生活饮用水的水质处理

四、生活饮用水的水质处理

水源水质特别是地面水往往不能达到生活饮用水卫生要求，饮用前必须加以净化处理。净化的目的是除去水中的悬浮物、胶体物质和病原体等。如果源水有臭、有味，或含有过量的铁、锰、氟等时，还必须进行特殊处理后才可作为饮用水。常规的给水净化工艺过程包括混凝沉淀、过滤和消毒。

（一）混凝沉淀

天然水中常含有多种悬浮颗粒和胶体物质，特别是胶体颗粒难以自然下沉，因此需加混凝剂进行混凝沉淀（coagulative precipitation）。

1．原理　水源水中含有的悬浮物质和胶体颗粒，本身难以自然沉淀，尤其胶体颗粒带有负电荷，互相排斥更难下沉。投加金属盐类混凝剂后经水解形成带有正电荷的胶体粒子，能与带有负电荷的胶体粒子相互吸引，发生电荷中和作用，凝聚成体积大的矾花；一些高分子混凝剂和金属盐类混凝剂在水中形成线型结构高聚物，具有较强的吸附能力，随着吸附微粒的增多，高聚物弯曲变形，或成网状，从而起到架桥作用。相互吸附凝聚的颗粒，逐渐形成粗大的絮凝体（矾花），可吸附水中悬浮物、细菌和溶解性物质，体积与重量逐渐增大而下沉，在下沉过程中又可携带一部分上述物质。

2．混凝剂与助凝剂　常用混凝剂可简单地分为两类：一类为金属盐类，常用的有硫酸铝、明矾、三氯化铁及硫酸亚铁。另一类为高分子化合物，主要有聚合氯化铝和聚丙烯酰胺。

助凝剂的作用一是调节或改善混凝条件，如原水碱度不足，可加石灰；二是改善絮凝体结构，如铝盐产生的絮凝体细小而松散时，可用聚丙烯酰胺或活性硅酸等助凝。

3．影响混凝沉淀效果的因素　影响因素主要有：①水中颗粒物的性质和含量；②水中荷电的溶解性有机物和离子的成分及其含量；③水温；④水的pH和碱度；⑤混凝剂的品种、质量和用量；⑥混凝剂的投加法、搅拌强度和反应时间。由于影响因素多，故确定水源以后，需要通过混凝试验确定选择混凝剂品种、最佳pH和投药量。

（二）过滤

过滤（filtration）是指浑水通过石英砂等滤料层以截留水中悬浮杂质和微生物等过程。过滤的功效有三方面：①使滤后水质浑浊度达到生活饮用水水质要求。②水经过滤后，除去水中大部分病原体，如致病菌、病毒以及寄生原虫和蠕虫等。特别是阿米巴包囊和隐孢子虫卵囊，它们对消毒剂的抵抗力很强，主要靠过滤去除。③水经过滤后，残留的微生物失去了悬浮物的保护作用，为滤后消毒创造了条件。因此在以地面水或直接受地面水影响的地下水为水源时，有时可以省去沉淀或澄清，但过滤是不可缺少的。

1．原理　一是筛除作用：水通过滤料时，比滤层孔隙大的颗粒被截留，随后滤层孔隙逐渐变小，较小的颗粒也被截留；二是接触凝聚作用：未被沉淀作用去除的细小絮凝体或脱稳颗粒，因与滤料接触而被吸附，滤料吸附絮凝体后，形成生物膜，其吸附作用进一步增强。

滤池工作周期可分三期：①成熟期：此时滤料清洁，过滤效果较差，需降低滤速或实行初滤排水；②过滤期：此时滤料表面已吸附了一层絮凝体或已经形成生物膜，净水效果较好；③清洗期：在过滤过程中，滤层孔隙不断减少，水流阻力越来越大，产水量变小，需要停止过滤进行清洗。

2．滤料的卫生要求　①滤料本身化学性质要稳定，长期浸泡不应溶解出有毒、有害物质，同时也不与水中化学物质结合而产生有毒物质；②滤料本身不能被微生物利用和分解；③滤料要有良好的机械强度，使用时不被磨损和碎裂；④滤料颗粒粒度要均匀，有一定的级配和适当的孔隙率。

3．影响过滤效果的因素　①滤层的厚度和滤料粒径大小。②滤速：根据滤层性质而定。③水质的质量：浑浊度、有机物含量、色度、藻类等含量的多少。④滤池的类型：慢滤池除去微生物的效果在99%以上，而快滤池的效果有时在90%以下。

（三）消毒

饮用水消毒（disinfection）在防止介水传染病的传播和流行上具有重要意义。通常的净水处理虽然能去除大部分微生物，但大都难以使水质符合细菌学要求，为保证饮用水在流行病学上的安全性，必须消毒。某些地下水可不经净化处理，但通常仍需消毒。

饮水消毒方法可分为两类：即物理消毒法和化学消毒法。前者如煮沸、紫外线、超声波等消毒方法；后者如用液氯、二氧化氯、臭氧、过氧化物等进行消毒。其中应用最广的是氯化消毒。

在选择饮水消毒剂时，应考虑以下因素：①杀灭病原体的效果。②控制和检测的难易。③剩余消毒剂的有无。④对水质感官性状的影响。⑤消毒剂及消毒副产物对健康的影响以及预防或消除的可能性。⑥经济和技术上的可行性。

氯化消毒是指应用液氯或氯制剂进行饮水消毒。含氯化合物中氯的化合价数大于－1者，均为有效氯，具有杀菌作用。刚出厂的漂白粉和漂白粉精含有效氯分别是25%～30%和60%～70%，随着储存时间的延长，有效氯会逐渐降低。

氯在常温下为黄绿色气体，具强烈刺激性及特殊臭味，氧化能力很强。在608．0～810．6kPa（6～8个大气压）下，可变成液态氯，体积缩小457倍。液氯常用于集中式给水消毒；漂白粉［Ca（OCl）Cl］和漂白粉精［Ca（ClO）₂］多用于水井或自备水源井的消毒。

1．氯化消毒的原理

Cl₂＋H₂O ─→HOCl＋H^＋＋Cl ^－

HOCl ─→H^＋＋OCl^－

2Ca（OCl）Cl＋2H₂O ─→Ca（OH）₂＋2HOCl＋CaCl₂

Ca（OCl）₂＋2H₂O ─→Ca（OH）₂＋2HOCl

无论是液氯还是氯的化合物，在水中都能形成体积小、电荷为中性的次氯酸，它是一种强氧化剂，能损害细胞膜，使其通透性增加，导致细胞内蛋白质、RNA、DNA等物质漏出，并能干扰多种酶系统（特别是能氧化磷酸葡萄糖脱氢酶中的巯基，使糖代谢受阻），从而使细菌死亡。氯对病毒的作用，主要是作用于病毒的核酸而使病毒产生致死性损害。

2．影响氯化消毒效果的因素

（1）加氯量和接触时间：实验表明，要保证氯化消毒的效果，必须向水中加入足够的消毒剂，并有充分的接触时间。冬季不低于60分钟，夏季不低于0．5小时。需氯量是指氧化1L水中的有机物、还原性无机物和灭菌以及完成某些氯化反应等所消耗的有效氯量。余氯是指加氯消毒接触一定时间后，水中剩余的有效氯。包括游离性余氯和化合性余氯。游离性余氯即HOCl，OCl^－；化合性余氯是指一氯胺（NH₂Cl）和二氯胺（NHCl₂）。水中余氯限量值与余氯性质有关，如是游离性余氯，则要求常温下接触30分钟后，余氯有0．3～0．5mg／L；若为化合性余氯，则要求在接触1～2小时后，余氯不低于1～2mg／L。游离性余氯在0．3mg／L以上时，对肠道致病菌（如伤寒杆菌、痢疾杆菌等）、钩端螺旋体、布氏杆菌等均有杀灭作用。游离性余氯的嗅觉和味觉阈为0．2～0．5mg／L，慢性毒性阈剂量为2．5mg／L，故规定用氯消毒时冬季接触60分钟，夏季接触30分钟，游离性余氯不低于0．3mg／L。末梢水中不应低于0．05mg／L。如果出厂水余氯正常，末梢水中未检出，提示有二次污染。

加氯量是加氯消毒时投加的有效氯量，为需氯量与余氯量之和。加氯量与余氯的关系详见图2－2和图2－3。水中无氨的情况下，余氯为游离性的；在水中有氨的情况下，首先形成结合性余氯，随着加氯量的增多，结合性余氯被分解，直到折点（D），再继续向水中投加氯，所形成的是游离性余氯。

图2－2　水中无氨时加氯量与余氯的关系

图2－3　水中有氨时加氯量与余氯的关系

（2）水的pH：次氯酸是弱电解质，在水中次氯酸（HOCl）和次氯酸根（OCl^－）的多少与水的pH有关。pH＜5．0时，主要以次氯酸的形式存在，随着pH的增高，次氯酸解离成次氯酸根逐渐增多；当pH＝7．5时，次氯酸与次氯酸根大致相等；pH＞9时，OCl^－接近100%。根据对大肠杆菌实验，次氯酸的杀菌效率比次氯酸根高80多倍，因此，氯化消毒时，水的pH不宜太高。

（3）水温：水温高，杀菌效果好，水温每提高10℃，杀灭病菌率可提高2～3倍。

（4）水的浑浊度：悬浮颗粒可吸附微生物，使之凝集成团，使消毒剂难以作用于微生物，降低消毒效果。因此，消毒前应先进行混凝和过滤处理，尽量降低水的浑浊度。

（5）水中微生物的种类和数量：不同微生物对氯的耐受性不尽相同。一般来说，大肠杆菌抵抗力较低，病毒次之，原虫包囊抵抗力最强。如果水中微生物过多，则消毒后就难以达到卫生标准的要求。

3．常用的氯化消毒方法

（1）普通氯化消毒：当水的浊度低，有机物污染轻，且基本无酚类物质时，加入适量的氯，接触30分钟就可达到消毒目的。该方法所需时间短，效果可靠，水中的余氯主要是游离性余氯（HOCl，OCl^－）。缺点是源水是地面水，消毒后会产生三卤甲烷等氯化消毒副产物。所以，加氯消毒前一定要净化处理，消除有机前体物的含量。

（2）氯铵消毒法：在水中先加入氨（硫酸铵、氯化铵），然后再加氯，氨与氯的比一般为1∶3～1∶6为宜。本方法的优点是减少三卤甲烷的生成；先加氨后加氯防止了氯酚臭；化合性余氯稳定，在管网中持续时间长。缺点是接触时间长，费用较贵，操作复杂，对杀灭病毒效果较差。

（3）折点氯化法：是指加氯量超过折点的一种消毒法。优点是消毒效果可靠；能明显降低铁、锰、酚和有机物含量，因而有除臭、去色的作用。缺点是耗氯量高；需事先求出折点加氯量，且有时折点不明显；会增加氯化副产物。

（4）过量氯消毒法：当有机物污染严重时，或在野外工作，或发生意外事故，需短时间内达到消毒目的时，可加过量氯于水中，使余氯量达到1～5mg／L。消毒后的水，可用亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或活性炭脱氯。

4．其他消毒方法

（1）二氧化氯消毒：ClO₂在常温下为橙黄色气体，易溶于水，但不与水起化学反应，在水中极易挥发，当空气中ClO₂浓度大于10%或水中浓度大于30%时，具有爆炸性。在碱性溶液中，ClO₂可发生歧化反应。二氧化氯是效果很好的饮水消毒剂，杀菌作用比液氯好，对细菌、病毒、真菌孢子的杀灭性都很强。优点：①可减少水中三卤甲烷等氯化副产物的形成。②当水中含氨时，氧化消毒作用的强度不变。③杀灭水中病原体效果不受pH影响。④消毒后余氯稳定持久。⑤可去除水中的异色和异味，不形成氯酚臭。⑥有较强的除铁、锰作用。缺点：①ClO₂有爆炸性，必须现场制备，立即使用。②工序复杂，成本高。③ClO₂的歧化物对动物可引起溶血性贫血和变性血红蛋白症等。

（2）臭氧消毒：O₃是强氧化剂，在水中的溶解度比氧大13倍。其性质极不稳定，消毒时需要临时制备，立即使用。投加量一般不大于1mg／L，要求接触时间为10～15分钟，剩余臭氧为0．4mg／L。其优点是效果比ClO₂和Cl₂好；用量少；接触时间短；能去除水的色、臭、味和铁、锰、酚等；不产生三卤甲烷；不受水的感官性状影响；用于前处理可加强絮凝作用，减低混凝剂的用量。缺点是投资大，费用高；水中的臭氧不稳定，控制和检测需要较高的技术；对管道有腐蚀作用，故出厂水不含O₃，无持续杀菌作用，需要第二消毒剂；与铁、锰、有机物等反应形成微絮凝物，增加水的浑浊度。

（3）紫外线消毒：波长200～295nm的紫外线具有杀菌能力。其中波长为254nm者杀菌能力最强。优点是接触时间短、效率高、不影响水的臭和味。缺点是消毒后无持续杀菌作用；每支灯管处理水量有限，成本较高。

（4）煮沸消毒：这是最常用的消毒方法之一，其消毒效果可靠，对一般肠道传染病的病原体和寄生虫卵，经煮沸3～5分钟后均可全部杀灭，因此为预防肠道传染病的介水传播，应大力提倡喝开水。

（5）碘消毒：用于小规模一时性的饮水消毒和战时军用水壶消毒。优点是效果可靠，使用方便，一般接触10～15分钟即可引用。缺点是价格较贵，消毒后水呈淡黄色。

（许爱芹）