清华大学&给水排水 | 饮用水水质指标及处理技术科普：常规处理工艺

《给水排水》杂志社联合清华大学开展水质指标和处理技术科普专题，前两期带大家了解了饮用水水质指标：浊度及微生物指标，今天推出第三篇，饮用水常规处理工艺。

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图源：清华大学官网

本文作者

王小𠇔

清华大学环境学院副研究员，博士生导师。研究方向为饮用水强化常规处理和深度处理技术、工艺和相关理论，在相关方向上主持和参与多项国家水专项、重点研发计划、自然科学基金课题。担任中国水工业分会给水专业委员会委员、中国膜工业协会市政给排水应用分会副会长、中国膜工业协会工程与应用专业委员会委员、国际水协会（IWA）膜技术专业委员会中国分会秘书长。

或许我们都有这样的经历：在靠近水边的沙质河滩，往下挖一个小坑，即使河水非常浑浊，坑内的水也很清澈透明，这就是过滤。在给水厂中，过滤是“饮用水常规处理工艺”的核心工艺单元。与沙质河滩的自然过滤不同的是，作为人工处理构筑物的滤池，需要高效去除水中包括微生物在内的所有悬浮和胶体颗粒物质，即滤后水的浊度需要足够低（如<0.2 NTU）——也即代表其中微生物的浓度非常低。此外，滤池还应具备成本经济、运行稳定等特点。

水处理工艺中的过滤一般是指“快滤”，以石英砂、无烟煤等常见硬质且化学稳定的天然无机材料为过滤介质。快滤是相对于“慢滤”而言的。实际上，人类对过滤的水处理工程利用是从慢滤开始的。有记录可循的第一座慢滤池出现在1829年的英国，随后19世纪40、50年代发生在英国伦敦等地的水源污染霍乱疫情加速了“地表水处理必须过滤”的立法以及慢滤池在西方国家的推广应用。慢滤池一般以石英砂为过滤介质，其对浊度和微生物的去除效果很好，为保障生命安全和身体健康发挥了至关重要的作用。但慢滤池的过滤速度很慢，通常在0.1 m³/m²/h上下，即单位面积（m²）、单位时间（h）的过滤水量仅有0.1 m³左右。换句话说，一座10万m³/d处理规模的中型水厂，若采用慢滤，所需的滤池占地近42000 m²，接近6个标准足球场的面积。此外，慢滤池对原水水质有较严格的要求，浊度一般不能超过10 NTU，不太适合浊度波动很大的河流水的过滤。因此，慢滤在世界范围内逐渐被淘汰。

1820年代末的砂滤池设计图 | 图源：Historia Sanitaria

快滤池的典型构造

*图片来源https://www.xylem.com，如涉及版权请联系我们第一时间处理。

快滤于19世纪80年代在美国开始应用，至今有近150年的历史。快滤的滤速可达10 m³/m²/h以上，滤池面积较慢滤池可以节约近100倍。然而，快滤池的滤速虽然很快，但当直接过滤原水时，对浊度的去除率一般仅为50%上下，对大肠杆菌的去除率也很难超过60%。这是由于水中的许多颗粒物在过滤时即使能到达滤料表面，也不容易被粘附，我们称这些颗粒物“很稳定”。为了提高过滤效率，需要在过滤之前对颗粒物进行“脱稳”。颗粒物在水中之所以很稳定，是由于其大多数表面带较强的负电荷，因静电作用而易被同样带负电荷的滤料所排斥。为此，需要往原水中投加三价铝盐（如硫酸铝）或三价铁盐（如氯化铁）等这些被称为混凝剂的物质，并配合机械或水力搅拌，那些原本稳定的带负电颗粒物会因为吸附了带正电的铝离子、铁离子及其水解产物而表面电荷密度大幅降低（此现象被称为“吸附-电中和”），从而容易在过滤过程中粘附到滤料表面。这一过程被称为混凝。因此，为了使滤池充分发挥其过滤能力，混凝是极为必要的。我们一般也将混凝看作是过滤的前处理。混凝是“混合+凝聚”的简称，其中混合是动作，其主要作用是将混凝剂迅速分散至原水中（一般要求G值达到~1000s^-1水平），以使混凝剂发挥更好的作用致颗粒物更容易脱稳，并减少混凝剂用量；而凝聚是结果，指的是已经脱稳的小颗粒物逐渐长大的过程。由“混凝+过滤”组成的水处理工艺被称为直接过滤工艺，有时也被称为微絮凝工艺，此工艺无沉淀单元。直接过滤工艺在处理较低浊度的原水（如<5 NTU）时非常有利。

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在许多情况下，特别是使用河流水作为原水时，原水的浊度和颗粒物浓度较高且波动很大（可高至100 NTU以上），在经混凝预处理后因凝聚作用会生成大量粒径较大的颗粒物（粒径可达毫米尺度），若直接过滤，会导致滤池污堵过快，过滤难度大幅增加。此时，需要在混凝之后、过滤之前增加沉淀处理单元，工程目标一般是控制沉后水的浊度在1或2 NTU。沉淀一般指的是重力沉降，即利用水中颗粒物的密度较水更大而自然发生固体-液体分离的过程。在工程应用中，为了在有限的时间（数小时）内尽可能地沉淀去除更多的颗粒物，需要尽量增加颗粒物的粒径。为此，需要在混凝之后、沉淀之前再增加絮凝处理单元。絮凝是指通过机械或水力搅拌使经混凝处理已脱稳的颗粒物相互碰撞、粘附长成大的絮体的过程。其中，搅拌是为了增加颗粒物之间的碰撞机率，缩短絮凝处理的时间，同时避免絮体在絮凝池中发生沉降。但在絮凝处理的后段，为了避免大的絮体被打散返小，搅拌强度应控制在较低的范围。絮凝过程所需的G值一般在几至几十s^-1范围。

由上可知，混凝既是过滤的前处理，也是絮凝的前处理，而絮凝又是沉淀的前处理，沉淀则是过滤的前处理。按混凝→絮凝→沉淀→过滤→消毒这样的顺序组合而成的水处理工艺即为饮用水常规处理工艺。常规处理工艺对浊度和微生物等颗粒物具有非常好的去除效果，设计和运行良好的常规工艺水厂，滤后水浊度可达0.1 NTU以下，因此具有非常强的生命力，是全球范围内应用最为广泛的地表水处理工艺形式。其它水处理工艺要么是常规工艺的变体，要么以常规工艺为基础而增设以去除原水中其它杂质为主要目的的预处理或后处理单元。

*图片来源https://www.akronohio.gov，如涉及版权请联系我们第一时间处理。

近150年来，世界范围内常规工艺的研究、设计和运行积累了大量理论基础和实践经验。在我国，如何利用这些先验知识，并进一步开展科学研究，对常规工艺进行科学设计和运行优化，是降低出厂水浊度的关键，也是未来实现龙头水直饮和高品质供水的一个重要因素。饮用水常规处理工艺应给予高度重视。

编校：王祺、李新鑫

审核：张彬

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