饮用水处理工艺改革的方向与愿景

书给水排水Vol.42No．120161水业导航饮用水处理工艺改革的方向与愿景中国科学院饮用水科学与技术重点实验室曲久辉以混凝－沉淀－过滤－消毒为主导的饮用水净化工艺已应用百年，为保护人类健康做出了巨大贡献。然而，面对水质污染提出的新问题、科技进步所提供的新机遇，我们在认真思考:饮用水净化工艺该向何方?考虑处理工艺的清洁性、能耗和药耗最大程度减少的可行性、保障健康安全的可靠性，未来水处理工艺创新应重点关注以下三大方向。1标准与效应协同调控的安全工艺保障饮用水的健康安全，要求水厂出水不仅达到水质卫生标准，还必须不具有可导致效应的毒性。为此，下一代净水厂将突破现有的以有限指标为依据的水质评价和调控方法的局限，建立标准与效应协同调控的水质安全保障新工艺。其基本内涵是，将水质标准和关键毒性指标作为同等重要的判据，在技术选择、工艺设计和过程调控时，以毒性水平作为决定性的关注因素和工艺各环节安全性的核心评价指标。依此判断，如果达到饮用水卫生标准并无毒性效应，那便可认为工艺是合理的、水质的健康安全是可靠的;如果未达标准或有毒性效应，则需要进行问题诊断和技术改造，只有达到了水质标准与毒理效应同样的满意程度，才可以被认为是具有水质健康保障的安全工艺。与此同时，输配水过程的毒性水平也被纳入供水安全的控制目标。基于这样的考虑，饮用水处理技术创新和工艺改革必将以风险控制为核心目标，未来的净水厂也必将是保障水质安全的健康工厂。2厂外净化与厂内处理耦合的简捷工艺在研究与实践中人们深刻认识到，饮用水处理新技术的运用一定要依据经济和适用的原则，能以最少单元、最短流程、最低成本来获得最优水质，才可以被认为是最佳工艺，才是未来净水厂的主导技术模式。减少厂内处理负荷和简化处理流程的有效措施之一，就是强化厂外设施的水质净化功能。其中，将原水输送管道作为反应器有针对性地去除目标污染物，可取得事半功倍的效果。以藻去除为例，很多原水每升含数千万至上亿藻细胞，如果单纯依靠厂内处理，不仅增加较大规模的处理设施、提高处理成本，而且处理后藻细胞浓度仍在每升几十万以上。最新研究及现场试验结果表明，如果在取水口投加少量氧化剂致藻失活，并及时用特定还原剂终止反应，即可控制进一步氧化所导致的胞内有机物流出及二次污染。同时，氧化还原过程生成具有高比表面积、丰富羟基和高吸附活性的纳米氧化物，可高效吸附失去活性的藻细胞并携其进入水厂，之后通过常规混凝沉淀即可轻易去除。该方法不需在厂内新增处理单元和设施，只在取水口设置简易投药设备。结果证明，整个过程简单可控，束缚了藻细胞的纳米氧化物既不会附着于输水管(或渠)壁也不会在途中下沉，投资和运行成本低、工艺简捷、水质安全(不增加消毒副产物和水质毒性)。同样的方法还可用于消毒副产物前驱体去除、消毒副产物与耗氧有机物同时达标、高藻/有机微污染水协同处理等，在常规净水工艺改造中应用潜力巨大。3不用或少用化学药剂的清洁工艺多数净水厂大量使用絮凝剂、氧化剂等化学药剂，铝残留、消毒副产物等二次污染成为水质健康风险的主要成因。因此，不用或少用化学药剂的清洁技术必将成为未来水处理厂工艺改革的主流方向。近年来，国内外结合膜技术的应用对简化净水工艺开展了卓有成效的研究，最有代表性的是荷兰科学家Walter提出的河床过滤与膜法结合的短流程工艺。该工艺利用输水河床的地下过滤及生物氧化作用，去除了大部分微生物、微量有机物、重金属、营养盐、臭味等，使水质得到显著改善。1995～2005年间，荷兰就采用了河床过滤－厂内快速砂滤－活性炭吸附的简捷工艺，2005年又增加了软化处理以改善口感。Walter等人的短流程净水方案是用反渗透代替原来的快滤和软化处理，膜出水只作简单的pH调节而不用消毒即成为直接饮用水，所涉及的主体处理环节不投加任何化学药剂，出水水质安全适口。该工艺也是厂外净化与厂内处理的典范，计划在2017年建成投产。可以预期，材料、信息等技术的快速发展必将为饮用水处理提供更多和更可靠的短流程设计选择，不投加或少投加化学药剂的清洁工艺必然成为未来水处理厂的主导概念。我们期待，伴随新知识、新科技的进步，能够深刻影响下一个百年的饮用水处理工艺必将在理论创新与应用实践中产生和发展，健康安全保障无疑是其核心内涵。DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2016.0032