊以15年回收計算。運轉管理人工費以每月1000元計。
第2項和第3項分別指活性炭和臭氧的費用，如果用臭氧活性炭技術，則費用為兩項相加。
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