導讀
介紹了高品質飲用水的概念，目前國內高品質飲用水的標準以及制定標準的思路。提出了實現高品質飲用水的幾種模式，探討了水廠不同深度處理工藝生產高品質飲用水的水質特點。同時介紹了蘇州二次供水和分質水模式的高品質飲用水示范工程。
1 高品質飲用水水質的思考
仔細梳理各地的高品質飲用水標準，發現主要在表1所示的水質指標上進行了提升。對應國標，高品質飲用水在溶解性總固體和總硬度上進行了較大幅度的降低，這兩項指標對口感的影響較大，300 mg/L左右的TDS口感最佳，因而將此指標減半，可有效改善飲用水的口感。濁度的降低不僅意味飲用水感官性能的改善，而且表明微生物風險的降低。2-MIB和GSM是嗅味有機物的典型代表，嗅味嚴重影響飲用水的味感，極易為飲水者所察覺，同時嗅味的存在也意味著水體受到污染。封閉水體如水庫和湖泊嗅味有機物含量較高，從而影響飲用水水質，因而降低嗅味可有效改善飲用水的口感。高品質飲用水的另一個顯著特點是有機物的指標低，耗氧指標低于國標的3 mg/L，各地的降低幅度不一。各地的高品質飲用水均將TOC作為有機物的指標。雖然國標也將TOC列入，但不作為強制性執行的指標。從表1可見，各地均將TOC定為3 mg/L，相比于國標的5 mg/L，有了較大幅度的降低。一些地方還修改了消毒副產物指標，其中的上海幅度最大，將三鹵甲烷減半，而深圳不變。
目前國家的水質標準采用耗氧指數作為有機物指標，總有機碳僅作為參考指標。將耗氧指數作為有機物指標主要是考慮到全國檢測水平。圖1為不同水源的兩個水廠生物活性炭出水的有機物，X水廠的活性炭運行了3年，而Y水廠的運行了6年。兩個水廠的耗氧指數均為1.5 mg/L，但TOC卻有很大的差別，X水廠的TOC為2.5 mg/L，Y水廠的為3 mg/L。
圖1 不同水廠TOC與CODMn隨活性炭運行時間的變化
另外，不同水源的CODMn和TOC的比值也不同，如圖2所示。Y水廠的CODMn/TOC為0.5，X水廠為0.6。國標的CODMn/TOC為0.6。這說明CODMn/TOC越低，相同的耗氧指標，TOC越高。這例子表明，TOC可全面反映水的有機物含量，而CODMn只能部分反映。應該將TOC作為高品質飲用水強制執行的水質指標。
圖2 不同水源的TOC和CODMn的比較
相比于國標，高品質水有了一定程度的提高，但對標國際先進國家如日本，我們還有很大的差距。表2為日本東京都的水質指標，是日本的地方標準。從表2可以看出，它是以口感為目標來追求更高的飲用水品質。將表1與表2進行比較，可以看出我們的高品質水和日本的還有較大的差距。以TOC為例，日本將此列為影響口感的水質指標，東京都的標準是1 mg/L，而且完全能達到此標準。
2 蘇州地區高品質飲用水準則的制定
蘇州地區的高品質飲用水實施按照高品質水標準研究和構建高品質水技術體系兩條線展開工作，如圖3所示。調查蘇州地區出水和管網水水質，并參考國內外飲用水水質標準和現狀，制定蘇州地區高品質水準則。高品質水技術體系的構建按照水廠直接供應，二次供水保障和分質水供應的3種方式開展研究。水廠直接供應通過臭氧生物活性炭和納濾膜的深度處理工藝，研究這兩種工藝處理效果、出水水質等，是否滿足高品質水準則的要求。通過研究蘇州地區的管網水質變化規律，了解水廠出水到用戶的水質變化情況，研究二次供水處理工藝，提升和保持水質，從而提供與水廠出水相同或略有提升的高品質飲用水。分質水是指根據居民的飲用水和其他用途水如洗滌、沖洗馬桶等，按照不同的水質要求，分質供水。分質供水需要兩套管網系統。分質供水的飲用部分供水用納濾或反滲透制取，其余的直接用市政供水。
圖3 高品質飲用水的技術路線
高品質飲用水標準與所在地區的水源水質，經濟發展水平以及水廠處理工藝有著密切的關系。圖4為高品質飲用水標準制定的大致技術路線。首先是尋找差距，針對國標以及對標國際的先進標準并考慮區域特征，篩選提升的水質指標，其次是評估原水水質特征，篩選特征污染物，從而確立提升和新增的水質指標，最后基于水廠的進出水水質，對擬提升和新增的水質指標進行可行性的復核。
圖4 高品質水標準制定的技術路線
3 實現高品質飲用水的水廠處理工藝
實現高品質飲用水的水廠處理工藝主要為臭氧活性炭和納濾?！笆濉彼畬ｍ椞K州課題組針對太湖水，對臭氧生物活性炭、納濾及其組合，開展了長期中試，根據試驗結果，提出了高品質飲用水可能的工藝組合，如圖5所示。臭氧活性炭的處理工藝可分為常規臭氧活性炭，常規-臭氧活性炭-超濾和超濾-臭氧活性炭。常規-臭氧活性炭是目前國內最主流的深度處理工藝，該工藝的后面還可設置超濾，也可采用炭砂濾池，主要防止活性炭的微生物泄漏。還有一種新的深度工藝，將超濾置于臭氧活性炭的前面。由于超濾直接過濾會產生較為嚴重的膜污染，超濾可與在線混凝聯用。十三五水專項的蘇州課題的中試表明，在線混凝可有效控制膜污染，使超濾膜在較高通量下長期穩定運行。
圖5 臭氧生物活性炭深度工藝
常規-臭氧活性炭和在線混凝/超濾-臭氧活性炭的去除比較如圖6所示。圖6表明，在線混凝/超濾去除藻密度和葉綠素明顯優于常規，雖然超濾去除有機物的效果較常規的差，但后續的臭氧活性炭去除優于常規-臭氧活性炭。這說明，超濾能有效去除藻類，懸浮物和膠體，有助于提升臭氧活性炭的去除效果。在線混凝/超濾-臭氧活性炭去除AOC的效果也遠優于常規-臭氧活性炭。
圖6 常規-臭氧活性炭和在線混凝/超濾-臭氧活性炭的去除污染物效果比較
常規-臭氧活性炭和在線混凝/超濾-臭氧活性炭的出水水質比較如表3所示。由表3可見，除了BDOC外，對于其余的水質指標，在線混凝/超濾-臭氧活性炭均優于常規-臭氧活性炭。
納濾可有效去除水中的有機物，同時保留對人體有益的礦物質，因而是制取高品質水理想的膜技術。納濾組合工藝的核心問題是如何防止納濾膜的污染，從而決定納濾的預處理以及組合工藝的組成。納濾進水的水質有行業的SDI標準，應低于3。但是，SDI僅表征進水的懸浮固體和膠體，滿足了SDI僅是防止膜進水通道的堵塞，而納濾膜的污染，特別是有機污染如何造成，目前尚不清楚。雖然有許多的小試研究，但這些結果對實際的生產應用沒有多少的參考價值，真正能說明問題的還應該是長期的中試。
納濾的可能組合工藝如圖7所示。常規-納濾似乎是較為理想的組合，臭氧活性炭后面設置納濾也是可能的組合工藝。法國的Mery-sur-Oise水廠是采用納濾工藝的典型代表，該水廠雖然采用了臭氧以及孔徑6 μm的微濾作為預處理，但納濾膜仍然季節性的發生嚴重污染。蘇州的中試研究表明，大分子的親水性有機物是造成納濾膜污染的主要因素，常規和臭氧活性炭深度工藝都無法完全去除這類有機物，因而不適合作為納濾的預處理。超濾可完全截留大分子，因而最為適宜作為納濾的預處理。
圖7 納濾膜深度工藝
4 臭氧生物活性炭和納濾出水水質
臭氧生物活性炭是實現高品質飲用水的主流處理工藝，但隨著運行時間，活性炭吸附的逐漸飽和，出水的有機物也逐漸上升。了解生物活性炭出水有機物的變化規律，可為高品質飲用水標準相關指標的制定提供依據。為此蘇州課題組詳細調查和分析了蘇州不同運行年限的生物活性炭出水水質，如圖8所示。由圖8可見，隨著運行時間，活性炭出水的TOC逐漸增加，對于NBDOC，在某個運行時間，出水的NBDOC與進水的幾乎相同，說明活性炭的吸附作用幾近喪失，而對于BDOC，活性炭依然保持一定的去除效果，說明后期的生物活性炭去除主要依靠微生物降解的作用。縱觀活性炭長期運行的TOC變化，它是呈逐漸增加的趨勢，因此，臭氧活性炭在長期運行過程是否一直滿足高品質水的要求，存在不確定性。
圖8 臭氧生物活性炭長期運行的有機物變化
納濾去除有機物的效果如圖9所示。由圖9可見，納濾出水的TOC穩定在05 mg/L以下，不隨原水有機物的變化而變化，遠優于臭氧生物活性炭。納濾還可有效去除嗅味，如圖10所示。兩種典型的嗅味2-MIB和GSM，進納濾的濃度變化在500~50 ng/L范圍，出水的濃度均可低于5 ng/L。因此，納濾可為我們穩定提供高品質飲用水。
圖9 納濾去除有機物的效果
圖10 納濾去除嗅味物質的效果
納濾雖然能有效去除有機物，但它同時也會截留無機離子。納濾出水的無機離子含量也是受到關注的。納濾一般有兩種類型，高脫鹽和低脫鹽。高脫鹽納濾膜對有機物和無機物，均有優異的去除效果，低脫鹽的納濾膜對無機物有較低的截留率，但仍保持較好的有機物的去除效果。圖11為這兩種納濾膜去除無機離子的比較。由圖11可見，高脫鹽的納濾膜對無機離子有很好的去除效果，無論一價還是二價離子，去除率均在90%左右，低脫鹽的納濾膜，除了硫酸根去除在90%，其余離子的去除均低于30%。不僅如此，低脫鹽的納濾膜僅需較低的驅動力，就可獲得較高的通量，如圖12所示。
圖11 兩種納濾膜去除無機離子的比較
圖12 兩種納濾膜驅動壓力的比較
圖12為兩種納濾膜在通量25 L/（m2·h）時的驅動壓力情況，高脫鹽的驅動壓力基本在5 bar，而低脫鹽的僅在2~3 bar。因此低脫鹽的納濾膜非常適合作為高品質水的制取。
為了盡量去除有機物同時保障水中存在一定的礦物質，可采用將超濾出水與納濾出水混合的方式，混合的比例視所需的礦物質確定，如圖13所示。
圖13 納濾工藝出水的混合方式
5 二次供水模式下的高品質水
5.1 處理工藝的選擇
二次供水保持水質模式是指自來水經過管網后，水質產生了變化，通過在二次供水設施內設置處理裝置，將水質恢復至出廠時的狀態甚至略有提升。膜無疑是最適合作為技術選擇的。對于納濾或超濾，由于納濾膜會產生一定量的濃水，且驅動壓力較大，還需要必要的預處理，雖然水質好，但并不適宜。超濾膜無需預處理，回收率高，產生的額外費用較低，因而非常適合作為二次供水的處理。圖14為蘇州某小區的二次供水處理裝置。膜進水的壓力驅動依靠市政管網的壓力即可，膜出水后進入二次供水水箱，經紫外消毒后供水給小區居民。
圖14 二次供水超濾處理工藝
5.2 管網的水質變化
出廠水經過管網，水質會有一定程度的變化，了解這種變化規律，可為我們二次供水處理提供依據。從水廠到示范小區間隔一定距離設置若干取樣點，取樣分析水質隨管道距離的變化情況。圖15為消毒副產物和余氯隨管道距離的變化，由此可知，消毒副產物隨管道距離呈增加趨勢，而余氯呈下降趨勢。這表明余氯在管道中還繼續與有機物反應，產生消毒副產物。圖16為可生物降解有機物隨管道距離的變化，同樣表明與消毒副產物相似的變化情況。
圖15 消毒副產物和余氯隨管道長度的變化
圖16 可生物降解有機物隨管道長度的變化
5.3 處理效果
圖17為蘇州兩個小區（A小區和B小區）二次供水超濾工藝去除消毒副產物的效果。B小區距離水廠遠于A小區，因而管網水的消毒副產物含量高于A小區。A小區去除三氯甲烷，二氯一溴甲烷，一溴二氯甲烷和三溴甲烷的效果分別為8%，22.2%，34.6%和45.2%，B小區分別為34%，58.2%，52.4%和61.4%。三鹵甲烷的去除率分別為A小區的31.16%和B小區的64.54%。
圖17 示范工程去除消毒副產物的效果
圖18為示范工程去除濁度和TOC的效果。濁度的去除效果最為顯著，分別為A小區的42.6%和49.2%，對TOC也有一定的去除效果，分別為A小區的11.8%和10.6%。
圖18 示范工程去除各種污染物的效果
5.4 紫外消毒效果
對于二次供水處理，為了保障居民水龍頭的飲水安全，采用紫外消毒。圖19為紫外消毒的效果。對于有否紫外消毒，整個流程均未檢出細菌和微生物。由圖19可見，當未開啟紫外僅有余氯時，從市政進水到居民龍頭，余氯持續下降；TOC經膜過濾后呈略增加趨勢，三鹵甲烷也呈相似的情況。當開啟紫外時，經過水箱的TOC增加，但經紫外后明顯下降。同時的余氯也明顯下降。三鹵甲烷在僅有余氯消毒時，水箱出水呈上升趨勢；當開啟紫外時，水箱出水的三鹵甲烷下降。由此可見，紫外可有效去除TOC和抑制消毒副產物的增加。這是由于紫外和余氯的結合，產生高級氧化效果，增加了氫氧自由基，從而強化了有機物的去除。在二次供水中，紫外消毒可降低居民水龍頭的有機物和消毒副產物，從而進一步保障居民的飲水安全。
圖19 紫外的消毒效果
二次供水的水質如表4所示，出廠水經過管網，濁度和消毒副產物有所上升，而有機物和鋁有所下降，經超濾處理后，所有的水質指標都下降，居民水龍頭的水質均優于出廠水。
6 高品質水的分質供水模式
分質供水是指飲用和其他用途的用水采用不同的水質，后者直接使用市政供水，而前者需要進一步處理。圖20為蘇州某學校的分質供水處理工藝流程，為砂濾-活性炭-超濾-納濾-紫外消毒。砂濾去除濁度，有利于后續的活性炭吸附，活性炭去除余氯，為避免納濾的氧化，超濾為納濾的長期穩定運行提供保障。
圖20 蘇州某學校高品質水處理工藝
將表5與表4進行比較，可見分質水明顯優于二次供水，這是由于分質水采用了納濾膜的緣故。但是，納濾的工藝較為復雜，要有超濾和活性炭等作為預處理，以保證納濾膜的穩定運行。
7 結論
蘇州市的供水水廠已經全面實現了臭氧生物活性炭的深度工藝，出廠水水質達到了高品質飲用水。但是，出廠水經過管網后，受管材、水齡、腐蝕結垢等的因素，導致水質變化，主要是濁度，消毒副產物的增加以及余氯的下降。改造管網，更換管材，以維持水質，由于投資巨大，并不適宜。因此，蘇州要實現居民水龍頭的高品質飲用水的目標，宜采用二次供水保持水質模式。蘇州的“十三五”示范工程的實踐表明，應用超濾處理來保持和提升水質，可有效保證居民水龍頭的高品質飲用水，且投資和制水費用較低。分質水模式雖然水質更加優異，但采用納濾膜，工藝復雜，水的回收率低，更適用于高檔的商務樓和學校等的直飲水供應。
來源：給水排水