淺談管道直飲水凈化技術

＊祁靜 閆學亞 翟學東

（鄂爾多斯市安信泰環?？萍加邢薰?安全飲水與污水處置技術研究開發中心 內蒙古 017000）

我國飲用水水源存在較大的安全風險[1]。以內蒙古自治區為例，全區12個盟市及滿洲里市、二連浩特市，各監測城市中，呼和浩特市、包頭市、赤峰市和阿拉善盟集中式生活飲用水水源既有地表水水源地也有地下水水源地，呼倫貝爾市與巴彥淖爾市只有地表水水源地，其他8個城市均為地下水水源地。2020年內蒙古自治區生態環境狀況公報顯示：全區地級市集中式飲用水水源地取水量達標率為87.8%，較2019年下降1.7%；呼和浩特市、包頭市、興安盟、赤峰市、烏蘭察布市、巴彥淖爾市和烏海市水源地達標率為100%，其他地級城市水源地均有不同程度的超標。全區94個萬人千噸飲用水水源地監測井中，超標水源井38個，其中Ⅱ-Ⅲ類水質占59.5%、Ⅳ類水質占33.0%、Ⅴ類水質占7.5%，主要超標項為總大腸菌群、總硬度和氨氮。

目前，我國大部分水處理廠仍采用混凝-沉淀-過濾-消毒單元構成的“第一代”水處理工藝[2]，同時也有部分水廠對常規工藝進行升級改造，在第一代工藝基礎上增加深度處理工藝（預臭氧—混凝—沉淀—過濾—后臭氧—生物活性碳—消毒），提升飲用水水質。深度處理工藝在對痕量污染物去除、長期穩定水質保障需要優化改進[3]。鑒于目前城市供水水源存在的問題，為使居民喝上放心水，一方面通過源頭水源保護、凈水廠及管網的改造升級來確保飲水安全。另一方面通過建設管道直飲水系統達到分質供水、高質高用、低質低用的目的，使得入口飲水和洗衣等生活用水分流可讓更多的人受惠于直飲水。從管道直飲水系統的現狀與發展趨勢看，該系統在安全飲水方面將發揮重要作用。

1.凈化技術

根據水源水質的不同，管道直飲水的凈化技術略有差異，目前市場上的主導凈化工藝為“預處理+膜處理+后處理”，水源主要為市政自來水、地表水、地下水。

(1)預處理

預處理是指利用多介質過濾器、活性炭過濾器等機械過濾技術，以去除水中膠體與懸浮物為主要目的，使原水處理后符合膜進水水質要求，減輕膜的堵塞與污染，延長膜使用壽命。

表1 預處理技術的比較[4-5]

其中，活性炭比表面積大，依靠過濾、吸附作用可以有效降低水中濁度及懸浮物、細菌、病毒、重金屬、有機物的含量，同時可以消除余氯；其性能優于砂濾，往往作為砂濾的后續處理工序。軟化過濾器實質是離子交換樹脂，可以減少鈣、鎂離子含量，但不能降低水中的總含鹽量。精濾可根據超濾或納濾、反滲透進水水質要求的不同，選擇濾芯規格，以起到保護膜的作用。

(2)膜處理技術

膜技術即利用膜孔的篩分截留作用，在外力的驅動下，大于膜孔的溶質粒子被截留，小分子溶質與水溶液透過濾膜進入產水中，最終實現溶液與溶質的分離。因此，直飲水凈水技術根據膜截留能力的強弱形成了超濾、納濾、反滲透飲水凈化技術。

市場上膜供水裝置種類分為商用級、工廠級[6]；對商用級供水膜進行比較，參見表2。

表2 超濾、納濾、反滲透膜技術的比較[4-5]

①分離原理。膜技術是一種分離溶液、加強濃縮處理的技術手段；在膜的兩側施加壓差，使成分選擇性地透過膜以達到分離的效果。

當含有大分子物質的溶液（例如水溶液）與超濾膜接觸時，在原料側施加一定的壓力，溶液中的小分子物質及水透過膜上的超微孔流到膜的低壓側為透過液，大分子物質被膜阻擋而留在膜的上游側，實現溶液中大分子物質與小分子物質、水的分離。一般認為，超濾膜的分離作用是由機械截留（篩分）、架橋和吸附幾種機理共同作用的結果[7]；其對有機物及硬度離子的去除效果差[2,8]。

反滲透是利用反滲透膜選擇性地允許溶劑（通常是水）透過而截留離子物質的性質，以膜兩側靜壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實現溶劑和溶質分離的膜過程；反滲透的選擇透過性與組分在膜中的溶解、吸附和擴散等有關[9]。反滲透可有效去除多價及一價離子（95%～99%），平均脫鹽率為95%～98%，經反滲透處理后水中絕大部分礦物質、微量元素都已去除。

納濾是由反滲透發展而來，介于超濾、反滲透之間的一種膜分離技術。納濾膜過程與反滲透膜過程類似，其傳質機理與反滲透膜相似，屬于溶解-擴散模型[9-10]。納濾膜對一價離子去除率一般在60%以下，二價及多價離子去除率一般大于90%。

②適用條件。超濾技術適用于水源水質較好的條件，廣泛應用于納濾、反滲透的前端處理工序?！吨行W膜處理飲水設備技術研究和配置規范》（JY/T 0593-2019）是由教育部發布為保障學校師生飲水健康、安全而配套的技術標準，文件中明確指出“膜處理飲水設備宜采用超濾、納濾的過濾方式”“在原水污染風險較大地區可使用反滲透方式，當原水質達標后宜更換成納濾或超濾方式進行處理”。該規范在兼顧飲水安全與健康的同時，為日后膜處理技術在飲水凈化方面的發展提供了方向，具有重要指導意義。

舒為群教授表示“高脫鹽的反滲透與致密性納濾膜能有效截留飲用水中可能存在的有機雜質，從而進一步保障飲用水安全。但過量去除水中的無機離子，特別是鈣/鎂離子、氟離子和微/痕量無機離子，則可能會降低飲用水的健康性。從這個角度講，采用納濾技術，適當保留飲用水中鈣/鎂元素和TDS，盡可能多地去除有機雜質和有毒有害無機離子，不但提高了飲水的健康性，在口感方面也可能更易被人群所接受[11]?！?/p>

③膜產品市場。前瞻產業研究院發布的《中國膜產業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》顯示，目前在中國膜市場中反滲透膜市場占有份額達50%以上，從2010—2018年，我國反滲透市場規模持續擴大，2018年已超過930億元。據估計，2017年納濾膜市場份額不足3%，但在2015—2019年將保持高達15.6%的年復合增長率[12]。

(3)后處理技術

后處理是將經過前期膜處理過的水進行消毒，殺死細菌及微生物，調整水質符合人體飲用；可采用臭氧、紫外線、二氧化氯等。目前，管道直飲水多采用臭氧、紫外線、臭氧和紫外線聯合殺菌。紫外線是瞬時殺菌，殺菌效果很好。

表3 消毒技術的比較[13]

(4)常見工藝流程

市政自來水作為供水水源的條件下，目前國內用于管道直飲水的組合工藝類型主要為以下幾類：

①O3（臭氧）活性炭過濾器+MF（微濾）+UF（超濾）+O3（臭氧）+ClO2（二氧化氯）。預臭氧主要是針對取水點為湖庫的自來水，采用臭氧去除水藻、降低水中有機物、色度、濁度；經臭氧處理后水體經活性炭一方面消除臭氧殘余，一方面進一步降低水中污染物；MF（微濾）作為保安密過濾器，截留＞0.1μm的雜質后進入超濾裝置，最終經消毒達到凈水水質要求。該工藝適用于原水水質較好的條件。

②多介質過濾器（石英砂）+活性炭過濾器+精密過濾器+NF（納濾）+紫外線消毒。該工藝適用于中、低硬度的水源，應重點關注出水水質殺毒滅菌效果的穩定性。納濾主要針對去除水中的多價離子，該工藝不適用于高氟水質凈化。

③多介質過濾器+活性炭過濾器+軟化+精密過濾器+反滲透（RO）+紫外線消毒。預處理主要是去除原水中的懸浮物、膠體、有機物等，并通過離子交換去除鈣、鎂離子降低水體硬度。膜處理采用反滲透膜RO，后處理工序利用臭氧對成品水箱的水進行定時定量的消毒，精密過濾器、紫外線殺菌器分別對循環回水進行過濾、消毒。此工藝流程對原水水質要求低，出水水質穩定，適用范圍較前兩種工藝廣泛。但反滲透處理后其產水呈弱酸性，長期飲用會破壞人體酸堿平衡。

2.結論與建議

(1)結論

目前，我國飲水凈化工藝路線為預處理+膜處理+后處理；膜市場競爭主要集中在反滲透膜與納濾膜，兩種膜技術均可有效截留飲用水中可能存在的有機雜質，從而進一步保障飲用水安全。

(2)建議

我國管道直飲水的現狀可以概括為有需求、有效益、有問題。

管道直飲水系統的推行須堅持“政府主導、企業運作、社會參與”的原則，提升居民飲水意識，加強政府監管等多方位的協作。當前各級政府及有關管理部門、水務公司，仍然要以提高自來水水質為首要任務，切不可因管道直飲水有較大經濟效應而盲目發展，避免舍本求末的現象。同時，應從提高膜通量、延長膜壽命、提升節水等角度關注膜技術的發展。

對已建成、將建設管道直飲水系統的地區，應強化飲用水衛生安全產品監管，提倡增強系統智能化感知，以物聯網監控模式為直飲水保駕護航。