新興技術在給水處理與分配中的應用

摘 要：隨著全球人口的增長和工業化的快速發展，清潔飲用水的需求日益增加。為了滿足這一需求，本研究對當前的先進水處理技術進行了深入的探討和評估。文章首先介紹了傳統的水處理方法及其挑戰，然后詳細描述了新興技術如智能水網、物聯網技術、膜過濾、生物技術和納米技術在水處理中的應用。接著探討了給水分配的傳統方法及其局限。在此基礎上，重點分析了新興技術在給水分配中的應用。通過對多個實際案例的分析，本文展示了這些技術在實際應用中的效果和潛在價值。

關鍵詞：水處理；智能水網；物聯網；膜過濾文章編號：2095-4085（2024）02-0049-03

0 引言

水是生命之源，對于所有生物體的生存和繁衍都至關重要。然而，隨著全球人口的增長、工業化的發展和氣候變化的影響，清潔飲用水的需求日益增加，而可用的水資源卻在逐漸減少。據聯合國報告顯示，到2050年，將有近60%的人口生活在水短缺地區。這種情況加劇了對高效、經濟和可持續的水處理技術的需求。在這樣的背景下，本研究旨在探討和評估當前的先進水處理和分配技術。通過對這些技術的深入研究，希望為水資源的可持續管理提供新的思路和方法。從而確保人們都能獲得清潔、安全的飲用水，從而實現可持續的高效用水和合理用水目標。

1 給水處理的傳統方法

1.1 常用的處理技術

給水處理是一個多步驟的過程，旨在從原水中去除不希望有的固體、有機物、微生物和化學物質，從而產生可以安全飲用的水。以下是常用的給水處理技術。

（1）沉淀：這是一個自然過程，其中較大的顆粒因重力作用而沉降到容器的底部。這有助于去除較大的懸浮固體。

（2）絮凝：在此過程中，添加化學物質（如鋁硫酸鹽或聚合物）以促使微小顆粒聚集成較大的團塊，從而更容易通過沉淀或過濾去除。

（3）過濾：水通過一個物理屏障（如沙床或活性炭過濾器）流動，以去除懸浮物和某些溶解物。

（4）消毒：使用化學物質（如氯或臭氧）或紫外線燈殺死或滅活水中的病原體。

1.2 傳統方法的局限性

盡管傳統的給水處理方法已經被廣泛應用并取得了成功，但它們仍然存在一些局限性。

（1）效率問題：某些處理方法，如沉淀，可能需要較長的時間才能達到所需的水質標準。

（2）化學物質的使用：使用化學物質進行絮凝和消毒可能會在水中留下有害的副產物。

（3）微污染物的處理：傳統方法可能無法有效去除某些微污染物，如藥物殘留物和內分泌干擾物。

（4）能源消耗：某些過程，如高級氧化，可能需要大量的能源。

（5）維護成本：傳統的水處理設備可能需要定期更換和維護，從而增加了運營成本。

2 新興技術在給水處理中的應用

隨著科技的進步，新興技術在給水處理中的應用日益增多，為提高水質和處理效率提供了新的可能性。以下是一些在給水處理中應用的新興技術。

2.1 先進的過濾技術

（1）膜過濾技術：膜過濾技術利用特定孔徑大小的半透膜來分離水中的不同大小的顆粒和分子。例如，反滲透膜可以阻止大多數溶質分子的通過，而允許水分子通過［1］。技術優勢包括：第一，能夠有效地去除水中的細菌、病毒、重金屬和某些有機物。第二，與傳統的蒸餾方法相比，反滲透需要較少的能源。局限性包括：一是長時間使用可能導致膜表面的污染，降低過濾效率；二是需要定期更換和清洗膜，增加了運營成本。

（2）生物活性炭過濾：這是一種結合了物理吸附和生物分解的技術，能夠去除有機物和微污染物［2］。但是它需要定期更換和再生活性炭。并且生物Q分解需要一定的時間，可能不適合快速處理。

2.2 生物技術在水處理中的應用

（1）生物濾池：利用微生物在固定床或流動床上的生物活性，分解和去除有機物。技術優勢包括：第一，能夠有效地分解和去除有機物。第二，使用自然的微生物，減少化學物質的使用。但是需要一定的水流停留時間。同時需要定期清除濾池中的污泥。

（2）生物膜反應器：結合了膜技術和生物處理，能夠在較小的空間內高效去除有機物和氮、磷等營養物質。但是膜技術增加了運營成本。

2.3 納米技術與水處理

（1）納米吸附材料： 納米吸附材料是一種具有納米尺度的材料，其表面積大、孔隙率高，因此具有很高的吸附能力。納米吸附材料的工作原理主要基于物理吸附和化學吸附。物理吸附是由于材料表面的范德華力，使得污染物分子吸附到材料表面；而化學吸附則是通過材料表面的化學鍵與污染物分子結合，形成穩定的化學鍵。技術優勢包括：第一，高效吸附：由于納米材料的高比表面積和多孔結構，它們可以高效地吸附水中的污染物［3］。第二，選擇性吸附：某些納米材料可以針對特定的污染物進行選擇性吸附，從而提高處理效率。局限性主要有：一是某些納米吸附材料的再生可能需要復雜的步驟或高能量的輸入；二是在水處理過程中，可能會有一些納米材料損失，這可能會增加處理成本；三是納米材料的環境影響仍然是研究的焦點，需要確保這些材料不會對生態系統造成負面影響。

（2）納米光催化：利用納米尺度的光催化劑，如二氧化鈦，分解有機物和殺死微生物。其工作原理主要是在紫外光的激發下，TiO2產生自由基，這些自由基具有很高的氧化能力，可以氧化分解有機物，同時具有殺菌效果。但這種技術也有局限性，如對光源的依賴性，以及對某些難降解有機物的處理效率不高。

（3）納米過濾膜：是一種基于膜分離原理的水處理技術。這種膜具有特定的納米孔徑，可以有效地分離和去除微污染物和病毒。與傳統的微濾和超濾膜相比，納米過濾膜具有更小的孔徑，因此可以去除更小的污染物［4］。其工作原理是利用膜上的納米孔隙對水中的污染物進行物理篩選。此外，某些納米過濾膜還具有特定的表面化學性質，可以通過吸附作用去除特定的污染物。但這種技術也存在一些挑戰，如膜的堵塞和污染、膜的壽命和耐用性等。

3 給水分配的傳統方法

給水分配是確保供水系統中的水能夠有效、安全地傳輸到各個用戶的關鍵環節。以下是給水分配的傳統方法及其挑戰。

3.1 傳統的水分配系統

（1）重力供水系統：這是最古老和最常見的供水系統，利用水塔或水庫的高度差來為下游用戶提供水。水通過管道流動，受到地形和重力的驅動［5］。

（2）泵送供水系統：在這種系統中，泵被用來提高水的壓力，從而將水輸送到所需的地方，尤其是在地形較為平坦或需要跨越大的高度差的地方。

（3）分區供水：為了更好地管理供水和減少壓力波動，供水系統通常被劃分為多個分區或區域，每個區域都有自己的供水和壓力管理系統。

3.2 分配系統的挑戰

（1）老化的基礎設施：許多城市的供水系統已經使用了數十年，可能出現磨損、泄漏和破裂的問題。

（2）壓力管理：確保整個供水系統中的壓力恒定是一個挑戰，尤其是在需求波動時。

（3）水質問題：在分配過程中，水可能會受到二次污染，如管道腐蝕導致的金屬污染。

（4）能源消耗：泵送供水系統需要消耗大量的能源，尤其是在需要跨越大的高度差或長距離輸送水時。

（5）應急響應：在突發事件（如管道破裂或污染事件）時，快速、有效地響應和恢復供水是一個挑戰。

4 新興技術在給水分配中的應用

隨著技術的進步，新興技術為給水分配帶來了創新的解決方案，提高了分配效率并確保了水的安全供應。以下是一些在給水分配中應用的新興技術。

4.1 智能水網與物聯網技術

（1）傳感器技術：傳感器技術基于微電子和通信技術，能夠實時檢測和傳輸供水網絡中的關鍵參數。例如，水質傳感器可以通過電化學或光學方法檢測水中的化學物質和微生物。它具有實時監測，能夠即時檢測供水網絡中的異常情況，如水質惡化或壓力突變。以及在檢測到超出預設范圍的參數時，可以自動發送警報，從而實現快速響應的技術優勢。同時也存在傳感器可能會受到污染或損壞，需要定期維護和校準以及在某些條件下，傳感器的讀數可能會受到干擾，影響數據的準確性等局限。

（2）遠程控制：通過物聯網技術，各種設備如泵、閥門等都與中央控制系統連接，允許運營商遠程操作和調整設備設置［6］。其具有的技術優勢包括：允許運營商根據實時數據和需求迅速調整供水策略以及通過自動化的控制系統可以減少人工操作的錯誤和成本。但是也存在以下局限：一是如果通信鏈路出現問題，可能會影響遠程控制的效果；二是需要確保系統的安全性，防止未經授權的訪問和操作。

（3）數據分析與預測：通過使用先進的數據分析算法和機器學習技術，對收集的大量數據進行處理，從而提取有用的信息和趨勢［7］。它能夠預測潛在的問題，如供水短缺或設備故障。并且基于數據分析的結果，可以調整供水策略，提高效率和節約成本。但也具有如下局限：一是分析的準確性取決于數據的質量和完整性；二是需要專業知識來理解和應用數據分析的結果。

（4）智能計量：智能水表使用傳感器和通信技術實時監測和傳輸用戶的用水數據。它能夠減少人為讀數錯誤，提供更準確的計費數據。同時通過提供實時數據，幫助用戶了解和管理他們的水使用習慣。但更換傳統水表為智能水表需要一定的投資并且需要確保用戶數據的安全性和隱私性。

4.2 高效的水資源管理系統

（1）需求響應策略：通過與用戶合作，運營商可以在需求高峰期調整供水，從而減少系統的壓力。

（2）集成水資源管理：這是一個綜合考慮所有水資源（如地下水、 表面水和再生水）的方法，以確保供水的可持續性和安全性。

（3）自動化與優化：通過使用先進的算法和軟件工具，可以自動化供水過程，并實時優化供水策略，以提高效率和減少能源消耗。

（4）綠色基礎設施：如雨水收集和滲透設施，可以增加供水的可靠性并減少對傳統水源的依賴。

5 案例分析

5.1 新加坡的智能水管理系統

新加坡，作為一個島國，面臨著嚴重的水資源短缺問題。新加坡為了更有效地管理其有限的水資源，已經在多個住宅和商業區域部署了智能水表系統。這些水表可以實時監測水的使用情況，并通過無線技術將數據發送到中央數據庫。在部署過程中，新加坡面臨了多種技術和非技術挑戰，包括如何確保數據的準確性和安全性，如何處理大量的實時數據，以及如何確保所有用戶都能夠理解和利用這些數據。盡管存在挑戰，但智能水表系統已經幫助新加坡實現了更高效的水資源管理。例如，通過實時監測，當檢測到異常的水使用模式時，系統可以立即通知用戶，從而幫助減少浪費和提高水的使用效率。

5.2 以色列的海水淡化技術

以色列是一個水資源非常有限的國家，為了滿足其日益增長的飲用水需求，該國已經建立了多個海水淡化設施，這些設施使用反滲透技術將海水轉化為淡水。海水淡化技術需要大量的能源，這增加了水的成本。此外，淡化過程還會產生大量的鹽渣，如何處理這些鹽渣成為了一個環境問題。盡管存在這些挑戰，但海水淡化技術已經為以色列提供了大量的飲用水。事實上，現在淡化水已經占據了該國飲用水的大部分。

5.3 加利福尼亞的智能灌溉系統

加利福尼亞是美國的一個農業大州，但近年來經常遭受干旱。為了更有效地使用有限的水資源，許多農場已經采用了智能灌溉系統。這些系統可以根據土壤的濕度和天氣預報自動調整灌溉量。雖然面臨著智能灌溉系統的部署和維護需要一定的資金投入，以及農民需要培訓以正確使用和維護這些系統等挑戰，但使用智能灌溉系統的農場已經實現了顯著的水資源節約。根據一些估計，這些系統可以幫助農場減少20%到30%的水使用。

6 結語

隨著全球水資源的日益緊張，尋找和開發高效、可持續的水處理技術已成為當務之急。本文深入探討了當前的先進水處理以及水分配技術，包括膜過濾技術、生物活性炭過濾、生物技術及納米技術在水處理中的應用以及智能水網與物聯網技術、水資源管理系統在水分配中的應用。這些技術不僅能夠有效地去除水中的有機物、重金屬和微生物，提高水處理的效率和減少運營成本，還能提高水分配中的分配效率，從而確保水的安全供應。然而，每種技術都有其優勢和局限性，選擇合適的技術需要根據具體的水質、處理需求和經濟考慮。未來，隨著技術的進一步發展和創新，我們期望出現更多的高效、經濟和環保的水處理技術，確保全球的水資源得到有效和可持續的利用。

參考文獻：

［1］王小云.污水處理沉淀及過濾技術［J］.中國高新科技，2021（8）：39-40.

［2］劉超，李耿賢，劉航，等.生物過濾飲用水深度處理：機遇與挑戰［J］.環境科學學報，2020，40（12）：4240-4248.

［3］郭東麗，趙志遠，尤世界，等.納米限域催化劑在高級氧化水處理中的應用研究進展［J］.材料導報，2022，36（20）：17-23.

［4］方艷青，嚴婕，胡蝶，等.MXene復合膜的制備及其水處理應用綜述［J］.資源節約與環保，2022（12）：119-122.

［5］朱晨，喻彤，劉峰，等.吸附超濾膜的研究進展［J］.應用化工，2023，52（1）：238-242.

［6］方振煒.重力供水系統在非洲城市供水工程設計中的應用［J］.給水排水，2020，56（8）：15-18.

［7］郭露，陳偉雄，沈玉東，等.基于物聯網的生態型農村污水處理設施研究及應用［J］.中國給水排水，2020，36（10）：95-100.

作者簡介：馮偉（1988—），男，漢族，山西太原人，碩士研究生，工程師。研究方向：給排水工程研究。