從相對安全走到絕對安全轉變的第三代城市飲用水凈化工藝

飲用水的生物安全性是飲水安全最重要和首要必須保證的。一旦飲水的生物安全性得不到保證，就會引起水介疾病的暴發，給廣大人民的生命和健康造成重大損失。20世紀以前，因飲水不潔，在城市常暴發烈性水介細菌性傳染病(霍亂、痢疾、傷寒)等，給人類生命健康造成極大的危害。在此背景下開發出了第一代城市飲用水凈化工藝(混凝、沉淀、過濾、氯消毒)，從而使飲用水的微生物安全性基本上得到了保證。

面對第一代水處理工藝不能對無害物進行控制的弊端，第二代城市飲用水凈化工藝應運而生，這就是深度處理工藝，也就是在第一代工藝的后面增加臭氧、顆粒活性炭的工藝，這樣一個工藝是非常成功的，它對控制水中間的有毒有害的有機物是非常有效的，所以在國外作為一種通用的工藝使用，在我們國內也有，特別是大城市有一批水廠采用了這樣的工藝。而第二代工藝去除水中有機污染物也有一定的限度，同時也存在著一些其他的生物性問題。第二代飲用水凈化工藝的出水中細菌含量顯著增多，不能有效殺滅和控制飲用水中的賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲、劍水蚤、藍綠藻等有害生物，出廠水在輸送和貯存過程中出現微生物增殖現象，從而導致飲用水的生物安全性降低，這一系列的生物安全性問題使得第二代工藝的合理性和優越性逐漸不再被充分認可。飲用水的生物安全性，是飲水安全最重要和首要必須保證的。

膜是21世紀新材料中的一個新亮點，微濾膜、納濾膜和超濾膜都可用于城市飲用水處理。其中，微濾膜孔徑較大，不能充分截留去除病毒和細菌；納濾膜和超濾膜的孔徑均小于水中的病毒、細菌、原生動物、藻類等致病微生物，能將水中的微生物幾乎全部去除，是最有效的去除水中微生物的方法。目前在我國，選擇超濾膜提高水的生物安全性是比較可行的方法。超濾膜本身能去除部分的天然大分子有機物。另外，通過在膜前增設生物粉末活性炭，構成高效的超濾膜—生物粉末活性炭反應器，這樣水中的微量有機污染物也會被有效去除，從而可以獲得生物穩定性更高的出水。

膜技術發展初期， 膜價格很貴。近年來，隨著膜制造技術的快速發展，膜的性能不斷提高，目前超濾膜已在我國形成規模生產能力，其性能和質量已達到國外同類產品水平，能夠為數萬噸/日的大規模水廠提供膜材料，其價格也逐漸降低，現在已達到可與第一代工藝競爭的價位。另一方面，新的生活飲用水標準的頒布和國家節水減排政策的出臺也給膜技術在城市飲用水凈化方面的應用打開了極大的市場空間。

我國絕大多數城市水源為III類水體，以超濾為核心技術的第三代城市飲用水凈化工藝就是以III類水體作為原水，先經過安全預氧化（或強化混凝），再經過生物活性炭（或超濾），最后經過安全消毒，獲得優質的飲用水。將超濾置于活性炭之后，可截留出水中的微生物及炭微粒。飲用水的微生物安全性無疑是首要的，是需要特別關注的。

第三代城市飲用水凈化工藝對于致病微生物、藻類、水蚤、紅蟲等，具有預氧化殺滅、強化混凝、活性炭吸附、生物吸附、超濾截留及安全消毒等多級屏障，特別是超濾幾乎100%地對微生物截留，是最有效的去除細菌及病毒、除藻、除水蚤等的方法。

近年來，水環境污染較嚴重，天然水體特別是大量用作城市水源的湖、庫水體，由于藻類大量繁殖，使水具有臭味，對飲用水的品質影響很大，受到人們特別關注。此外，受工業廢水和城市污水污染的河段，也常有臭味的問題。第三代城市飲用水凈化工藝化學預氧化、活性炭吸附和生物降解，是去除水中臭味的多級屏障，特別是臭氧和高錳酸鉀及其復合劑，都是良好的除臭味劑，后續的活性炭除臭味效果也很好。它們還有一個優點也尤為突出，就是不僅使高錳酸鉀及其復合劑與活性炭以及生物活性炭除有機物污染的效能的協同作用得以發揮，即總去除率高于兩者單獨去除率之和，并且活性炭還能防止高錳酸鉀及其復合劑的滲漏，從而使高錳酸鉀及其復合劑的投加量可以大大提高，充分發揮其除污染效能。

氨氮濃度是飲用水水質標準新列入的水質指標。第一代工藝基本沒有除氨氮的能力。在第二代工藝中，氨氮主要在生物顆?；钚蕴繉又斜蝗コ?，但由于水中溶解氧濃度有限，所以只能去除很有限的氨氮。在第三代工藝中，可在生物粉末活性炭反應器中通入空氣進行曝氣，從而不斷向水中供應溶解氧，再加上反應器中有高濃度生物膜量，從而有可能去除水中絕大部分的氨氮。

第三代城市飲用水凈化工藝其核心還是發展膜過濾技術，膜用于飲用水在國外發展非常快，1996年超濾膜市場總處理水量大約在20萬立方米，到2006年達到處理水量800萬立方米/天，并且還在呈加速增長的趨勢。歐洲有33座一萬噸以上的超濾膜水廠；英國有100多座城市水廠采用了超濾，日處理水量達到了110萬噸/天；亞洲日本的膜濾水廠達到了400萬噸，這包括超濾、納濾和反滲透。目前國外大概還有幾座30萬噸級的超濾膜水廠。

在我國，臺灣去年在高雄建立了30萬噸水廠，超濾膜是大陸的廠家供應。近年，大陸陸陸續續建立了一些中小型的超濾水廠，據了解其中有的產水能力達到兩萬噸?，F在正在醞釀的有一批大型的10萬噸以上的大型超濾膜水廠。

以超濾為核心技術的第三代城市飲用水凈化工藝采用多種處理單元具有互補性和協同效應，使整體得到優化，不僅高效經濟，還體現了綠色工藝的理念，其中的膜濾、活性炭吸附和生物降解都是綠色工藝。

新的《生活飲用水衛生標準》中規定的微生物指標是相對安全的，而以超濾為核心的第三代城市飲用水凈化工藝將使飲用水的生物安全性從相對安全走到絕對安全，使城市飲用水凈化工藝產生重大變革。

李圭白

中國工程院院士，哈爾濱工業大學教授，博士生導師。全國高等學校給水排水工程專業指導委員會顧問，建設部科技委員會顧問，中國水工業學會副理事長。近年來，李院士提出第三代城市飲用水凈化工藝的概念，倡導將超濾膜用于城市水廠。他的科研成果曾獲全國科學大會獎、國家級發明獎、國家級科技進步獎以及省、部級獎等十余項大獎，為發展我國給水排水科學技術和教育事業作出了突出貢獻。