清华大学杨宏伟博士：饮用水处理技术保障饮用水安全
2014-05-13 19:16:46
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据人民网食品频道2009年7月27日讯 非常高兴今天有这样一个机会可以跟食品界的专家做交流，以前的机会非常少，我是第一次有这种机会。前面两个专家胡教授和叶教授从饮用水的污染和健康还有标准方面都做了科普的介绍。我的报告比较专业，内容比较多。王校长给我的主题“饮用水安全保障和技术”，我主要讲里面涉及的一些常规技术，预处理技术、深处理技术和在中国目前阶段比较特殊的应急处理技术。从饮用水安全的角度来说，目前老百姓生活水平提高以后，大家对水不仅是量的标准，更重要的要喝到健康和安全的水。一般是通过瓶装水满足需求，但是从供水行业来说，我们还要保证供水方面安全和健康的问题，所以要求我们提出更有保障的水处理技术。
我们国家一直在用85的标准，20多年一直没有动，2006年才颁布新的国家标准，水的标准提高非常快，原来是35项，现在是106项，结合目前供水行业的特殊情况，没有一刀切，没有说2007年7月1号都达到这样的标准，有一个过渡期，在2012年全面实施。我们国家供水企业满足新标准的阶段，很多企业面临技术改造和新工艺建设来满足水供应的标准。
还有水污染的问题，刚才胡教授提到了环境公告里面，每年6月5号环境公布的那天会在网上挂出来，大家可以统计一下。目前，水环境满足三类水标准的水才可以作为饮用水的标准，低于三类水不可以作为饮用水的水源，但是现在达到三类水的比例越来越低，这两年可能是稍微好一点，不过，这个问题还是比较突出的，这是整体水源污染的问题。另外，我们国家经济发展水平非常快，属于快速发展的阶段，污染的事故出现得非常的频繁，比如说松花江污染，广东北江的污染，无锡的污染问题，这些事件的出现，要求供水行业能够提供非常有保障的水供应技术。目前我从处理技术方面讲了我国目前的一些处理技术。
首先是常规处理技术，也是现在国家普遍采用的技术。混凝、沉淀、过滤和消毒四个部分。从混凝的角度来说，主要的目标是去除浊度和有机物，我们国家采取的混凝剂大部分是滤化的去凝剂，处理工艺方面包含混合和反映阶段，水利混合、水利反映，还有机械搅拌。水利混合的角度，水平比较简单。中国的情况比较特殊，我们设计10万吨每天的水厂，但是夏天高空用水的时候可能会达到15万吨，甚至会达到20万吨每天，这在国外是不可想象的。国外设计10万吨每天的水厂，基本上不会超过这些。超负荷运行的时候，水利混合反映的就存在问题了，使得混凝的效果比较差，沉淀的工艺很难沉淀下来。机械搅拌就比较好，可以通过调整搅拌的速度，来提高去泥的效果。目前一些新的设计更多的考虑机械搅拌的处理工艺。
在混凝的阶段，还可以通过PH值强化一些污染物去除的特性，比如说对有机物，尤其针对天然有机物，可以把PH调到酸性的阶段，可以去除一些有泥物。重金属，可以把PH调高，也可以达到一定的效果。
沉淀国内采用的有两种，平流沉淀池和斜板、斜管沉淀池。这个方法也可能会存在一定的问题，沉淀出来的泥排出不及时的话，沉淀的效果就不会太好。目前国内的企业，在占地面积允许的条件下，更多的会考虑平流沉淀池的技术，这样可能会取得比较好的效果。
过去混凝沉淀分开做的比较多。中国面临的问题就是夏季藻类污染的问题，运用混凝沉淀很难将它铲除。过去的一些脉冲澄清池对这个问题效果比较明显。国外开发的一些比如说高密度澄清池都比较好，这就可以解决北方地区低温的条件下混凝效果比较差的情况。另外，我也可以向澄清池里面加入一些沉淀沙，如果是藻类爆发的话，这个工艺就比传统的工艺效果强很多。
从过滤的角度来讲，这应该是供水流程里面保证出水浊度*重要的环节。过去我们国家采用的虹吸滤池，双阀滤池，V型滤池，都是采用的水板的工艺，这个效果并不理想。从十五時期或者是更早一点，现在基本上采用V型滤池，也包括翻板滤池，他们采用的就是()的工艺，他们在供水方面非常好。
另外还有消毒，这是保障饮用水卫生安全*重要的环节，前面的工艺对微生物的去除有一定的效果，但是效果非常有限，*主要的保障还是在这部分。在我们国家*常用的就是氯消毒的工艺。它对细菌和病毒去除效果非常的影响，对原生动物灭活效果差，在美国有过这方面的例子。我们是从十五期间才开始重视这些问题，我们在新标准当中也列了两虫的问题。单独用氯消毒很难把两虫灭除。原水当中有机物浓度比较高，这跟我们国家国情也比较吻合，有机物浓度比较高，从监测角度来衡量，我们国家的原水条件下，从中国目前的情况下，不太可能寻找更好的水源，只可以从工艺上寻求。从前面的工艺上找一些方法，当然也可以从消毒本身的角度找一些新的工艺，比如说氯胺消毒，我们国家很少就使用，但是很长时间没有使用。氯胺消毒相对氯消毒，先加氯，后加胺，先达到高效消毒的作用，再加上胺，这个工艺和原来的效果差不多，但是比较好的控制了消毒副产物的问题。
相对新一点的消毒工艺就是二氧化氯消毒，它比氯消毒要好很多。二氧化氯的来源和成本方面的限制，在中国使用还非常少。还有臭氧和紫外的消毒，这对原生物的消灭非常明显，但是必须是后面加氯消毒才可以。刚才叶老师在报告里也把标准列出来了，现在瓶装水行业细菌指标比饮用水标准指标还低，我感觉可能跟消毒工艺有关。瓶装水一般是紫外和臭氧，没有持续的杀菌的能力。臭氧在水中会有衰减的过程。氯消毒对大肠杆菌消灭是非常明显的，在这样的情况下，在工艺的角度定的标准，瓶装水比生活饮用水低一点。
紫外消毒在我们国家应用得非常少，目前在建的是天津开发区的一个水厂，新加入了紫外消毒后面再加上氯消毒，是两级屏障的作用。紫外消毒对细菌和原生动物消毒比较好，但是对病毒的消毒不好。氯消毒正常是病毒到原生动物，基本上完全可以把细菌消灭掉，有了这两级保障以后，就可以保障出水生物安全。
前面是传统的水处理工艺，我们水源的问题比较严重，有机污染源越来越大。为了保障出水的水质安全，一方面我们通过改造来强化传统的工艺，但是不可以从根本上解决水污染的问题。更多的我们要增加预处理工艺和深度处理工艺保障出水的情况。从预处理角度来说，主要为了去除有机物和控制氨氮还有藻类的生长，从技术手段上有三类。第一个是生物生物接触氧化；第二活性炭吸附；第三化学处理。从生物处理来说主要针对的有机物浓度比较高的水源，甚至是超过三类水不可以作为饮用水水源，但是又没有其他水源，只可以用这个水。这时候我上一下生物处理。第二个是物理预处理，就是加粉末活性炭，有问题的时候可以加，没有问题的时候也可以加，比较灵活。活性炭对有机物吸附的效果比较明显，但是对氨氮就没有办法处理了。底下是化学氧化，包括高蒙酸盐氧化，抽样氧化和氯预氧化，主要的目的是两个，除掉溴类；第二个可以杀灭微生物，如果不杀灭藻类，会影响后面工艺有效的运行。
预处理只可以在水源条件下，改善一些原水的水质情况，不可以根本的保证出水水质的情况。在目前大部分的供水企业，在原有的技术改造过程中，包括新建的水厂，更多采用了深度处理的工艺。从深度处理的工艺，还是为了改善水的一些色度溴类和浊度感官类的指标。另外需要去除水当中的藻类，藻毒素，氨氮和亚硝酸盐氮，溶解性有机物。也希望把病毒和两虫动物杀灭，也可以减轻氯消毒的负担。
技术上来说，有三类在使用：活性炭，臭氧生物活性炭，还有膜分离。吸附我们国家采用得比较早，北京的酒厂一期工程的时候就采用了活性炭吸附，就是滤池后面接活性炭吸附，北京的水源也比较特殊，它从全国的角度的水源来看也比较好，它活性炭两到三年换一次，当时活性炭的效果也比较理想。针对全国大部分的水源情况来说，如果都按照活性炭处理，并不可以有效的去除有机物，这时候就提到臭氧和生物活性炭。这工艺在欧洲的使用量比较大，因为欧洲的水源跟我们国家比较类似，它污染的情况也比较严重。美国和加拿大的水源保护非常好，它的处理工艺相对欧洲和亚洲来说比较简单。臭氧生物活性炭我们国家从十五世纪开始发展，现在用它深度处理工艺的规模达到了1000万吨每天的工艺，十一五期间的水厂的改造和新建的水厂都采用了臭氧活性炭的工艺。
膜分离，主要是微滤和超滤多一点，国外使用得非常普遍。工厂的处理量达到几十万吨，高的达到60万吨每天的处理规模。这跟他们的水源情况有关，相对来说美国水源比较好，他们采用膜成本也比较低。在国内比较少，十一五期间，山东东宁做了一个15万吨每天超膜的处理工艺，运行中可能出现的问题就是膜可靠的问题，如果是膜断裂，又不可以查出来的话，问题就出来了。
从臭氧活性炭来说，典型的工艺就是这样的流程。这是过去的传统工艺，主要是在这部分，原来的沙粒石出水以后，提升用臭氧，再用活性炭，*后还需要氯消毒。优点也比较明显，一个是控制嗅味和提高口感。当时在深圳做的臭氧生物活性炭工艺比较明显，跟传统的工艺相比，口感和嗅味改善非常明显。而且可以去除水中的有机物，跟其他的相比来说这个效率比较好，一般去除的效率达到50%。臭氧把有机物从大分子打成小分子，利用生物活性炭把小分子再消灭掉，水出来以后不会继续生长微生物，如果我们做不到这点的话，过去传统水的处理工艺，生物稳定性不好的情况下，生物可能就在管网里生长，这样出来的时候水是合格的，到了用户端水就不合格了。还有利用臭氧的消毒工艺，也保证了后面氯消毒安全的问题。
随着一些水厂的运行，一些问题也开始暴露出来。臭氧化副产物的形成，比如说可同化的生物炭，有机炭。在臭氧工艺里主要的问题，水当中有溴离子，这应该是比较强的致癌物质，有动物实验，但是没有人体实验。一般原水当中的溴离子在100左右的时候，溴酸盐就可以通过国家的标准，如果原水在100微克每升的溴离子，就可能有超标的危险。我们国家有江河湖库有一些工业企业排污造成的溴离子超标的问题比较严重。我们国家采用这个处理工艺问题，有一个溴酸盐的问题。你臭氧浓度不够的时候，可能跟有机物反映，生成一些副产物的问题，这也是致癌的物质，但是这相对来说也不是主要的问题。
另外问题就是生物安全性的问题。我们采用生物活性炭，在炭床里面生物量非常多，生物炭一周左右要冲洗，冲洗就要有小的颗粒流出来，它流出来以后小颗粒上可能附着了一些微生物，这些微生物在后面的消毒里面可能很难被杀灭，因为有一个固体的包裹的作用，消毒达不到微生物的表面和内部。这也是我们在使用臭氧生物活性炭研究当中的一个热点问题。
刚才提到膜技术，我列了几个公司在国外做的一些膜工厂的情况，这是得利满做的一个膜处理，美国还有加拿大的水厂，波尔公司采用的一个膜在加拿大使用，用的就是比较简单的工艺，就是混凝沉淀和超滤。在我们国家混凝之后直接超滤，问题就比较多，就是后面膜运行率比较高，换膜的周期会缩短。这也可能跟我们国家目前膜处理工艺没有大规模推开的一个主要因素。
前面从应处理到传统处理到深度处理工艺，做了一个简单的介绍。我们目前面临的任务是应急处理技术，建设部、环保部经常打电话到系里，让系里专家去搞这些应急处理。应急处理从技术和类型来说，可以分为三类：
第一类是有机污染。对这类问题，我们主要是采用活性炭的处理工艺。比较典型的是当时的松花江污染应急处理，活性炭在吸附有机物的时候，吸附的时间不一样，时间越长，吸附的效果越好。当时，处理这个问题的时候，我们并不是从水厂加活性炭，是利用管网输送的时间，延长它吸附的时间，当时这样处理以后，事件得到了很好的解决。
第二类是重金属的污染，当时比较典型的是广东北江的污染应急处理事故。当时我们运用强化混凝技术，一般对重金属可以掉到碱性，通过氢氧化物和碳酸物的沉淀技术来做。实际上，我们把它调高以后，它的表面是负电，金属本身是正金，通过吸附的作用可以吸附静电，我们当时调到8.5，可以把镉的重金属很好的调上来。去年我们用的氯化出现了铝的问题，就是铝的标准超过了我们国家的标准。
另外是藻类的污染，一个是臭味的问题，还有是无锡突发水污染事件的应急处理。当时采用的技术预氧化技术，利用高锰酸钾的氧化作用，也是加入高锰酸钾。但是需要注意的问题是，就是投加量的问题，一般情况下不可以超过5毫升，如果是超过5毫升，会出现色度超标的问题。无锡也出现了这个问题，为了控制嗅味，就多加了一点，结果就出现了红色水的情况。
前面讲的是供水行业经常采用的一些技术，从瓶装饮用水的处理技术来说应该不是问题。供水企业自身供水有一个水价的问题，不可能随便提水价，现在就是2、3元多的水价水平，在这样的水价，技术选择会有很大的限制，不可能选择高技术。瓶装饮用水用户可以自己选择，从成本上可以考虑，技术选择上可以更宽一点。瓶装饮用水，比如说纯净水系统，它的工艺主要采用膜处理技术，超滤和反渗透达到纯净水的目标，也可以采用离子交换和活性炭吸附，这主要是去除有机物。消毒方面主要是采用紫外消毒和臭氧消毒。在瓶装饮用水来说，处理工艺比较成熟。针对不同的水源，我们的工艺还是有很大的调整余地的，从节能，节约成本角度来说有很大的选择，并不是说我们要采用一种工艺来做。
另外在供水企业里面一些潜在的技术有两大类：
第一类是催化氧化技术。包括光学化氧化，对光学化氧化我们国家70年代就研究了，到目前用在市政供水距离还比较远，但是用在纯净水领域的话还是有一定的前景。市政供水催化氧化技术，目前的臭氧催化氧化技术还是有一定的前景的。前面提到，臭氧综合工艺里面有一个消毒的问题，还有生物安全性的问题。如果是采用臭氧催化氧化技术，一方面把生物氧化，另一方面还可以控制溴酸盐的生成，还是非常有前景的。
还有膜处理技术。超滤技术是目前大力发展的技术，但是在将来的发展程度，在膜处理技术的纳滤，它的应用还是有一定的市场，但是在市政供水也不太可能使用。这是法国的一个水厂，1999年投产运行，前面用的是传统的处理工艺，后面分了两条，一条是臭氧工艺活性炭，另一方面用的是纳滤，前面是3万吨每天，后面是14万吨每天，可以做一个比较。钠滤对有机物去除比较好，超滤基本上不可以截留有机物的，这样就保证了消毒副产物会减少。相对臭氧生物活性炭来说，至少有几个优点，第一个是浊度会更低，因为活性炭里面会有一些炭粒流出，第二细菌可以全部截留，这样也可以保证后面氯消毒的安全，但是臭氧消毒不可以达到所有细菌灭活的效果。但是纳滤也有一些缺点，因为我们一直在提健康的问题。纳滤把二价离子去除得很厉害，基本上是保持的是一价离子，像一些矿物质，钙离子和镁离子截留率就比较高。如果用这样的水作为市政供水，用户会不会有意见呢？这是目前大规模推广限制的一个因素。
第二，纳滤的产水率相对我们的工艺比较低，它的产水率是70%到90%，这个水厂做到85%，没有办法做到百分之百，相对于臭氧生物活性炭就低很多了。从这个角度来说，纳滤的缺点也比较明显。但是从今后的发展来看，确实可以考虑将不同工艺的出水混到一起，这样可以发挥各种工艺的特长。
整体来说，目前的水处理工艺，包括深度处理工艺和混凝沉淀基本上可以保证我们的出常水的正常性，如果把出常水的水质调整好，对管网的影响也比较小，到达用户的问题也不会太大，这从技术手段上是可以实现的。实际上，尤其一些大城市的管网非常的复杂，有年代的问题和区域的问题，就会存在补率的问题。中国供水的管理有问题，自来水公司只管到入户这段，入户以后就是物业小区管，那就是水箱的问题了，这是一个比较严重的环节，但是供水企业又没有办法管到这块，物业公司又不是专业人员，没有管理这方面的问题，所以这也是目前用户端出现问题的一些环节，但是并不是供水企业造成的，就是制度上造成了这些问题。