清華大學楊宏偉博士：飲用水處理技術保障飲用水安全
2014-05-13 19:16:46
admin
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據人民網食品頻道2009年7月27日訊 非常高興今天有這樣一個機會可以跟食品界的專家做交流，以前的機會非常少，我是第一次有這種機會。前面兩個專家胡教授和葉教授從飲用水的污染和健康還有標準方面都做了科普的介紹。我的報告比較專業，內容比較多。王校長給我的主題“飲用水安全保障和技術”，我主要講里面涉及的一些常規技術，預處理技術、深處理技術和在中國目前階段比較特殊的應急處理技術。從飲用水安全的角度來說，目前老百姓生活水平提高以后，大家對水不僅是量的標準，更重要的要喝到健康和安全的水。一般是通過瓶裝水滿足需求，但是從供水行業來說，我們還要保證供水方面安全和健康的問題，所以要求我們提出更有保障的水處理技術。
我們國家一直在用85的標準，20多年一直沒有動，2006年才頒布新的國家標準，水的標準提高非常快，原來是35項，現在是106項，結合目前供水行業的特殊情況，沒有一刀切，沒有說2007年7月1號都達到這樣的標準，有一個過渡期，在2012年全面實施。我們國家供水企業滿足新標準的階段，很多企業面臨技術改造和新工藝建設來滿足水供應的標準。
還有水污染的問題，剛才胡教授提到了環境公告里面，每年6月5號環境公布的那天會在網上掛出來，大家可以統計一下。目前，水環境滿足三類水標準的水才可以作為飲用水的標準，低于三類水不可以作為飲用水的水源，但是現在達到三類水的比例越來越低，這兩年可能是稍微好一點，不過，這個問題還是比較突出的，這是整體水源污染的問題。另外，我們國家經濟發展水平非常快，屬于快速發展的階段，污染的事故出現得非常的頻繁，比如說松花江污染，廣東北江的污染，無錫的污染問題，這些事件的出現，要求供水行業能夠提供非常有保障的水供應技術。目前我從處理技術方面講了我國目前的一些處理技術。
首先是常規處理技術，也是現在國家普遍采用的技術。混凝、沉淀、過濾和消毒四個部分。從混凝的角度來說，主要的目標是去除濁度和有機物，我們國家采取的混凝劑大部分是濾化的去凝劑，處理工藝方面包含混合和反映階段，水利混合、水利反映，還有機械攪拌。水利混合的角度，水平比較簡單。中國的情況比較特殊，我們設計10萬噸每天的水廠，但是夏天高空用水的時候可能會達到15萬噸，甚至會達到20萬噸每天，這在國外是不可想象的。國外設計10萬噸每天的水廠，基本上不會超過這些。超負荷運行的時候，水利混合反映的就存在問題了，使得混凝的效果比較差，沉淀的工藝很難沉淀下來。機械攪拌就比較好，可以通過調整攪拌的速度，來提高去泥的效果。目前一些新的設計更多的考慮機械攪拌的處理工藝。
在混凝的階段，還可以通過PH值強化一些污染物去除的特性，比如說對有機物，尤其針對天然有機物，可以把PH調到酸性的階段，可以去除一些有泥物。重金屬，可以把PH調高，也可以達到一定的效果。
沉淀國內采用的有兩種，平流沉淀池和斜板、斜管沉淀池。這個方法也可能會存在一定的問題，沉淀出來的泥排出不及時的話，沉淀的效果就不會太好。目前國內的企業，在占地面積允許的條件下，更多的會考慮平流沉淀池的技術，這樣可能會取得比較好的效果。
過去混凝沉淀分開做的比較多。中國面臨的問題就是夏季藻類污染的問題，運用混凝沉淀很難將它鏟除。過去的一些脈沖澄清池對這個問題效果比較明顯。國外開發的一些比如說高密度澄清池都比較好，這就可以解決北方地區低溫的條件下混凝效果比較差的情況。另外，我也可以向澄清池里面加入一些沉淀沙，如果是藻類爆發的話，這個工藝就比傳統的工藝效果強很多。
從過濾的角度來講，這應該是供水流程里面保證出水濁度*重要的環節。過去我們國家采用的虹吸濾池，雙閥濾池，V型濾池，都是采用的水板的工藝，這個效果并不理想。從十五時期或者是更早一點，現在基本上采用V型濾池，也包括翻板濾池，他們采用的就是()的工藝，他們在供水方面非常好。
另外還有消毒，這是保障飲用水衛生安全*重要的環節，前面的工藝對微生物的去除有一定的效果，但是效果非常有限，*主要的保障還是在這部分。在我們國家*常用的就是氯消毒的工藝。它對細菌和病毒去除效果非常的影響，對原生動物滅活效果差，在美國有過這方面的例子。我們是從十五期間才開始重視這些問題，我們在新標準當中也列了兩蟲的問題。單獨用氯消毒很難把兩蟲滅除。原水當中有機物濃度比較高，這跟我們國家國情也比較吻合，有機物濃度比較高，從監測角度來衡量，我們國家的原水條件下，從中國目前的情況下，不太可能尋找更好的水源，只可以從工藝上尋求。從前面的工藝上找一些方法，當然也可以從消毒本身的角度找一些新的工藝，比如說氯胺消毒，我們國家很少就使用，但是很長時間沒有使用。氯胺消毒相對氯消毒，先加氯，后加胺，先達到高效消毒的作用，再加上胺，這個工藝和原來的效果差不多，但是比較好的控制了消毒副產物的問題。
相對新一點的消毒工藝就是二氧化氯消毒，它比氯消毒要好很多。二氧化氯的來源和成本方面的限制，在中國使用還非常少。還有臭氧和紫外的消毒，這對原生物的消滅非常明顯，但是必須是后面加氯消毒才可以。剛才葉老師在報告里也把標準列出來了，現在瓶裝水行業細菌指標比飲用水標準指標還低，我感覺可能跟消毒工藝有關。瓶裝水一般是紫外和臭氧，沒有持續的殺菌的能力。臭氧在水中會有衰減的過程。氯消毒對大腸桿菌消滅是非常明顯的，在這樣的情況下，在工藝的角度定的標準，瓶裝水比生活飲用水低一點。
紫外消毒在我們國家應用得非常少，目前在建的是天津開發區的一個水廠，新加入了紫外消毒后面再加上氯消毒，是兩級屏障的作用。紫外消毒對細菌和原生動物消毒比較好，但是對病毒的消毒不好。氯消毒正常是病毒到原生動物，基本上完全可以把細菌消滅掉，有了這兩級保障以后，就可以保障出水生物安全。
前面是傳統的水處理工藝，我們水源的問題比較嚴重，有機污染源越來越大。為了保障出水的水質安全，一方面我們通過改造來強化傳統的工藝，但是不可以從根本上解決水污染的問題。更多的我們要增加預處理工藝和深度處理工藝保障出水的情況。從預處理角度來說，主要為了去除有機物和控制氨氮還有藻類的生長，從技術手段上有三類。第一個是生物生物接觸氧化；第二活性炭吸附；第三化學處理。從生物處理來說主要針對的有機物濃度比較高的水源，甚至是超過三類水不可以作為飲用水水源，但是又沒有其他水源，只可以用這個水。這時候我上一下生物處理。第二個是物理預處理，就是加粉末活性炭，有問題的時候可以加，沒有問題的時候也可以加，比較靈活。活性炭對有機物吸附的效果比較明顯，但是對氨氮就沒有辦法處理了。底下是化學氧化，包括高蒙酸鹽氧化，抽樣氧化和氯預氧化，主要的目的是兩個，除掉溴類；第二個可以殺滅微生物，如果不殺滅藻類，會影響后面工藝有效的運行。
預處理只可以在水源條件下，改善一些原水的水質情況，不可以根本的保證出水水質的情況。在目前大部分的供水企業，在原有的技術改造過程中，包括新建的水廠，更多采用了深度處理的工藝。從深度處理的工藝，還是為了改善水的一些色度溴類和濁度感官類的指標。另外需要去除水當中的藻類，藻毒素，氨氮和亞硝酸鹽氮，溶解性有機物。也希望把病毒和兩蟲動物殺滅，也可以減輕氯消毒的負擔。
技術上來說，有三類在使用：活性炭，臭氧生物活性炭，還有膜分離。吸附我們國家采用得比較早，北京的酒廠一期工程的時候就采用了活性炭吸附，就是濾池后面接活性炭吸附，北京的水源也比較特殊，它從全國的角度的水源來看也比較好，它活性炭兩到三年換一次，當時活性炭的效果也比較理想。針對全國大部分的水源情況來說，如果都按照活性炭處理，并不可以有效的去除有機物，這時候就提到臭氧和生物活性炭。這工藝在歐洲的使用量比較大，因為歐洲的水源跟我們國家比較類似，它污染的情況也比較嚴重。美國和加拿大的水源保護非常好，它的處理工藝相對歐洲和亞洲來說比較簡單。臭氧生物活性炭我們國家從十五世紀開始發展，現在用它深度處理工藝的規模達到了1000萬噸每天的工藝，十一五期間的水廠的改造和新建的水廠都采用了臭氧活性炭的工藝。
膜分離，主要是微濾和超濾多一點，國外使用得非常普遍。工廠的處理量達到幾十萬噸，高的達到60萬噸每天的處理規模。這跟他們的水源情況有關，相對來說美國水源比較好，他們采用膜成本也比較低。在國內比較少，十一五期間，山東東寧做了一個15萬噸每天超膜的處理工藝，運行中可能出現的問題就是膜可靠的問題，如果是膜斷裂，又不可以查出來的話，問題就出來了。
從臭氧活性炭來說，典型的工藝就是這樣的流程。這是過去的傳統工藝，主要是在這部分，原來的沙粒石出水以后，提升用臭氧，再用活性炭，*后還需要氯消毒。優點也比較明顯，一個是控制嗅味和提高口感。當時在深圳做的臭氧生物活性炭工藝比較明顯，跟傳統的工藝相比，口感和嗅味改善非常明顯。而且可以去除水中的有機物，跟其他的相比來說這個效率比較好，一般去除的效率達到50%。臭氧把有機物從大分子打成小分子，利用生物活性炭把小分子再消滅掉，水出來以后不會繼續生長微生物，如果我們做不到這點的話，過去傳統水的處理工藝，生物穩定性不好的情況下，生物可能就在管網里生長，這樣出來的時候水是合格的，到了用戶端水就不合格了。還有利用臭氧的消毒工藝，也保證了后面氯消毒安全的問題。
隨著一些水廠的運行，一些問題也開始暴露出來。臭氧化副產物的形成，比如說可同化的生物炭，有機炭。在臭氧工藝里主要的問題，水當中有溴離子，這應該是比較強的致癌物質，有動物實驗，但是沒有人體實驗。一般原水當中的溴離子在100左右的時候，溴酸鹽就可以通過國家的標準，如果原水在100微克每升的溴離子，就可能有超標的危險。我們國家有江河湖庫有一些工業企業排污造成的溴離子超標的問題比較嚴重。我們國家采用這個處理工藝問題，有一個溴酸鹽的問題。你臭氧濃度不夠的時候，可能跟有機物反映，生成一些副產物的問題，這也是致癌的物質，但是這相對來說也不是主要的問題。
另外問題就是生物安全性的問題。我們采用生物活性炭，在炭床里面生物量非常多，生物炭一周左右要沖洗，沖洗就要有小的顆粒流出來，它流出來以后小顆粒上可能附著了一些微生物，這些微生物在后面的消毒里面可能很難被殺滅，因為有一個固體的包裹的作用，消毒達不到微生物的表面和內部。這也是我們在使用臭氧生物活性炭研究當中的一個熱點問題。
剛才提到膜技術，我列了幾個公司在國外做的一些膜工廠的情況，這是得利滿做的一個膜處理，美國還有加拿大的水廠，波爾公司采用的一個膜在加拿大使用，用的就是比較簡單的工藝，就是混凝沉淀和超濾。在我們國家混凝之后直接超濾，問題就比較多，就是后面膜運行率比較高，換膜的周期會縮短。這也可能跟我們國家目前膜處理工藝沒有大規模推開的一個主要因素。
前面從應處理到傳統處理到深度處理工藝，做了一個簡單的介紹。我們目前面臨的任務是應急處理技術，建設部、環保部經常打電話到系里，讓系里專家去搞這些應急處理。應急處理從技術和類型來說，可以分為三類：
第一類是有機污染。對這類問題，我們主要是采用活性炭的處理工藝。比較典型的是當時的松花江污染應急處理，活性炭在吸附有機物的時候，吸附的時間不一樣，時間越長，吸附的效果越好。當時，處理這個問題的時候，我們并不是從水廠加活性炭，是利用管網輸送的時間，延長它吸附的時間，當時這樣處理以后，事件得到了很好的解決。
第二類是重金屬的污染，當時比較典型的是廣東北江的污染應急處理事故。當時我們運用強化混凝技術，一般對重金屬可以掉到堿性，通過氫氧化物和碳酸物的沉淀技術來做。實際上，我們把它調高以后，它的表面是負電，金屬本身是正金，通過吸附的作用可以吸附靜電，我們當時調到8.5，可以把鎘的重金屬很好的調上來。去年我們用的氯化出現了鋁的問題，就是鋁的標準超過了我們國家的標準。
另外是藻類的污染，一個是臭味的問題，還有是無錫突發水污染事件的應急處理。當時采用的技術預氧化技術，利用高錳酸鉀的氧化作用，也是加入高錳酸鉀。但是需要注意的問題是，就是投加量的問題，一般情況下不可以超過5毫升，如果是超過5毫升，會出現色度超標的問題。無錫也出現了這個問題，為了控制嗅味，就多加了一點，結果就出現了紅色水的情況。
前面講的是供水行業經常采用的一些技術，從瓶裝飲用水的處理技術來說應該不是問題。供水企業自身供水有一個水價的問題，不可能隨便提水價，現在就是2、3元多的水價水平，在這樣的水價，技術選擇會有很大的限制，不可能選擇高技術。瓶裝飲用水用戶可以自己選擇，從成本上可以考慮，技術選擇上可以更寬一點。瓶裝飲用水，比如說純凈水系統，它的工藝主要采用膜處理技術，超濾和反滲透達到純凈水的目標，也可以采用離子交換和活性炭吸附，這主要是去除有機物。消毒方面主要是采用紫外消毒和臭氧消毒。在瓶裝飲用水來說，處理工藝比較成熟。針對不同的水源，我們的工藝還是有很大的調整余地的，從節能，節約成本角度來說有很大的選擇，并不是說我們要采用一種工藝來做。
另外在供水企業里面一些潛在的技術有兩大類：
第一類是催化氧化技術。包括光學化氧化，對光學化氧化我們國家70年代就研究了，到目前用在市政供水距離還比較遠，但是用在純凈水領域的話還是有一定的前景。市政供水催化氧化技術，目前的臭氧催化氧化技術還是有一定的前景的。前面提到，臭氧綜合工藝里面有一個消毒的問題，還有生物安全性的問題。如果是采用臭氧催化氧化技術，一方面把生物氧化，另一方面還可以控制溴酸鹽的生成，還是非常有前景的。
還有膜處理技術。超濾技術是目前大力發展的技術，但是在將來的發展程度，在膜處理技術的納濾，它的應用還是有一定的市場，但是在市政供水也不太可能使用。這是法國的一個水廠，1999年投產運行，前面用的是傳統的處理工藝，后面分了兩條，一條是臭氧工藝活性炭，另一方面用的是納濾，前面是3萬噸每天，后面是14萬噸每天，可以做一個比較。鈉濾對有機物去除比較好，超濾基本上不可以截留有機物的，這樣就保證了消毒副產物會減少。相對臭氧生物活性炭來說，至少有幾個優點，第一個是濁度會更低，因為活性炭里面會有一些炭粒流出，第二細菌可以全部截留，這樣也可以保證后面氯消毒的安全，但是臭氧消毒不可以達到所有細菌滅活的效果。但是納濾也有一些缺點，因為我們一直在提健康的問題。納濾把二價離子去除得很厲害，基本上是保持的是一價離子，像一些礦物質，鈣離子和鎂離子截留率就比較高。如果用這樣的水作為市政供水，用戶會不會有意見呢？這是目前大規模推廣限制的一個因素。
第二，納濾的產水率相對我們的工藝比較低，它的產水率是70%到90%，這個水廠做到85%，沒有辦法做到百分之百，相對于臭氧生物活性炭就低很多了。從這個角度來說，納濾的缺點也比較明顯。但是從今后的發展來看，確實可以考慮將不同工藝的出水混到一起，這樣可以發揮各種工藝的特長。
整體來說，目前的水處理工藝，包括深度處理工藝和混凝沉淀基本上可以保證我們的出常水的正常性，如果把出常水的水質調整好，對管網的影響也比較小，到達用戶的問題也不會太大，這從技術手段上是可以實現的。實際上，尤其一些大城市的管網非常的復雜，有年代的問題和區域的問題，就會存在補率的問題。中國供水的管理有問題，自來水公司只管到入戶這段，入戶以后就是物業小區管，那就是水箱的問題了，這是一個比較嚴重的環節，但是供水企業又沒有辦法管到這塊，物業公司又不是專業人員，沒有管理這方面的問題，所以這也是目前用戶端出現問題的一些環節，但是并不是供水企業造成的，就是制度上造成了這些問題。