飲用水資源現狀及飲用水凈化技術研究進展

袁海峰，趙曉宇

（1.黑龍江省科學院自然與生態研究所濕地與生態保育國家地方聯合工程實驗室，哈爾濱 150040；2.黑龍江省科學院微生物研究所，哈爾濱 150020）

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飲用水資源現狀及飲用水凈化技術研究進展

袁海峰1，趙曉宇2

（1.黑龍江省科學院自然與生態研究所濕地與生態保育國家地方聯合工程實驗室，哈爾濱 150040；2.黑龍江省科學院微生物研究所，哈爾濱 150020）

水是人類生產生活必不可少的不可再生資源，然而隨著工業化不斷加重，水污染的問題日漸突出，嚴重威脅人類的生存環境，從飲用水污染現狀出發，探討了目前飲用水凈化的基本技術及現狀，呼吁更好地保護飲用水資源，保障人類的可持續發展。

飲用水；生物強化；污染

1　飲用水水源污染現狀

由于西方發達國家工業化進程比我國早近百年，在其工業化進程中率先出現水體污染的情況，河流遭到有毒有機物的嚴重污染，水源水質下降的情況普遍存在，使這些國家不得不在水的凈化處理過程中增加各種除污染工藝，強化對水有機污染物的控制。隨著我國工業化進程的不斷加劇，飲用水的水源遭到污染的情況也越發嚴重［3］。2013年國家環境保護總局發布的《中國環境狀況》中涉及淡水資源的數據顯示：到2013年年底，我國地表水總體呈現輕度污染的狀態，各類水質比例為：Ⅰ～Ⅲ類71.7%，Ⅳ～Ⅴ類19.3%和劣Ⅴ類水質為和9.0%。目前的飲用水水源水質污染狀況更加嚴重，污染物對水源水質的污染已經達到愈演愈劇的程度，飲用水水源受到污染的程度也越來越嚴重，水中各類有機物的含量逐年增加。隨著現代分析檢測技術的不斷發展和提升，水源和飲用水中能夠測得的各類微量污染物質的種類和含量也在不斷增加。根據現有分析檢測技術發現，水中有2 000多種有機物質，這些污染物在飲用水水源中就發現了700多種，20種為致癌污染物，23種為可疑致癌污染物，18種具有誘發癌癥發生的污染物，56種具有致突功能，這些物質均對人體產生不良影響，其中包括直接或間接、急性或慢性的毒副作用［4-9］。因此，飲用水水源污染對飲用水水質的影響已成為一項急迫內容，亟待加以改善。

正是在當前如此嚴峻的情況下，人們逐漸意識到飲用水水源的污染將會嚴重威脅人類賴以生存的環境條件。因此，全世界各領域的科學家和學術團隊開始了飲用水凈化技術的研究。當前，飲用水凈化技術已經基本上形成了有針對性的特有工藝凈化流程，主要包括常規處理和深度處理兩種。常規工藝處理飲用水的方法，即：混凝、沉淀、過濾和消毒。常規處理是目前飲用水處理的經典方法，仍被廣大世界上多數國家所采用，成為目前飲用水處理的主要工藝［10］。

2　飲用水凈化技術進展

深度處理飲用水技術是在常規處理飲用水工藝之后所采用的進一步凈化處理技術。深度處理是采用特殊的工藝流程和處理方法，將常規水處理工藝不能有效去除的病原物、污染物以及消毒所產生的副產物的前體去除，進一步提高和保證飲用水水質，進一步保障飲用水安全。深度處理技術材質、方法等有所區別，目前應用比較廣泛的深度處理技術包括：活性碳吸附技術、臭氧氧化技術、膜過濾技術等［11-12］。

2.1活性碳吸附技術

一般在水源受污染時，臨時應急投加適量粉末碳，例如去除由藻類產生的季節性嗅味等，去除某些有機物時，粉末碳用量常達10～90mg/L，雖然粉末碳可以非常有效地吸附產生嗅味的有機物，投加粉末碳的設備也比較簡單，但是碳的吸附能力不能夠充分利用，導致投碳量較大。特別是在20世紀50年代以后，由于污染加劇，水源的嗅味更加嚴重。在正常投量下，粉末碳混懸吸附不能有效去除嗅味及微量污染物，用過的活性碳后處理困難，不能再生，當粉末碳用量超過20mg/L以上時很不經濟，因此許多水廠逐漸用顆粒碳代替粉末碳［13］。

顆粒活性碳以過濾吸附的方式能迅速有效地去除水中的嗅味及微量污染物，可以將其鋪在快濾池的砂層上或在快濾池之后單獨建造活性碳濾池，當碳的吸附能力飽和后，可以再生使用。1930年第一個使用顆粒活性碳除嗅的水廠建于美國費城，20世紀60、70年代，由于煤質活性碳的大量生產和再生設備的問世，發達國家開展了利用活性碳吸附去除水中微量有機物的科研工作，對飲用水進行深度處理。顆粒活性碳凈化裝置在美國、日本、歐洲等國家逐漸建成并投入使用。

2.2臭氧氧化技術

在1785年發現了臭氧之后，進一步證實了臭氧具有極強的殺菌功能，1905年開始作為自來水的消毒劑。1906年在法國的Nice市建成了一座規模較大的臭氧處理廠，之后一些國家陸續建立了一批采用臭氧處理的生產性水廠，到1916年數量達到了49座。這一時期，臭氧的應用還僅限于飲用水的消毒，由于這個階段的臭氧發生器效率較低，設備費和運行費用較高以及廉價的氯氣開始大量用于消毒，臭氧的應用受到了限制。國內外長期的實踐證明，雖然單獨使用臭氧技術或活性碳技術各有所長，但都有許多不足之處。因此都不是使水質全面優化的最佳可行技術，于是提出了臭氧化——活性碳技術，并且由于其獨特優越性，使得該項技術在水污染凈化方面獲得迅速發展和廣泛應用［14］。1940年，美國在水處理中便開始使用臭氧，當時的主要目的是去除水中嗅味和提高水的色度。法國科學家Duguet在該領域進行了多項研究，用過氧化氫和臭氧的混合物去除飲用水中的微量污染物，并開展一些試驗，在他的構思下均取得了良好的有機物去除效果。

2.3膜過濾技術

在水處理技術中，膜過濾技術(微濾、超濾、納濾和反滲透過濾)是最有前景的一種飲用水凈化方法，這一技術有許多的優點，具有調節水質的作用，其所去除的污染物范圍也非常廣，還包括到離子、細菌和病毒等微生物。另外，膜過濾技術在使用中不需要添加額外的藥劑即可運轉運行，且膜過濾所需的設備緊湊，占用空間小，非常容易進行自動化控制，節約了人力資本。

3　凈化技術的局限性

隨著人類生活水平越來越高，人們對各類生存條件的要求也隨之加大。隨著現代合成技術的發展，工業化合成已經影響人們的生活。其最重要的污染是大量異生化合物進入到了地球水環境體系中，包括工農業產生的廢水和城市人類生活產生的污水。

活性碳吸附對飲用水水源中的有機物（包括有機污染物）有一定的吸附去除作用，已經被業內公認。但是，活性碳的價格逐年增加，且不屬于再生資源，其大量使用必將造成生態的二次破壞，因此，這些因素影響了活性碳在水處理技術中的推廣應用。另外，活性碳對有機物的吸附去除作用受其自身吸附特性和吸附容量的限制，不能保證活性炭對所有的有機物有穩定的和長久的、持續的去除效果。活性碳對低分子極性強的有機物和大分子有機物不能吸附，其再生和更換都給水處理的操作和管理帶來諸多不便。

由于單一活性碳技術去除有機污染物的工作周期遠低于去除嗅味物質的工作周期，從而使處理成本大大提高，另外受活性碳再生方法、費用所限（一般要占整個費用的一半左右，某些特定情況下與買新碳的費用幾乎相當），活性碳技術也一直難以在我國和我省有效推廣。

臭氧氧化技術原理是臭氧在曝氣的環境條件下，通過臭氧較強的氧化能力，可以破壞一些污染有機物的分子結構，使污染物降解，從而達到去除污染物的目的，并消除污染物的危害，但是在這一處理過程中，也可能因氧化產生一些中間產物，這些不確定的中間產物可能會對人們產生深遠的影響，也可能會產生二次污染。同時也有部分有機物是不容易被氧化的，因而不能起到凈化效果。

臭氧——活性碳工藝采用先臭氧氧化，后活性碳吸附的方式，使活性碳的吸附作用發揮得更好。活性碳能有效去除小分子有機物，而水中含有的的腐殖質等具有較大分子量的天然有機物難以通過活性碳吸附去除，活性碳空隙表面積將不能得到充分利用，勢必加速吸附飽和速度，會縮短活性碳工作周期。但是臭氧活性碳技術在活性碳前投加臭氧后，可以使水中污染物大分子降解為小分子，使這些小分子提供了有機物進入較小空隙的可能性，活性碳大孔可以更加充分吸附未被氧化的有機物，從而達到飲用水質深度凈化目的。

膜過濾技術是一個非常優良的水凈化技術，但是其缺點也很多，膜過濾所用的設備使用的基建投資和運轉費用相當昂貴，且在大量水凈化處理過程中容易發生堵塞，因此，在運行中需要高水平的前處理設備進行預處理，同時必須進行定期的清洗維護。

隨著活性碳濾池的長期運行，活性碳表面逐漸滋生微生物，滋生的微生物反而使得活性碳濾池凈化效果更為明顯，此種現象引起了人們的注意，并將其應用于實際運行之中［15］，生物強化技術隨之應運而生，而逐漸成為研究的熱點。

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TU991.2

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1674-8646（2016）01-0138-03

2015-09-19

袁海峰（1981-），男，黑龍江綏化人，助理研究員，碩士，主要從事生物技術等研究。

趙曉宇（1979-），男，黑龍江綏化人，副研究員，碩士，主要從事生物防治、基因工程研究。