穿越时空的智慧，解跃峰教授30年前就饮用水处理技术的展望发表时间：2024-11-05 16:10 90年代以来，随着饮用水水质标准的不断提高和水源水质的相对恶化，美国环保局和美国给水水厂协会资助了大量有关新的水处理工艺和技术的研究项目。本文扼要地综述90年代以来美国给水研究的新动态。 01 消毒副产物的控制 氯消毒作为一种稳定、有效、经济的消毒工艺，是给水处理中最主要的消毒工艺。但是，自70年代以来，人们在氯消毒水中鉴定出大量的消毒副产物——卤代化合物。这些消毒副产物包括众所周知的三卤甲烷和近年来新鉴定出来的卤代乙酸、卤代乙腈、卤代丙酮及卤代乙醛。毒理学试验表明，许多消毒副产物对人具有致癌作用。因此，美国环保局去年颁布了“消毒剂与消毒副产物”法规与“信息收集法”初稿。其中消毒剂与消毒副产物法规将影响供水25人以上的所有水厂。 三卤甲烷和卤乙酸产生来源于氯和水中腐植质的反应。它们的控制手段有： 一是前体的去除，二是不同消毒剂，三是消毒副产物的去除。 前体的去除是消毒副产物的主要控制手段。前体去除的主要工艺有混凝、活性碳吸附、生物处理与膜分离技术。消毒工艺的更新包括氯氨消毒、臭氧消毒和二氧化氯消毒等。消毒副产物的去除工艺主要有活性炭吸附。其中，最为有效的手段是前体的去除。美国环保局建议的最佳工艺包括强化混凝、活性炭吸附及膜分离。替代消毒剂的应用具有一定的局限性，即消毒性能的降低和新的消毒副产物的生成。 亚氯酸盐主要来源于二氧化氯消毒，应用臭氧处理含溴离子的原水将产生溴酸盐。亚氯酸盐和溴酸盐这两项指标是美国环保局对给水工业中盲目选用二氧化氯及臭氧消毒来避免三卤甲烷及卤乙酸的一种对策。 02 水的生物稳定性 尽管管理消毒副产物是供水领域的重要议题，但首要任务依然是有效地控制水中的病原微生物。最近的研究指出，使用高浓度的氯进行消毒可能不是对付管道系统中病原体最高效或最实际的方法。水中的养分是促进病原微生物生长的关键因素。因此，限制这些营养源对于抑制病原体在供水网络内的增殖、减少所需添加的氯量以及降低消毒过程中产生的副产物都至关重要。通过这种方式，不仅可以提高水质安全，还能减少潜在有害副产物的形成。
近年来，BDOC（生物可降解溶解有机碳）和AOC（生物可同化有机碳）成为控制水中营养物的重要指标。尽管两者有一定关联，但用途不同。BDOC用于评估水中的可生物降解有机物总量，反映水的生物处理潜力；而AOC则衡量能被细菌直接利用的有机物，用于评价水在管网中的生物稳定性。一般来说，当AOC低于50微克/升时，水被认为是生物稳定的，少量加氯就能控制细菌繁殖；若AOC高于50微克/升，则水被认为生物不稳定，即使大量加氯也难以防止细菌增长。研究还显示，管网中的大肠杆菌数量与AOC浓度有关。 通常，臭氧氧化会增加水中的AOC浓度，使得出水变得生物不稳定。为了控制出水的AOC浓度，生物处理是一种主要方法，其中生物活性炭和生物填料常被用来处理经过臭氧氧化后的生物不稳定水。即使是在普通的快速过滤池中，填料表面也会自然形成一定量的生物膜。为了促进普通快速过滤池（如砂滤或无烟煤滤池）中填料表面生物膜的形成，可以采取一些措施，比如取消预加氯、适度减少反冲洗频率或者使用不含氯的水进行反冲洗。对于过滤过程中可能出现的生物穿透问题，通过适当的反冲洗操作就能够得到有效解决。这样不仅有助于维持水的生物稳定性，还可以优化过滤过程的效率。 总之，恰当的生物处理工艺能够有效减少水中的营养物质，增强水的生物稳定性，进而控制管网中细菌的再生问题。通过降低水中的营养物质，可以减少所需的投氯量，这样既能降低消毒副产物的产生，又不会影响水的微生物安全标准。 03 臭氧化的应用 近年来，臭氧技术在美国供水行业中的应用显著增长。臭氧不仅是一种高效的消毒剂，也是一种强大的氧化剂。它对灭活水中的病毒、贾第虫和隐孢子虫特别有效。此外，臭氧氧化在去除和控制消毒副产物、异味、色度、铁锰以及合成有机物方面表现出色，同时还能改善混凝效果。当与生物处理相结合时，臭氧氧化有助于去除总有机碳和其他难以生物降解的物质。由于臭氧的成本较高，通常将其应用于解决多种水质问题，而不是仅针对某一特定问题。这种综合性的处理方式能够更经济有效地提升水质。 与氯类似，臭氧氧化也会生成多种副产物。在含有溴离子的水中，臭氧氧化可以产生溴代三卤甲烷、溴代卤乙酸和溴酸。由于溴酸具有较强的致癌性，美国环保局在“消毒剂与消毒副产物”法规中设定了其最大污染浓度为10微克/升。这一限制对含溴离子水中的臭氧应用构成了重大挑战，因为常规水处理工艺对溴离子和溴酸的去除效果有限。 此外，臭氧还会与水中的腐殖质发生反应，生成醛类、酮酸和有机酸等副产物，其中某些成分具有致癌性和致突变性。这些副产物以及其他尚未完全识别的臭氧副产物，也是造成经臭氧氧化后水体生物不稳定的原因之一。因此，目前建议避免将臭氧氧化应用于溴离子浓度较高的水源，并且在臭氧氧化之后应采用生物处理步骤。此外，在水进入管网前，还需要加入氯或氯胺作为最终的消毒措施，以确保水质的安全与稳定。 04 其他 高级氧化：高级氧化（advanced oxidation）作为一种强有效的氧化工艺在给水工业中普遍引起重视。氢氧自由基（·OH）的产生是高级氧化的基本条件。给水处理中一般产生自由基的方式有臭氧/过氧化氢、臭氧/紫外线、过氧化氢/紫外线、臭氧/二氧化钛。研究表明，高级氧化可以有效控制水中嗅味、色度、难降解物质及消毒副产物前体。 膜分离：近年来膜技术在美国给水界发展迅速。膜技术可以用来有效的去除水中消毒副产物前体及其它有机物和微生物。在去年公布的“消毒剂及消毒副产物”法规（初稿）中，对于消毒副产物控制，膜技术是其中三种最佳现有工艺之一。随着膜技术的发展和普遍使用，膜的价格已大幅度降低，在某些情况下膜分离的价格低于活性炭吸附。膜分离作为一种水中有机物及微生物去除的新工艺，将对给水处理产生重要影响。 嗅味去除：近年来美国给水界对水中嗅味物质的鉴定、控制和去除进行了大量研究。通过色/质联机分离，地表水中引起鱼腥味、土腥味两种物质被鉴定为土臭素和2-甲基异莰醇。通过色谱分析，人们可以对嗅味物质准确定量，从而能有效地寻找新的处理工艺。研究表明，臭氧氧化及活性炭吸附是去除这两种嗅味物质的有效手段。水中藻类的繁殖和死亡是这两种嗅味物质的主要来源。对于其它嗅味物质的控制和去除，美国给水界也做了大量研究。 05 结论 消毒副产物和水的生物稳定性是美国给水界近年来重要的研究方面。现行消毒副产物法规的颁布，将对世界卫生组织饮用水水质标准及世界各发达国家的饮水水质标准产生重要的影响。除清华大学在卤乙酸及生物稳定性方面做了不少开创性工作外，消毒副产物和生物稳定性的研究工作在中国很少报导。希望这篇文章能推动消毒副产物、生物稳定性研究在中国的开展，同时引起人们对其它美国给水研究新动态（臭氧氧化、高级氧化、膜技术、嗅味控制）的重视。
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