饮用水资源现状及饮用水净化技术研究进展

袁海峰，赵晓宇

（1.黑龙江省科学院自然与生态研究所湿地与生态保育国家地方联合工程实验室，哈尔滨 150040；2.黑龙江省科学院微生物研究所，哈尔滨 150020）



饮用水资源现状及饮用水净化技术研究进展

袁海峰1，赵晓宇2

（1.黑龙江省科学院自然与生态研究所湿地与生态保育国家地方联合工程实验室，哈尔滨 150040；2.黑龙江省科学院微生物研究所，哈尔滨 150020）

水是人类生产生活必不可少的不可再生资源，然而随着工业化不断加重，水污染的问题日渐突出，严重威胁人类的生存环境，从饮用水污染现状出发，探讨了目前饮用水净化的基本技术及现状，呼吁更好地保护饮用水资源，保障人类的可持续发展。

饮用水；生物强化；污染

1　饮用水水源污染现状

由于西方发达国家工业化进程比我国早近百年，在其工业化进程中率先出现水体污染的情况，河流遭到有毒有机物的严重污染，水源水质下降的情况普遍存在，使这些国家不得不在水的净化处理过程中增加各种除污染工艺，强化对水有机污染物的控制。随着我国工业化进程的不断加剧，饮用水的水源遭到污染的情况也越发严重［3］。2013年国家环境保护总局发布的《中国环境状况》中涉及淡水资源的数据显示：到2013年年底，我国地表水总体呈现轻度污染的状态，各类水质比例为：Ⅰ～Ⅲ类71.7%，Ⅳ～Ⅴ类19.3%和劣Ⅴ类水质为和9.0%。目前的饮用水水源水质污染状况更加严重，污染物对水源水质的污染已经达到愈演愈剧的程度，饮用水水源受到污染的程度也越来越严重，水中各类有机物的含量逐年增加。随着现代分析检测技术的不断发展和提升，水源和饮用水中能够测得的各类微量污染物质的种类和含量也在不断增加。根据现有分析检测技术发现，水中有2 000多种有机物质，这些污染物在饮用水水源中就发现了700多种，20种为致癌污染物，23种为可疑致癌污染物，18种具有诱发癌症发生的污染物，56种具有致突功能，这些物质均对人体产生不良影响，其中包括直接或间接、急性或慢性的毒副作用［4-9］。因此，饮用水水源污染对饮用水水质的影响已成为一项急迫内容，亟待加以改善。

正是在当前如此严峻的情况下，人们逐渐意识到饮用水水源的污染将会严重威胁人类赖以生存的环境条件。因此，全世界各领域的科学家和学术团队开始了饮用水净化技术的研究。当前，饮用水净化技术已经基本上形成了有针对性的特有工艺净化流程，主要包括常规处理和深度处理两种。常规工艺处理饮用水的方法，即：混凝、沉淀、过滤和消毒。常规处理是目前饮用水处理的经典方法，仍被广大世界上多数国家所采用，成为目前饮用水处理的主要工艺［10］。

2　饮用水净化技术进展

深度处理饮用水技术是在常规处理饮用水工艺之后所采用的进一步净化处理技术。深度处理是采用特殊的工艺流程和处理方法，将常规水处理工艺不能有效去除的病原物、污染物以及消毒所产生的副产物的前体去除，进一步提高和保证饮用水水质，进一步保障饮用水安全。深度处理技术材质、方法等有所区别，目前应用比较广泛的深度处理技术包括：活性碳吸附技术、臭氧氧化技术、膜过滤技术等［11-12］。

2.1活性碳吸附技术

一般在水源受污染时，临时应急投加适量粉末碳，例如去除由藻类产生的季节性嗅味等，去除某些有机物时，粉末碳用量常达10～90mg/L，虽然粉末碳可以非常有效地吸附产生嗅味的有机物，投加粉末碳的设备也比较简单，但是碳的吸附能力不能够充分利用，导致投碳量较大。特别是在20世纪50年代以后，由于污染加剧，水源的嗅味更加严重。在正常投量下，粉末碳混悬吸附不能有效去除嗅味及微量污染物，用过的活性碳后处理困难，不能再生，当粉末碳用量超过20mg/L以上时很不经济，因此许多水厂逐渐用颗粒碳代替粉末碳［13］。

颗粒活性碳以过滤吸附的方式能迅速有效地去除水中的嗅味及微量污染物，可以将其铺在快滤池的砂层上或在快滤池之后单独建造活性碳滤池，当碳的吸附能力饱和后，可以再生使用。1930年第一个使用颗粒活性碳除嗅的水厂建于美国费城，20世纪60、70年代，由于煤质活性碳的大量生产和再生设备的问世，发达国家开展了利用活性碳吸附去除水中微量有机物的科研工作，对饮用水进行深度处理。颗粒活性碳净化装置在美国、日本、欧洲等国家逐渐建成并投入使用。

2.2臭氧氧化技术

在1785年发现了臭氧之后，进一步证实了臭氧具有极强的杀菌功能，1905年开始作为自来水的消毒剂。1906年在法国的Nice市建成了一座规模较大的臭氧处理厂，之后一些国家陆续建立了一批采用臭氧处理的生产性水厂，到1916年数量达到了49座。这一时期，臭氧的应用还仅限于饮用水的消毒，由于这个阶段的臭氧发生器效率较低，设备费和运行费用较高以及廉价的氯气开始大量用于消毒，臭氧的应用受到了限制。国内外长期的实践证明，虽然单独使用臭氧技术或活性碳技术各有所长，但都有许多不足之处。因此都不是使水质全面优化的最佳可行技术，于是提出了臭氧化——活性碳技术，并且由于其独特优越性，使得该项技术在水污染净化方面获得迅速发展和广泛应用［14］。1940年，美国在水处理中便开始使用臭氧，当时的主要目的是去除水中嗅味和提高水的色度。法国科学家Duguet在该领域进行了多项研究，用过氧化氢和臭氧的混合物去除饮用水中的微量污染物，并开展一些试验，在他的构思下均取得了良好的有机物去除效果。

2.3膜过滤技术

在水处理技术中，膜过滤技术(微滤、超滤、纳滤和反渗透过滤)是最有前景的一种饮用水净化方法，这一技术有许多的优点，具有调节水质的作用，其所去除的污染物范围也非常广，还包括到离子、细菌和病毒等微生物。另外，膜过滤技术在使用中不需要添加额外的药剂即可运转运行，且膜过滤所需的设备紧凑，占用空间小，非常容易进行自动化控制，节约了人力资本。

3　净化技术的局限性

随着人类生活水平越来越高，人们对各类生存条件的要求也随之加大。随着现代合成技术的发展，工业化合成已经影响人们的生活。其最重要的污染是大量异生化合物进入到了地球水环境体系中，包括工农业产生的废水和城市人类生活产生的污水。

活性碳吸附对饮用水水源中的有机物（包括有机污染物）有一定的吸附去除作用，已经被业内公认。但是，活性碳的价格逐年增加，且不属于再生资源，其大量使用必将造成生态的二次破坏，因此，这些因素影响了活性碳在水处理技术中的推广应用。另外，活性碳对有机物的吸附去除作用受其自身吸附特性和吸附容量的限制，不能保证活性炭对所有的有机物有稳定的和长久的、持续的去除效果。活性碳对低分子极性强的有机物和大分子有机物不能吸附，其再生和更换都给水处理的操作和管理带来诸多不便。

由于单一活性碳技术去除有机污染物的工作周期远低于去除嗅味物质的工作周期，从而使处理成本大大提高，另外受活性碳再生方法、费用所限（一般要占整个费用的一半左右，某些特定情况下与买新碳的费用几乎相当），活性碳技术也一直难以在我国和我省有效推广。

臭氧氧化技术原理是臭氧在曝气的环境条件下，通过臭氧较强的氧化能力，可以破坏一些污染有机物的分子结构，使污染物降解，从而达到去除污染物的目的，并消除污染物的危害，但是在这一处理过程中，也可能因氧化产生一些中间产物，这些不确定的中间产物可能会对人们产生深远的影响，也可能会产生二次污染。同时也有部分有机物是不容易被氧化的，因而不能起到净化效果。

臭氧——活性碳工艺采用先臭氧氧化，后活性碳吸附的方式，使活性碳的吸附作用发挥得更好。活性碳能有效去除小分子有机物，而水中含有的的腐殖质等具有较大分子量的天然有机物难以通过活性碳吸附去除，活性碳空隙表面积将不能得到充分利用，势必加速吸附饱和速度，会缩短活性碳工作周期。但是臭氧活性碳技术在活性碳前投加臭氧后，可以使水中污染物大分子降解为小分子，使这些小分子提供了有机物进入较小空隙的可能性，活性碳大孔可以更加充分吸附未被氧化的有机物，从而达到饮用水质深度净化目的。

膜过滤技术是一个非常优良的水净化技术，但是其缺点也很多，膜过滤所用的设备使用的基建投资和运转费用相当昂贵，且在大量水净化处理过程中容易发生堵塞，因此，在运行中需要高水平的前处理设备进行预处理，同时必须进行定期的清洗维护。

随着活性碳滤池的长期运行，活性碳表面逐渐滋生微生物，滋生的微生物反而使得活性碳滤池净化效果更为明显，此种现象引起了人们的注意，并将其应用于实际运行之中［15］，生物强化技术随之应运而生，而逐渐成为研究的热点。

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TU991.2

A

1674-8646（2016）01-0138-03

2015-09-19

袁海峰（1981-），男，黑龙江绥化人，助理研究员，硕士，主要从事生物技术等研究。

赵晓宇（1979-），男，黑龙江绥化人，副研究员，硕士，主要从事生物防治、基因工程研究。