生产运行需要了解的自来水深度处理工艺

针对溶解性物质的气浮工艺（DAF）是一种针对性的处理工艺，它 利用微气泡将颗粒物漂浮到反应器的表面 。这种从液体中分离固体的过程与传统的重力分离不同，它的主要改进是利用扩散空气的浮选作用，在工艺过程中，水或废水处理器内的空气扩散器将气泡分布扩散到水体中，将颗粒或油脂浮到表面，同时将氧气引入水中，或从水中去除不需要的溶解性气体。

在气浮工艺（DAF）中， 空气-水饱和扩散器 作为气体扩散的来源。压缩空气被注入一个封闭的水容器中，增加的压力将空气溶解到水中。然后，含有饱和空气的水被通过扩散器从反应器的底部释放。在扩散器中，溶液里保持着压力的气体被释放，形成数十亿的微气泡，将藻类和其他轻质的固体托浮到水面。有一个除渣器不断地清除表面积累的物质，并将其引导到一个排泥通道。然后，澄清的水从反应器中流出，继续通过水厂的后续工艺进行进一步处理（图1）。    

 

图1 ：气浮

*气浮包括一个产生气泡的过程，气泡会附着在固体颗粒上，使它们上升到液体表面而不是沉降到底部。在液体的表面，澄清池中的微囊藻菌落（左）被气浮工艺和除渣器（右）去除。

地表水处理厂可以使用气浮工艺从湖泊原水中分离藻类， 该工艺过程有几个好处 ： 首先 ，它可以去除胶体状的有机物，减少生成消毒副产品（DBPs）的可能性，如三卤甲烷等； 其次 ，它可以在蓝藻被水厂工艺杀灭破坏之前先将其去除掉，从而减少蓝藻毒素释放的可能性； 最后也是最显著的是 ，它可以减少与藻类有关的嗅和味（T&O），而且是通过分离而非通过杀灭破坏藻类细胞来实现的，可以有效防止藻类细胞死亡时细胞内化合物的释放。

 

图2 ：膜过滤去除颗粒的大小和操作压力范围

*多种膜材料和膜过滤平台可用于处理大多数的原水，并可以保证较长的使用寿命。

在膜过滤的过程中，通过泵加压的水通过膜，将渗透液（过滤后的水）与浓缩物（含有浓缩固体的过滤废液）分离开。在实施膜过滤时， 必须要考虑浓缩物废液如何处理 ，因为废液中含有浓缩的盐和其他的污染物。 运行成本 也是一个需要考虑的因素，会随着膜孔径的减小而增加，因为需要更多的能量来产生运行所需的压力。因此，传统的颗粒介质过滤工艺往往拥有更高的流速，但流速会随着膜过滤的孔径的减小而减缓。随着运行时间的持续，随着膜的老化，还需要大量的成本投资来更换膜。

常规的需要通过对原水加压来实现的膜过滤过程包括 微滤（MF） 、 超滤（UF） 、 纳滤（NF） 和 反渗透（RO） 。

图3：反渗透（RO）膜系统，如德克萨斯州威奇托福尔斯市的赛普拉斯水处理厂的RO工艺，基本上可以去除所有有机和无机物。

微滤 使用具有 0.1微米孔径 的膜，可以 去除原生动物和细菌 。 超滤 使用 孔径为0.01微米 的膜，可以 去除病毒 。微滤和超滤都能去除悬浮颗粒，而纳滤和反渗透可以去除溶解性的成分。如果原水中的悬浮物含量低，微滤和超滤可以在澄清工艺后使用，或直接代替澄清工艺。

混凝剂可用于过滤该工艺的前序工艺，使有机物吸附在澄清池中沉淀的固体上，及后续通过微滤或超滤膜进行分离。与传统过滤一样，微滤和超滤系统必须定期进行反冲洗，或在过滤性能明显下降时，用反向的压力水和/或空气进行反冲洗。此外，必须定期将膜浸泡于清洁溶液中，这取决于膜材料和具体的应用场景。必须根据膜制造商的建议，定期开展原位的清洗程序，去除多余的颗粒物堆积，并对膜进行消毒。    

 

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德克萨斯州韦科市几十年来一直疲于应对客户投诉的 嗅和味（T&O）问题 。北博斯克流域的降雨径流，使韦科湖受到从北博斯克河流入的磷和氮等营养物质过度富集的水的严重影响，形成了有利于藻类生长的条件。一些种类的藻类容易产生如土臭素和二甲基异莰醇之类的致嗅物质，而且还会随着藻类的大量繁殖而更为严重。 传统的处理工艺无法去除这些致嗅化合物 ，从而导致了客户的不断投诉。

该市决定在韦科湖大坝下建立一个气浮工艺（DAF）水厂，在预消毒前将藻类先通过气浮分离出来。该厂在气浮工艺之后进行臭氧处理，以破坏原水中所有致嗅化合物。气浮和臭氧组成的预消毒段有效减少了水厂消毒剂的投加需求，降低了系统的化学药剂成本。    

颗粒活性碳（GAC）过滤是一个比传统过滤更有针对性的吸附过程 （即由水中的颗粒物形成薄膜状粘附在过滤介质的外表面）。GAC滤池是在一个固定床或后置式的接触滤池中，填充热加工或化学加工处理的有机介质（木材、椰壳、煤和泥炭）。它们的 运行方式 是在水通过过滤介质时，污染物质被过滤介质吸附，使液相中的污染物通过粘附在过滤介质表面转移到固相中。 GAC过滤可用于 去除高分子量的有机污染物 ，如致嗅化合物，但对去除微生物、重金属或离子并不十分有效。

和传统的滤池一样，GAC滤池也可以作为生物滤池来使用，可以去除普通GAC滤池无法去除的金属和其他有机污染物（例如致嗅化合物和消毒副产物）。这是通过在过滤介质表面形成的生物膜来实现的，生物膜通过微生物的代谢活动转化和/或去除化合物。所以与传统滤池相比，GAC滤池的优势在于可以去除传统滤池无法去除通过的污染物。然而，GAC介质更昂贵，而且随着运行时间的推移，必须通过再生或更换介质滤料以保持吸附能力，这是一个占比很大的运行成本，必须在决定使用GAC滤池时就要考虑进去。在许多情况下，在常规的过滤后，作为“抛光”作用布置一个后置的GAC接触池可以成为去除有机物的一个更有成本效益的选择。    

离子交换（IX）是一种在处理工艺中需要去除低浓度离子时使用到的化学工艺过程 。IX可用于去除阳离子（带正电的离子，如钠、铁、铅和钙）或阴离子（带负电的离子，如硝酸盐、硫酸盐和氯）。在IX处理过程中，让水通过吸附有某种饱和离子的树脂床，水中希望被去除的离子通过与树脂上的离子交换，达到被去除的目的。

例如，含有较高钙和镁离子的硬水可以通过含有氢离子或氯离子的IX树脂床。当氢离子或氯离子被释放时，钙和镁离子被粘附在树脂，通过这个工艺所生产的水比较软，虽然会含有少量的氢离子或氯离子，但相对钙和镁而言不那么“令人讨厌”（图6）。随着运行时间的推移，树脂床的性能会随着离子交换的发生而退化，树脂需要用盐水或酸/碱进行再生。这就产生了一个必须妥善处理的废水。所以当需要处理去除少量的污染物时，IX可能是一个很好的选择，但 随着运行时间的推移，成本会很高 。    

图6： 阳离子离子交换示意

*硬水通过交换钙镁离子变软。

臭氧（O ₃ ） 是一种通过放电或真空紫外线（UV）照射，由分子氧（O ₂ ）产生的高活性气体 。臭氧可以作为一种强大的氧化剂来氧化无机和有机化合物，也可以作为一种消毒剂来杀灭病毒、细菌和原生动物。

臭氧处理通常的目的包括去除 铁和锰 、去除 致嗅化合物 、 氧化硫化氢（H ₂ S） 、去除 色度 、 减少氯化消毒副产物 ，以及 消毒 。当与生物活性炭过滤（生物过滤）相结合时，臭氧可以去除约20%的总有机碳并减少氯化消毒副产物的生成潜力。众所周知，臭氧还能减少混凝剂的投加量，改善混凝-絮凝-沉淀过程。

臭氧可以氧化和破坏许多化学物质，包括许多药品和个人护理产品。然而，某些卤化（氟化、氯化、溴化和碘化）有机物不能被臭氧去除/破坏。此外，臭氧不与氨反应。需要通过添加过氧化氢（H ₂ O ₂ ）可以加强臭氧对有机物的氧化作用，这被称为O ₃ /H ₂ O ₂ 高级氧化过程（AOP）， 会在后面的章节中讨论 。

由于臭氧是一种很活泼的气体，它 不能被储存 ；它 必须在现场用臭氧发生器制备 （3a）。液态氧（3b）或氧气浓缩器被用来向臭氧发生器提供分子氧，干燥的环境空气也可以用作氧源。（注意：如果使用环境空气，臭氧气体浓度会低很多。空气中的氧含量约为21%）。一般的做法，臭氧投加是通过空气扩散器将臭氧气体注入水中。然而，文丘里喷射器（3c）和侧流泵在新的设施中经常被使用。根据水厂的具体处理目标，臭氧可以在快速混合前（前臭氧）、沉淀后（中间臭氧）和/或过滤后（后臭氧）时注入。    

 

臭氧与水中的溴化物（Br ^- ）发生反应，产生 溴酸盐（BrO ₃ ^- ） ，成为一种DBP。 溴酸盐是一种可疑的致癌物质 ，其在饮用水中的 最大污染物含量为0.010毫克/升 。因此，溴酸盐的监测和控制对于使用臭氧的饮用水处理设施至关重要。溴酸盐的形成可以通过降低臭氧剂量和pH值或添加H ₂ O ₂ 和氯胺来减少。

臭氧还会产生 羧酸、酮和醛 ，这些较小的有机物可以通过生物过滤有效地去除。尽管颗粒活性炭是臭氧生物过滤的常见颗粒介质，但沙子和无烟煤也可以作为有效的生物过滤介质。在某些前体物存在的情况下，臭氧也可能会生成亚硝胺。因为臭氧是一种有毒性的气体，所以需要安装环境臭氧监测器来检测臭氧系统周围的臭氧气体浓度。目前，职业安全与健康管理局对臭氧的允许接触浓度限值是每百万份空气中有0.1份臭氧（8小时的工作时间内的平均值）。臭氧破坏装置（3d）也被要求配备用来破坏来自臭氧接触器的所有废气。    

紫外系统被用于水处理已经有将近100多年了，并在过去的几十年里得到了普及。 紫外系统针对病原体（大肠杆菌、隐孢子虫、贾第虫、病毒等）通过灭活作用对水进行消毒 。在紫外线系统中，水通常首先被过滤以去除悬浮物，这会帮助增加了紫外线辐射的有效性。紫外线-C光子（200-280纳米波长）在紫外线灯中产生并进入水体。光子穿过微生物的细胞壁/膜，被蛋白质和核苷酸（DNA和RNA）吸收。核苷酸的吸收推动了光化学反应，改变了微生物的基因序列，使其失活，从而无法繁殖。

细菌和原生动物 对紫外线辐射的敏感度比病毒更甚，所以对病毒的灭活需要更高的剂量和/或更长的接触时间。为了达到4-log（99.99%）的灭活效果，剂量通常按UV254计算。紫外线消毒的一个缺点是它不像加氯/氯污染系统那样提供持续的残留消毒剂。紫外线系统通常在加氯系统之前安装，这样可以减少对氯的需求，只需要较低的氯剂量保持输配系统中保留一定的余氯即可。与臭氧工艺不同，紫外工艺的一个优点是在这个过程中不会形成消毒副产物，但在紫外工艺处理后再加入氯气时，也会 形成卤代甲烷等消毒副产物 。    

 

来源：原文出自AWWA的J Opflow，原文标题《Operators Need to Know Advanced Treatment Processes》。

作者： Hunter Adams , Steve Ash , Keisuke Ikehata , Mark Southard