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1、安全饮用水的主要处理工艺流程周鑫根浙江省城乡规划设计研究院一、给水处理工艺流程概述给水处理的任务是通过必要的处理方法去除水中杂质，使之符合生活饮用或工业使用所要求的水质。水处理方法应根据水源水质和用水对象对水质的要求胡定。在给水处理中，有的处理方法除了具有某一特定的处理效果外，往往也直接或间接地兼收其它处理效果。为了达到某一处理目的，往往几种方法结合使用。本节仅列出几种主要给水处理方法，以便于读者对给水处理有一概括的了解。1澄清和消毒这是以地表水为水源的生活饮用水的常用处理工艺。但工业用水也常需澄清工艺。澄清工艺通常包括混凝、沉淀和过滤。处理对象主要是水中悬浮物和胶体杂质。原水加药后，经混凝使
2、水中悬浮物和胶体形成大颗粒絮凝体，而后通过沉淀池进行重力分离。过滤是利用粒状滤料截留水中杂质的构筑物，常置于混凝和沉淀构筑物之后，用以进一步降低水的浑浊度。完善而有效的混凝、沉淀和过滤，不仅能有效地降低水的浊度，对水中某些有机物、细菌及病毒等的去除也是有一定效果的。根据原水水质不同，在上述澄清工艺系统中还可适当增加或减少某些处理构筑物。例如，处理高浊度原水时，往往需设置泥沙预沉池或沉沙池；原水浊度很低时，可以省去沉淀构筑物而进行原水加药后的直接过滤。但在生活饮用水处理中，过滤是必不可少的。大多数工业用水也往往采用澄清工艺作为预处理过程。如果工业用水对澄清要求不高，可以省去过滤而仅需混凝、沉淀即
3、可。消毒是灭活水中致病微生物，通常在过滤以后进行。主要消毒方法是在水中投加消毒剂以灭致病微生物。当前我国普遍采用的消毒剂是氯，也有采用漂白粉、二氧化氯及次氯酸钠等。臭氧消毒也是一种消毒方法。“混凝沉淀过滤消毒”可称之为生活饮用水的常规处理工艺。我国以地表水为水源的水厂主要采用这种工艺流程。如前所述，根据水源水质不同，尚可增加或减少某些处理构筑物。2除臭、除味这是饮用水净化中所需的特殊处理方法。当原水中臭和味严重而采用澄清和消毒工艺系统不能达到水质要求时方才采用。除臭、除味的方法取决于水中臭和味的来源。例如，对于水中有机物所产生的臭和味，可用活性炭吸附或氧化法去除；对于溶解性气体或挥发性有机物所
4、产生的臭和味，可采用曝气法去除；因藻类繁殖而产生的臭和味，可采用微滤机或气浮法去除藻类，也可在水中投加除藻药剂；因溶解盐类所产生的臭和味，可采用适当的除盐措施等等。3除铁、除锰和除氟当地下水中的铁、锰的含量超过生活饮用水卫生标准时，需采用除铁、锰措施。常用的除铁、锰方法是：自然氧化法和接触经法。前者通常设置曝气装置、氧化反应池和砂滤池；后者通常设置暴气装置和接触氧化滤池。工艺系统的选择应根据是否单纯除铁还是同时除铁、除锰，原水中铁、锰含量及其它有关水质特点确定。还可采用药齐氧化、生物氧化法及离子交换法等。通过上述处理方法（离子交换法除外），使溶解性二价铁和锰分别转变成三价铁和四价锰沉淀物而去除
5、。当水中含氟量超1.0mg/L时，需采用除氟措施。除氟方法基本上分为成两类，一是投入硫酸铝、氯化铝或碱式氯化铝等使氟化物产生沉淀；二是利用活性氧化铝或磷酸三钙等进行吸附交换。目前使用活性氧化铝除氟的较多。4软化处理对象主要是水中钙、镁离子。软化方法主要有：离子交换法和药剂软化法。前者在于使水中钙、镁离子与阳离子交换剂上的阳离子互相交换以达到去除目的；后者系在水中投入药剂如石灰、苏打等以使钙、镁离子转变成沉淀物而从水中分离。5淡化和除盐处理对象是水中各种溶解盐类，包括阴、阳离子。将高含盐量的水如海水及“苦咸水”处理到符合生活饮用或某些工业用水要求时的处理过程，一般称为咸水“淡化”；制取纯水及高纯
6、水的处理过程称为水的“除盐”。淡化和除盐主要方法有：蒸馏法、离子交换法、电渗析法及反渗透法等。离子交换法需经过阳离子和阴离子交换剂两种交换过程；电渗析法系利用阴、阳离子交换膜能够分别透过阴、阳离子的特性，在外加直流电场作用下使水中阴、阳离子被分离出去；反渗透法系利用高于渗透压的压力施于含盐水以使水通过半渗透膜而盐类离子被阻留下来。电渗析法和反渗透法属于膜分离法，通常用于高含盐量水的淡化或离子交换法的前处理工艺。6水的冷却这是工业生产中循环冷却水系统所需的处理工艺。在生产过程中产生的热量往往会使设备或产品温度升高从而影响生产甚至发生事故，故常用水作为冷却介质对设备进行降温，因水的热容量大，是吸收
7、和传递热量的良好介质。作为冷却介质的水通过换热器等设备以后温度升高，必须经过冷却处理使水再恢复原先温度后，才能循环使用。水的冷却一般采用冷却塔。在条件和冷却要求许可下，也有采用喷水冷却池或水面冷却池的。7水的腐蚀和结垢控制在某些情况下，水在使用过程中会对金属管道或容器材质产生腐蚀和结垢作用，在循环冷却水系统中尤其突出。因此，对这类用水的水质必须加以改善，并进行水质调理，以控制腐蚀和结垢的发生。水质调理往往是通过在水中投加化学药剂来完成。控制腐蚀的药剂称缓蚀剂，控制结垢的药剂称阻垢剂。有时也通过去除水中产生腐蚀和沉积物的成分来达到水质调理目的。8生活饮用水对于不受污染的天然地表水源而言，饮用水的
8、处理对象主要是去除水中悬浮物、胶体和致病微生物；对此，常规处理工艺（即混凝、沉淀、过滤、消毒）是十分有效的。但对于污染水源而言，水中溶解性的有毒有害物质，特别是具有致癌、致畸、致突变的有机污染物（简称“三致物质”）或“三致”前体物（如腐植酸等）是常规处理方法难以解决的。于是，便在常规处理基础上增加预处理和深度处理。前者置于常规处理前，后者置于常规处理后，即：预处理+常规处理或 常规处理+深度处理预处理和深度处理的主要对象是水中有机污染物，主要用于饮用水处理厂。预处理方法主要有：粉末活性炭吸附法；臭氧或高锰酸钾氧化法；生物氧化法等等。以上各种预处理法除了水中有机污染物外，同时也具有除味、除臭及除
9、色作用。当然，不同方法在除污染能力上有所差别。同时，各种方法均各有优缺点。除了上述预处理方法外，还有其它一些方法，如曝气法，水库蓄存法等不一一介绍。此外，新的预处理法正在继续探索中。深度处理主要有以下几种方法：粒状活性炭吸附法；臭氧-粒状活性炭联用法或生物活性炭法；化学氧化法；光化学氧化法及超声波-紫外线联用法等物理化学氧化法；膜滤法等等。在以上几种方法中，活性炭吸附及臭氧-活性炭联用法已用于生产，欧洲国家应用较广泛，我国少数水厂也有应用。生产实践表明，采用臭氧-活性炭联用技术去除水中微量有机污染物十分有效，但基建投资和运行费用较高，故我国目前尚未广泛应用。同济大学严煦世教授等在光化学氧化法的
10、研究方面已取得重要成果，超声-紫外联用法也开始研究并取得一定成效，但这些技术尚难在城市水厂应用，宜用于小型饮水净化装置。超滤法及纳滤法也具有应用前景，但不能去除水中小分子有机物，且纳滤和超滤装置成本及运行费用较高。以上各种预处理及深度处理方法的基本作用原理概括起来，无非是吸附、氧化、生物降解、膜滤等4种作用，即：或者利用吸附剂的吸附能力去除水中有机物；或者利用氧化剂及物理化学氧化法的强氧化能力分解有机物；或者利用生物氧化法降解有机物；或者以膜滤法滤除大分子有机物。有时两种作用可同时发挥，如臭氧-活性炭联用技术即发挥了氧化和吸附两种作用。在粒状活性炭上滋生的微生物，同时还有生物降解作用。污染水源
11、的饮用水预处理和深度处理自80年代开始受到广泛重视，有些技术或方法当前正处于研究发展阶段。不同方法的组合应用往往会取得协同作用效果，故近年来水处理技术人员针对不同原水水质和水质处理要求，往往会采用两种以上方法组合应用。二、混凝2.1混凝机理简而言之，“混凝”就是水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。这一过程涉及三方面问题：水中胶体粒子（包括微小悬浮物）的性质；混凝剂在水中的水解物种以及胶体粒子与混凝剂之间的相互作用。关于“混凝”一词的概念， 目前尚无统一规范化的定义。“混凝”有时与“凝聚”和“絮凝”相互通用。不过，现在较多的专家学者一般认为水中胶体“脱稳”胶体失去稳定性的过程称“凝聚”；脱稳胶
12、体相互聚集称“絮凝”；“混凝”是凝聚和絮凝的总称。在概念上可以这样理解，但在实际生产中很难截然划分。水处理中的混凝现象比较复杂。不同种类混凝齐以及不同的水质条件，混凝剂作用机理都有所不同。许多年来，水处理专家们从铝盐和铁盐混凝现象开始，对混凝剂作用机理进行了不断研究，理论也获得不断发展。DLVO理论的提出，使胶体稳定性及在一定条件下的胶体凝聚的研究取得了巨大进展。但DLVO理论并不能全面解释水处理中的一切混凝现象。当前，看法比较一致的是，混凝剂对水中胶体粒子的混凝作用有3种：电性中和、吸附架桥和卷扫作用。这3种作用究意以何者为主，取决于混凝剂种类和投加量、水中胶体粒子性质、含量以及水的pH值等
13、。这3种作用有时会同时发生，有时仅其中12种机理起作用。目前，这三种作用机理尚限于定性描述，今后的研究目标将以定量计算为主。实际上，定量描述的研究近年来也已开始。概括以上几种混凝机理，可作如下分析判断：1对铝盐混凝剂（铁盐类似）而言，当pH3时，简单水合铝离子Al（H2O6）63+可起压缩胶体双电层作用，但在给水处理中，这种情况少见；在pH=4.56.0范围内（视混凝剂投量不同而异），主要是多核羟基配合物对负荷胶体起电性中和作用，凝聚体比较密实；在pH=77.5范围内，电中性氢氧化铝聚合物Al（OH）3n可起吸附架桥作用，同时也存在某些羟基配合物的电性中和作用。天然水的pH值一般在6.57.8
14、之间，铝盐的混凝作用主要是吸附架桥和电性中和，两者以何为主，决定于铝盐投加量；当铝盐投加量超过一定限度时，会产生“胶体保护”作用，使脱称胶粒电荷变号或使胶粒被包卷而重新稳定（常称“再称”现象）；当铝盐投加量再次增大、超过氢氧化铝溶解度而产生大量氢氧化名沉淀物时，则起网捕和卷扫作用。实际上，在一定的pH值下，几种作用都可能同时存在，只是程度不同，这与铝盐投加量和水中胶粒含量有关。如果水中胶粒含量过低，往往需投加大量铝盐混凝剂使之产生卷扫作用才能发生混凝作用。2阳离子型高分子混凝剂可对负电荷胶粒起电性中和与吸附架桥双重作用，始凝体一般比较密实。非离子型和阴离子型高分子混凝剂只能起吸附架桥作用。当高
15、分子物质投量过多时，也产生“胶体保护”作用使颗粒重新悬浮。2.2 混凝剂和助凝剂2.2.1 混凝剂应用于饮用水处理的混凝剂应符合以下基本要求：混凝效果好；对人体健康无害；使用方便；货源充足，价格低廉。混凝剂各类很多，据目前所知，不少于200300种。按化学成分可分为无机和有机两大类。无机混凝剂品种较少，目前主要是铁盐和铝盐及其聚合物，在水处理中用的最多。有机混凝剂品种很多，主要是高分子物质，但在水处理中的应用比无机的少。本节仅介绍常用的几种混凝剂。（1）无机混凝剂常用的无机混凝剂列于下表，这里仅简要介绍几种。常用的无机混凝剂名称化学式铝系硫酸铝 明矾 聚合氯化铝（PAC）聚合硫酸铝（PAS）A
16、l2（SO4）318H2OAl2（SO4）314H2OKAl（SO4）212H2O（钾矾）NH4Al（SO4）212H2O（铵矾）Al2（OH）nCl6-nmAl2（OH）nSO4）3-m铁系三氯化铁硫酸亚铁聚合硫酸铁（PFS）聚合氯化铁（PFC）FeCl36H2OFeSO47H2OFe2（OH）nSO4）3-mFe2（OH）nCl6-nm（2）有机高分子混凝剂有机高分子混凝剂又分天然和人工合成两类。在给水处理中，人工合成的日益增多并居主要地位。这类混凝剂均为巨大的线性分子。每一大分子由许多链节组成且常含带电基团，故又被称为聚合电解质。按基团带电情况，又可分以下4种：凡基团离解后带正电荷者称阳
17、离子型，带负荷者称阴离子型，分子中既含正电基团又含负电荷基团者称两性型，若分子中不含可离解基团者称非离子型。水处理中常用的是阳离子型、阴离子型和非离子型3种高分子混凝剂，两性型使用极少。三、沉淀和澄清3.1 悬浮颗粒在静水中的沉淀水中悬浮颗粒依靠重力作用，从水中分离出来的过程称为沉淀。颗粒比重大于1时，表现为下沉；小于1时，表现为上浮。在给水处理中，常遇到两种沉淀，一种是颗粒沉淀过程中，彼此没有干扰，只受到颗粒本身在水中的重力和水流阻力的作用，称为自由沉淀；另一种是颗粒在沉淀过程中，彼此相互干扰，或者受到容器壁的干扰，虽然其粒度和第一种相同，但沉淀速度却较小，称为拥挤沉淀。分述如下。3.1.1
18、悬浮颗粒在静水中的自由沉淀颗粒在静水中的沉淀速度取决于：颗粒在水中的重力F1和颗粒下沉时所受水的阻力F2；直径为d的球形颗粒在静水中所受的重力F1为F1=d3（p-1）g （16-1）式中 p及1颗粒及水的密度；g重力加速度。3.1.2悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀严格而言，自由沉淀是单个颗粒在无边际的水体中的沉淀。此时颗粒排挤开同体积的水，被排挤的水将以无限小的速度上升。当大量颗粒在有限的水体中下沉时，被排挤的水便有一定的速度，使颗粒所受到的水阻力有所增加，颗粒处于相互干扰状态，此过程称为拥挤沉淀，此时的沉速称为拥挤沉速。拥挤沉速可以用实验方法测定。当水中含砂量很大时，泥砂即处于拥挤沉淀状态。常
19、见的拥挤沉淀过程有明显的清水和浑水分界面，称为浑液面，浑液面缓慢下沉，直到泥砂最后完全压实为止。水中凝聚性颗粒的浓度达到一定数量亦产生拥挤沉淀。由于凝聚性颗粒的比重远小于砂粒的比重，所以凝聚性颗粒从自由沉淀过渡到拥挤沉淀的临界浓度远小于非凝聚性颗粒的临界浓度。四、过滤4.1过滤概述在常规水处理过程中，过滤一般是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺过程。滤池通常置于沉淀池或澄清池之后。进水浊度一般在10度以下。滤出水浊度必须达到饮用水标准。当原水浊度较低(般在100度以下)，且水质较好时，也可采用原水直接过滤。过滤的功效，不仅在于进一步降低水的浊度，而且水中有机物、细菌
20、乃至病毒等将随水的浊度降低而被部分去除。至于残留于滤后水中的细菌、病毒等在失去浑浊物的保护或依附时，在滤后消毒过程中也将容易被杀灭，这就为滤后消毒创造了良好条件。在饮用水的净化工艺中，有时沉淀池或澄清池可省略，但过滤是不可缺少的，它是保证饮用水卫生安全的重要措施。滤池有多种形式。以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史最久。在此基础上，人们从不同的工艺角度发展了其它型式快滤池。为充分发挥滤料层截留杂质能力，出现厂滤料粒径循水流方向减小或不变的过滤层，例如，双层、多层及均质滤料滤地，上向流和双向流滤池等。为了减少滤池阀门， 出现了虹吸滤池、无阀滤池、移动冲洗罩滤池以及其它水力自动冲洗滤池等。在冲洗方
21、式上，有单纯水冲洗和气水反冲洗两种。各种形式滤池，过滤原理基本一样，基本工作过程也相同，即过滤和冲洗交错进行。兹以普通快滤池为例，介绍快滤池工作过程。过滤 过滤时，开启进水支管2与清水支管3的阀门。关闭冲洗水支管4阀门与排水阀5。浑水就经进水总管1、支管2从浑水渠6进入滤池。经过滤料层7、承托层8后， 由配水系统的配水支管9汇集起来再经配水系统干管渠10、清水支管、清水总管12流往清水池。浑水流经滤料层时，水中杂质即被截留。随着滤层中杂质截留量的逐渐增加，滤料层中水头损失也相应增加。一般当水头损失增至一定程度以致滤池产水量减少，或由于滤过水质不符合要求时，滤池便须停止过滤进行冲洗。冲洗 冲洗时
22、，关闭进水支管2与清水支管3阀门。开启排水阀5与冲洗水支管4阀门。冲洗水即由冲洗水总管11、支管4，经配水系统的干管、支管及支管上的许多孔眼流出，由下而上穿过承托层及滤料层，均匀地分布于整个滤池平面上。滤料层在由下而上均匀分布的水流中处于悬浮状态，滤料得到清洗。冲洗废水流入冲洗排水槽13，再经浑水渠6、排水管和废水渠14进入下水道。冲洗一直进行到滤料基本洗干净为止。冲洗结束后，过滤重新开始。从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池工作周期。从过滤开始至过滤结束称为过滤周期。快滤池的产水量决定于滤速(以m/h计)。滤速相当于滤池负荷。滤池负荷以单位时间，单位过滤面积上的过滤水量计，单位为m3/(
23、m2h)。按没计规范，单层砂滤池的滤速约810m/h，双层滤料滤速约1014m/h，多层滤料滤速一般可用1820m/h。工作周期也直接影响滤池产水量。因为工作周期长短涉及滤池实际工作时间和冲洗水量的消耗。周期过短，滤池日产水量减少。一般，工作周期为1224h。4.2过滤理论4.2.1过滤机理首先以单层砂滤池为例，其滤料粒径通常为0.5mm至1.2mm，滤层厚度一般为70cm。经反冲洗水力分选后，滤料粒径自上而下大致按由细到粗依次排列，称滤料的水力分级，滤层中孔隙尺寸也因此由上而下逐渐增大。设表层细砂粒径为0.5mm，以球体计，滤料颗粒之间的孔隙尺寸约80m。但是，进入滤池的悬浮物颗粒尺寸大部分
24、小于30m，仍然能被滤层截留下来，而且在滤层深处（孔隙大于80m）也会被截留，说明过滤显然不是机械筛滤作用的结果。经过众多研究者的研究，认为过滤主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间粘附作用的结果。水流中的悬浮颗粒能够粘附于滤料颗粒表面上，涉及两个问题。首先，被水流挟带的颗粒如何与滤料颗粒表面接近或接触，这就涉及颗粒脱离水流流线而向滤料颗粒表面靠近的迁移机理；第二，当颗粒与滤粒表面接触或接近时，依靠哪些力的作用使得他们粘附于滤粒表面上。这就涉及粘附机理。（1）颗粒迁移在过滤过程中，滤层孔隙中的水流一般属层流状态。被水流挟带的颗粒将随着水流流线运动。它之所以会脱离流线而与滤粒表面接近，完全是一种物理-力学
25、作用。一般认为由以下几种作用引起：拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用等。颗粒尺寸较大时，处于流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截作用；颗粒沉速较大时会在重力作用下脱离流线，产生沉淀作用；颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料表面接触（惯性作用）；颗粒较小、布朗运动较剧烈时会扩散至滤粒表面（扩散作用）；在滤粒表面附近存在速度梯度，非球体颗粒由于在速度梯度作用下，会产生转动而脱离流线与颗粒表面接触（水动力作用）。对于上述迁移机理，目前只能定性描述，其相对作用大小尚无法定量估算。虽然也有某些数学模式，但还不能解决实际问题。可能几种机理同时存在，也可能只有其中某些机理起作用。例如，进入滤池的凝聚颗粒
26、尺寸一般较大，扩散作用几乎无足轻重。这些迁移机理所受影响因素较复杂，如滤料尺寸、形状、滤速、水温、水中颗粒尺寸、形状和密度等。（2）颗粒粘附粘附作用是一种物理化学作用。当水中杂质颗粒迁移到滤料表面上时，则在范德华引力和静电相互作用下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下，被粘附于滤料颗粒表面上，或者粘附在滤粒表面上原先粘附的颗粒上。此外，絮凝颗粒的架桥作用也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所起的粘附作用基本类似，不同的是滤料的固定介质，排列紧密，效果更好。因此，粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。未经脱称的悬浮物颗粒，过滤效果很差，这就是证明。不过，在过滤过程中，特别是过滤后
27、期，当滤层中孔隙尺寸逐渐减小时，表层滤料的筛滤作用也不能完全排除，但这种现象并不希望发生。（3）直接过滤原水不经沉淀而直接进入滤池过滤称“直接过滤”。直接过滤充分体现了滤层中特别是深层滤料中的接触絮凝的作用。直接过滤有两种方式：1）原水经加药后直接进入滤池过滤，滤前不设任何絮凝设备。这种过滤方式一般称“接触过滤”。2）滤池前设一简易微絮凝池，原水加药混合后先经微絮凝池，形成粒径相近的微絮粒后（粒径大致在4060m左右）即刻进入滤池过滤。这种过滤方式称“微絮凝过滤”。上棕两种过滤方式，过滤机理基本相同，即通过脱称颗粒或微絮粒与滤料的充分碰撞接触和粘附，被滤层截留下来，滤料也是接触凝聚介质。不过前
28、者往往因投药点和混合条件不同而不易控制进入滤层的微絮粒尺寸，后者可加以控制。之所以称“微絮凝池”，系指絮凝条件和要求不同于一般絮凝池。前者要求形成的絮凝体尺寸较小，便于深入滤层深处以提高滤层含污能力；后者要求絮凝体尺寸愈大愈好，以后果于在沉淀池内下沉。故微絮凝时间一般较短，通常在几分钟之内。采用直接过滤工艺必须注意以下几点：1）原水瀑度和色度较低且水质变化较小。一般要求常年原水浊度低于50度。若对原水水质变化及今后发展趋势无充分把握，不应轻易采用直接过滤方案。2）通常采用双层、三层或均质滤料。滤料粒径和厚度适当增大，否则滤层表面孔隙易被堵塞。3）原水进入滤池前，无论是接触过滤或微絮凝过滤，均不
29、应形成大的絮凝体以免很快堵塞滤层表面孔隙。为提高微絮粒强度和粘附力，有时需投加高分子助凝剂（如活化硅酸及聚丙烯酰胺等）以发挥高分子在滤层中吸附架桥作用，使粘附在滤料上的杂质不易脱落而穿透滤层。助凝剂应投加在混凝剂投加点之后，滤池进口附近。4）滤速应根据原水水质决定。浊度偏高时应采用较低滤速，反之亦然。由于滤前无混凝沉淀的缓冲作用，设计滤速应偏于安全。原水浊度通常在50度以上时，滤速一般在5m/h左右。最好通过试验决定滤速。直接过滤工艺简单，混凝剂用量较少。在处理湖泊、水加等低浊度原水方面已有较多应用，也适宜于处理低温低浊水。至于滤前是否需设置微絮凝池，目前还有不同看法，应根据具体水质条件决定。
30、五、消毒为防止通过饮用水传播疾病，在生活饮用水处理中，消毒是必不可少的。消毒并非要把水中微生物全部消灭，只是要消除水中致病微生物的致病作用。致病微生物包括病菌、病毒及原生动物胞囊等。水中微生物往往会粘附在悬浮颗粒上，因此，给水处理中的混凝沉淀和过滤在去除悬浮物、降低水的浊度的同时，也去除了大部分微生物（也包括病原微生物）。但尽管如此，消毒仍必不可少，它是生活饮用水安全、卫生的最后保障。水的消毒方法很多，包括氯及氯化物消毒，臭氧消毒、紫外线消毒及某些重金属离子消毒等。氯消毒经济有效，使用方便，应用历史最久也最为广泛。但自20世纪70年代发现受污染水原经氯消毒后往往会产生一些有害健康的副产物，例如
31、三卤甲烷等后，人们便重视了其它消毒剂或消毒方法的研究，例如，近年来人们对二氧化氯消毒日益重视。但不能就此认为氯消毒会被淘汰。 一方面，对于不受有机物污染的水源或在消毒前通过前处理把形成氯消毒副产物的前期物（如腐殖酸和富里酸等）预先去除，氯消毒仍是安全、经济、有效的消毒方法；另方面，除氯以外其它各种消毒剂的副产物以及残留于水中的消毒剂本身对人体健康的影响，仍需进行全面、深入的研究。因此，就目前情况而言，氯消毒仍是应用最广泛的一种消毒方法。5.1 氯消毒5.1.1 氯消毒原理氯容易溶解于水（20和95kPa时，溶解度7160mg/L）。当氯溶解在清水中时，下列两个反应几乎瞬时发生： Cl2+H2O
32、 HOCl+HCl （18-1）次氯酸HOCl部分离解为氢子和次氯酸根： HOCl H+OCl- （18-2）其平衡常数为： Ki= （18-3）在不同温度下次氯酸离解平衡常数见表4-1。次氯酸离解平衡常数表5-1温度0510152025Ki10-8（mol/L）2.02.32.63.03.33.75.1.2 加氯量水中加氯量，可以分为两部分，即需氯量和余氯。需氯量指用于灭活水中微生物、氧化有机物和还原性物质等所消耗的部分。为了抑制水中残余病原微生物的再度繁殖，管网中尚需维持少量剩余氯。我国饮用水标准规定出厂水游离性余氯在接触30min后不应低于0.3mg/L，在管网末梢不应低于0.05mg/
33、L。后者的余氯量虽仍具有消毒能力，但对再次污染的消毒尚嫌不够，而可作为预示再次受到污染的信号，此点对于管网较长而有死水端和设备陈旧的情况，尤为重要。以下分析不同情况下加氯量与剩余氯量之间的关系：（1）如水中无微生物、有机物和还原性物质等，则需氯量为零，加氯量等于剩余氯量。（2）事实上天然水特别是地表水源多少已受到有机物和细菌等污染，氧化这些有机物和杀灭细菌要消耗一定的氯量，即需氯量。加氯量必须超过需氯量，才能保证一定的剩余氯。当水中有机物较少，而且主要不是游离氨和含氮化合物时，需氯量0M满足以后就会出现余氯。其原因为：1）水中有机物与氯作用的速度有快慢。有测定余氯时，有一部分有机物尚在继续与氯
34、作用中。2）水中余氯有一部分会自行分解，如次氯酸由于受水中某些杂质或光线的作用，产生如下的催化分解： 2HOCl 2HCl+O2 （18-8）3）当水中的有机物主要是氨和氮化合物时，情况比较复杂。当起始的需氯量0A满足以后，加氯量增加，剩余氯也增加（曲线AH段），但后者增长得慢一些。超过H点加氯量后，虽然加氯量增加，余氯量反而下降，如HB段，H点称为峰点。此后随着加氯量的增加，剩余氯又上升，如BC段，B点称为折点。缺乏试验资料时，一般的地面水经混凝、沉淀和过滤后或清洁的地下水，加氯量可采用1.01.5mg/L；一般的地面水经混凝、沉淀而未经过滤时可采用1.52.5mg/L。当原水受到严重污染，
35、采用普通的混凝沉淀和过滤加上一般加氯量的消毒方法都不能解决问题时，折点加氯法可取得明显效果，它能降低水的色度，去除恶臭，降低水中有机物含量；还能提高混凝效果。折点加氯法过去常常应用，但自从发现水中有机污染物可能与氯生三卤甲烷（THMs）后，采用折点加氯来处理受污染水源已引起人们担心，因而寻找去除有机污染物的预处理或深度处理方法和其它消毒法。5.2 其它消毒法5.2.1 二氧化氯消毒二氧化氯（ClO2）在常温常压下是一种黄绿色气体，沸点11，凝固点-59，极不稳定，气态和液态ClO2均易爆炸，故必须以水溶液形式现场制取，即时使用。ClO2易溶于水，其溶解度约为氯的5倍。ClO2水溶液的颜色随浓度
36、增加而由黄绿色转为橙色。ClO2在水中以溶解气体存在，不发生水解反应。ClO2水溶液在较高温度与光照下会生成ClO2-与ClO3-，在水处理中ClO2参与氧化还原反应也会生成ClO2-。ClO2深液浓度在10g/L以下时没有爆炸危险，水处理中ClO2浓度远低于10g/L。制取ClO2的方法较多。在给水处理中，制取ClO2的方法主要有：（1）用亚氯酸钠（NaClO2）和氯（Cl2）制取，反应如下：Cl2+H2OHOCl+HCl （18-10）根据反应式（18-10），理论上1mol氯和2mol亚氯酸钠反应可生成2mol二氧化氯。但实际应用时，为了加快反应速度，投氯量往往超过化学计量的理论值，这样
37、，产品中就往往含有部分自由氯Cl2。作为受污染水的消毒剂，多余的自由氯存在就存在产生THMs之虑，虽然不会像氯消毒那样严重。二氧化氯的制取是在1个内填瓷环的圆柱形发生器中进行。由加氯机出来的氯溶液和用泵抽出的亚氯酸钠稀溶液共同进入ClO2发生器，经过约1min的反应，便得ClO2水溶液，像加氯一样直接投入水中。发生器上设置1个透明管，通过观察，出水若呈黄绿色即表明ClO2生成。反应时应控制混合液的pH值和浓度。（2）用酸与亚氯酸钠反应制取，反应如下：5NaClO2+4HCl 4ClO2+5NaCl+2H2O （18-11）10NaClO2+5H2SO4 8ClO2+5Na2SO4+4H2O （
38、18-12）在用硫酸制备时，需注意硫酸不能与固态NaClO2接触，否则会发生爆炸。此外，尚需注意两种反应物（NaClO2和HCl或H2SO4）的浓度控制，浓度过高，化合时会发生爆炸。这种制取方法不会存在自由氯，故投入水中不存在产生THMs之虑。制取方法也是在1个圆柱形ClO2发生器中进行。先在2个溶液槽中分别配制一定浓度（注意浓度不可过高，一般HCl浓度8.5%，亚氯酸钠浓度7%）的HCl和NaClO2溶液，分别用泵打入ClO2发生器，经过约20min反应后便形成ClO2溶液。酸用量一般超过化学计量34倍。以上两种ClO2制取方法各有优缺点。采用强酸与亚氯酸钠制取ClO2，方法简便，产品中无自
39、由氯，但NaClO2转化成ClO2的理论转化率仅为80%，即5mol的NaClO2产生4mol的ClO2。采用氯与亚氯酸钠制取ClO2，1mol的NaClO2可产生1mol的ClO2，理论转化率100%。由于NaClO2价格高，采用氯制取ClO2在经济上应占有优势。当然，在选用生产设备时，还应考虑其它各种因素，如设备的性能、价格等。二氧化氯既是消毒剂，又是氧化能力很强的氧化剂。作为消毒剂，据有关专家研究，ClO2对细菌的细胞壁有较强的吸附和穿透能力，从而有效地破坏细菌内含巯基的酶，Bermard也证实，ClO2可快速控制微生物蛋白质的合成，故ClO2对细菌、病毒等有很强的灭活能力。ClO2的最
40、大优点是不会与水中有机物作用生成三卤甲烷。这正是ClO2在当前水处理中受到重视的主要原因。此外，ClO2消毒还有以下优点：消毒能力比氯强，故在相同条件下，投中量比Cl2少；ClO2余量能在管网中保持很长时间，即衰减速度比Cl2慢；由于ClO2不水解，故消毒效果受水的pH值影响极小。作为氧化剂，ClO2能有效地去除或降低水的色、嗅及铁、锰、酚等物质。它与酚起氧化反应，不会生成氯酚。不过，采用ClO2消毒或作为氧化剂还存在以下值得注意的问题：ClO2本身和副产物ClO2-对人体血红细胞有损害，有报导认为，还对人的神经系统及生殖系统有损害。因此，近年来美国EPA规定：水中剩余ClO2和ClO2-等总
41、量不得超过1.0mg/L。目前我国还没有这方面的规定或限定标准。不过，作为消毒剂，一般ClO2投加量约在1.02.0mg/L范围内，不会产生副作用，但作为氧化剂，ClO2投加量变化较大，就应注意水中剩余ClO2和ClO2-的副作用。另外，由于制取ClO2的NaClO2价格很高（约为Cl2的10倍左右），因而限制了ClO2消毒的广泛应用。不过，欧美等一些国家应用ClO2消毒或作为氧化剂用于给水处理已日益增多。近年来，我国也重视了ClO2在给水处理中的应用。5.2.2 氯胺消毒在本章第一节中提到，氯胺消毒作用缓慢，杀菌能力比自由氯弱。但氯胺消毒的优点是：当水中含有有机物和酚时，氯胺消毒不会产生氯臭
42、和氯酚臭，同时大大减少THMs产生的可能；能保持水中余氯较久，适用于供水管网较长的情况。不过，因杀菌力弱，单独采用氯胺消毒的水厂很少，通常作为辅助消毒剂以抑制管网中细菌再繁殖。人工投中的氨可以是液氯、硫酸氨（NH4）2SO4或氯化铵NH4Cl。水中原有的氨也可利用。硫酸铵或氯化铵应先配成溶液，然后再投中到水中。液氨投加方法与液氯相似，化学反应见反应式（18-4）至式（18-6）。氯和氨的投加量视水质不同而有不同比例。一般采用氯：氨=3：16：1。当以防止氯臭为主要的目的时，氯和氨之比小些；当以杀菌和维持余氯为主要目的时，氯和氨之比应大些。采用氯胺消毒时，一般先加氨，待其与水充分混合后再中氯，这
43、样可减少氯臭，特别当水占含酚时，这种投加顺序可避免产生氯酚恶臭。但当管网较长，主要目的是为了维持余氯较为持久，可先加氯后加氨。有的以地下水为水源的水厂，可采用进厂水加氯消毒，出厂水加氨减臭并和稳定余氯。氧和氨也可同时投加。有资料认为，氯和氨同时投加比先加氨后加氯，可减少有害副产物（如三卤甲烷、卤乙酸等）的生成。5.2.3 漂白粉消毒漂白粉由氯气和石灰加工而成，分子式可简单表示为CaOCl2，有效氯约30%。漂白精分子式为Ca（OCl）2，有效氯约达60%左右。两者均为白色粉末，有氯的气味，易受光、热和潮气作用而分解使有效氯降低，故必须放在阴凉干燥和通风良好的地方。漂白粉加入水中反应如下：2Ca
44、OCl2+2H2O 2HOCl+Ca（OH）2+CaCl2 （18-13）反应后生成HOCl，因此消毒原理与氯气相同。漂白粉需配成溶液加注，溶解时先调成糊状物，然后再加水配成1.0%2.0%（以有效氯计）浓度的溶液。当投加在滤后水中时，溶液必须经过约424h澄清，以免杂质带进清水中；若加入浑水中，则配制后可立即使用。漂白粉消毒一般用于小水厂或临时性给水。5.2.4 次氯酸钠消毒次氯酸钠（NaOCl）是用发生器的钛阳极电解食盐水而制得，反应如下：NaCl+H2O NaOCl+H2 （18-14）次氯酸钠也是强氧化剂和消毒剂，但消毒效果不如氯强。次氯酸钠消毒作用仍依靠HOCl，反应如下：NaOCl
45、+H2O HOCl+ NaOH （18-15）次氯酸钠发生器有成品出售。由于次氯酸钠易分解，故通常采用次氯酸钠发生器现场制取，就地投加，不宜贮运。制作成本就是食盐和电耗费用。次氯酸钠消毒通常用于小型水厂。5.2.5臭氧消毒臭氧（O3）由3个氧原子组成，在常温常压下，它是淡蓝色的具有强烈剌激性的气体。臭氧密度为空气的1.7倍，易溶于水，在空气或水中均易分解消失。臭氧对人体健康有影响，空气中臭氧浓度达到1000mg/L即有致命危险，故在水处理中散发出来的臭氧尾气必须处理。臭氧都是在现场用空气或纯氧通过臭氧发生器高压放电产生的。臭氧发生器是臭氧生产系统的核心设备。如果以空气作气源，臭氧生产系统应包括
46、空气净化和干燥装置以及鼓风机或空气压缩机等，所产生的臭氧化空气中臭氧含量一般在2%3%（重量比）；如果以纯氧作为气源，臭氧生产系统尖包括纯氧制取设备，所生产的是纯氧/臭氧混合气体，其中臭氧含量约达6%（重量比）。由臭氧发生器出来的臭氧化空气（或纯氧）进入接触池也待处理水充分混和。为获得最大传质效率，臭氧化空气（或纯氧）应通过微孔扩散器形成微小气泡均匀分散于水中。臭氧既是消毒剂，又是氧化能力很强的氧化剂。在水中投入臭氧进行消毒或氧化通称臭氧化。作为消毒剂，由于臭氧在水中不稳定，易消失，故在臭氧消毒后，往往仍需投加少量氯、二氧化氯或氯氨以维持水中剩余消毒剂。臭氧作为唯消毒剂的极少。当前，臭氧作为氧
47、化剂以氧化去除水中有机污染物更为广泛。臭氧的氧化作用分直接作用和间接作用两种。臭氧直接与水中物质反应称直接作用。直接氧化作用有选择性且反应较慢。间接作用指臭氧在水中可分解产生二级氧化剂氢氧自由基OH（表示OH带有一未配对电子，故活性极大）。OH是一种非选择性的强氧化剂（E0=3.06V），可以使许多有机物彻底降解矿化，且反应速度很快。不过，仅由臭氧产生的氢氧自由基量很少，除非与其它物理化学议程配合方可产生较多OH。据有关专家认为，水中OH-及某些有机物是臭氧分解的引发剂或促进剂。臭氧消毒机理实际上仍是氧化作用。臭氧化可迅速杀灭细菌、病毒等。臭氧作为消毒剂或氧化剂的主要优点是不会产生三卤甲烷等副产物，其杀菌和氧化能力均比氯强。但近年来有关臭氧化的副作用也引起人们关注。有的认为，水中有机物经臭氧化后，有可能将大分子有机物分解成分子较小的中间产物，而在这些中间产物中，可能存在毒性物质或致突变物。或者有些中间产物与氯（臭氧化后往往还需加适量氯）作用后致突变反而增强。历此，当前通常把臭氧与粒状活性炭联用，一方面可避免上述副作用产生，同时也改善了活性炭吸附条件。有关臭氧和活性炭联用技术见本书第19章。臭氧生产设备较复杂，投资较大，电耗也较高，目前我国应用很少，
