水务一线 |【收藏】生产运行需要了解的自来水常规处理工艺

任何可以改善原水质量以满足用于饮用、灌溉、工业使用和许多其他使用需要的水处理过程都是水处理的范畴。水处理包括常规处理和深度处理两种分类。常规水处理工艺是传统的、久经历史考验的物理和化学工艺，能够用于改善从源头到龙头的饮用水水质。为了保护公众健康，这些工艺和水处理技术是根据美国环境保护署（EPA）的国家一级饮用水条例要求，能够去除各种饮用水污染物。

水厂生产运行人员需要管理、维护、维修水厂设施和输配系统。但为了顺利履行职责，水厂生产运行人员必须很好的判断和理解基本的原因。本文为新入行的生产运行人员和那些正在考虑加入水行业的人提供了常规处理工艺的基本概述（图1），并为具有经验的生产运行人员提供了对基本概念的回顾。对生产运行人员来说，了解深度处理工艺也正在变得至关重要，因为许多水务公司开始使用深度处理，另一篇侧重于介绍深度处理的文章同样将在“净水技术”微信订阅号以及《对标国际·供排水实践进展》提供阅读。

图1 常规水处理工艺路线

*常规处理工艺几乎可以有效地去除任何范围的原水浊度

在进入水处理工艺前，从地下或者地表获取的水都被称为原水。不同来源的原水水质特征各不相同（水务一线 |【收藏】生产运行需要了解的水源水基本知识【点击跳转阅读】）。每一个不同的地下蓄水层或地表水源的水质以及化学性质都不相同，这将决定这些原水应该选择怎么样类型的水处理工艺。

地下水原水通常通过水井取水，通常非常清澈和干净，甚至于唯一需要的处理工艺就是添加氯消毒剂。所有的原水，不管从哪里取水，都需要在进入输配系统之前进行消毒。然而有时候，地下水可能需要额外的处理工艺来提升并不理想的感官问题，比如味、嗅或色。

地表水可以从湖泊、河流、水库，或者海洋中获取。同样的，原水的水质特性取决于它的来源，也会决定后续需要经过什么类型的处理工艺。一些原水的pH值偏低所以需要在水厂中调节pH值。另外一些原水可能盐度比较高，需要深度的膜处理工艺来去除盐分。最最基本的是，地表水原水都需要水处理工艺帮助去除固体物质，必须通过各种形式的过滤工艺和化学消毒工艺才可以进入输配系统。

原水可以储存或蓄积在水库、管渠或洼地中。这是为了确保了足够的原水供应量，可以随时通过处理变成饮用水。当地表水从水源地（湖泊、河流等）抽出时，立即用强氧化剂进行处理并开始消毒过程。病原体，如有害细菌和病毒，是该预消毒工艺的目标。一些更常见的用于预消毒的氧化剂是氯气（Cl₂）、二氧化氯（ClO₂）或臭氧（O₃）。当水进入水厂时，加入这些预消毒剂或氧化剂即开始水处理过程。

供水企业可以出于以下考虑对不同的原水进行混合后使用：

一旦原水进入了水厂，那第一道水处理工序就是澄清。这一步的主要目的是通过去除大部分原水中悬浮的固体，来达到让水清澈的目的。这道工艺的另一种说法是沉淀。通过投加化学药剂，让悬浮固体集聚在一些较大的颗粒上形成混凝的絮体然后得以去除。这些较大、较重的絮体物质会沉降到澄清池的底部。澄清工艺中的各个步骤被称为混凝、絮凝和沉淀，它们可以在一个处理构筑物中进行，也可能发生在不同的构筑物里，这取决于水厂的设计形式。

原水中的悬浮固体通常带有负电荷，因此化学混凝剂一般都含有正价金属离子，例如硫酸铁、氯化铁，或硫酸铝，也就是俗称的明矾。混凝剂被投加到澄清池中快速混合的区域，带正电的混凝剂和水中带负电的悬浮固体连接中和。在这个连接中和的过程中，原水的化学性质变得不稳定，悬浮固体与已混凝形成的物质结合形成絮体，这些絮体越来越大，并且越来越重，开始向澄清池的底部沉降。沉淀下来的絮体被清除出澄清池，并被转移到污泥处理工艺中，在随后的章节中会进行论述。

澄清工艺将原水中的悬浮固体混凝沉淀后去除，澄清后的水从澄清池的上部流出。澄清后的水从澄清池上部的出水堰流出，然后继续进入后续的处理工艺。当一个新的运营人员在实习时，应该学习如何在澄清池的人行通道上观察池体内絮体生成的情况。如果池体内没有肉眼可见的絮体，就说明混凝过程失效了，必须对工艺进行调整（照片1）。

照片1 不够充分的快速混合、不够量的混凝剂投加浓度，或不当的絮凝过程，都是无法形成絮体的原因

*图中，左边的烧杯显示了良好的絮凝形成效果，右边的烧杯则是不佳的絮凝表现

在澄清工艺之后，过滤是下一步的水处理工艺环节。这个环节将从化学处理转向物理处理。许多水厂的滤池都是露天的，因为风的吹动可以让水中的絮体进一步凝结起来。

两种最主要的常规滤池形式是砂滤池和混合填料滤池（砂和无烟煤，照片2）。两种形式滤池的运行是相似的：水流入并依靠重力通过滤池，水中的絮体都被截留在滤床填料中而水可以通过滤池。滤池的出水浑浊度非常低，表明大多数病原体（隐孢子虫、贾第虫等）已经被去除。美国环保总署的地表水处理规程要求以地表水或受地表水影响的地下水为原水的供水系统必须使用常规处理或直接过滤的方式来过滤水。在整个处理工艺流程中，水的浑浊度都不能高于1NTU，而且一个月内，最低95%的水样的浑浊度都应小于等于0.3NTU。过滤工艺配合消毒工艺（在下一节中讨论），能够确保水处理工艺对病原体的去除。

澄清和过滤过程产生的污泥，是由澄清过程中的沉淀物和滤池在过滤过程中积累的固体组成。如果允许污泥长期在沉淀池中堆积，它可能导致沉淀过程中出现一系列问题，并影响出水水质。

积累的固体，被称为剩余污泥，堆积在沉淀池的底部，必须定期清除。这一清除污泥的过程，即排除剩余污泥的过程，排除剩余污泥这一有机和无机固体的混合物，能减少其对水质造成干扰的机会。其中有机固体可为水中的细菌提供营养来源，使其繁殖生长。当这些细菌消耗吸收这些有机物时，会在堆积在底部的剩余污泥中释放气体，让污泥具有浮力并最终破裂，成片地漂浮到沉淀池的表面。

如果固体物质重新在池体中变成悬浮状态，就很容易从池体中溢出，让水重新变脏，而且也会导致滤池正常运行的时间缩短，反冲洗变得更加频繁。在极端情况下，污泥中的氧气完全被细菌消耗掉，污泥就可能厌氧腐坏。当这种情况发生时，厌氧细菌会茁壮成长，产生恶臭的气体，如臭鸡蛋气味的硫化氢（H₂S）。这种情况下，如果水流经这样的池体，就会给水带来异嗅味。

污泥从沉淀池中排出后必须进行处理，使用的方法有很多。污泥可能被直接泵入一个大的洼地，固体在底部沉淀和压实，水份可以通过蒸发去除掉。其他常见的处置方法包括将污泥送往污水处理厂，或使用带式压滤机或离心机从污泥中去除水分，然后将干燥的固体拖到垃圾填埋场。一个更可持续的污泥处理方法是将该材料作为土壤改良剂/调节剂，从而实现污泥的回收/再利用以达到有益的目的。

清水池有这样几个目的。一是为输配系统提供额外的储存能力，确保不论是水量充足的时期还是例如火灾消防等紧急需水的时间都能有足够的水量供给。二是清水池能够为消毒提供额外的反应时间，让消毒剂在水中拥有更长的化学反应时间，让病原体得到更好的去除。

在输配系统中拥有额外的储水容量，可以让水厂的运营人员能够更为平常简单地控制水厂出水的流量和压力。运营人员能够持续保持水厂的流量的均态，也有助于生产更稳定的水。因为水厂流量的频繁变化可能会扰乱水处理工艺的过程，并可能导致水质的波动。拥有额外的储水空间可以减少水厂出水流量的波动，但前提是必须适当控制好水在清水池中的停留时间。

水龄。最小化或优化输配系统中的水龄是非常重要的。通常情况下，运营人员会在用水需求最低的晚上将清水池装满，并在白天需水最高的时候使用清水池中的水。不管采用什么样的运营方案，运营人员都会让那个清水池的水位在上升和下降中反复，以保持输配系统中的水足够“新鲜”。但如果长期保持清水池装满水，而不让水位下降带来用水循环，则会迅速降低消毒剂的残留量，为微生物污染创造条件，包括硝化反应和生物膜的产生。这些情况可能导致健康问题，和/或违反当地、州或联邦的水质标准。

硝化作用。硝化作用是氨被氧化的过程。对于使用氯胺作为消毒剂的处理该工艺，随着水在输配系统中的水龄延长，发生的硝化反应可能会成为问题。氯胺会随着时间的推移而逐渐降解，氨的浓度会随着解离的发生而上升。然后，氨可作为某些微生物的食物来源，随着硝化作用的进行，会导致水质的整体下降（表1）。当微生物对氨进行代谢时，会产生亚硝酸盐（NO₂^-），然后进一步代谢并转化为硝酸盐（NO₃^-）。硝酸盐不容易降解，会在输配系统中堆积，造成水质问题，并对健康造成有害影响。所以应当监测的水质参数，包括pH值、温度、碱度、氯胺、NH₃、NO₂^-和NO₃^-等，以便当检测到硝化反应发生时可以采取行动。

表1 发生硝化反应的原因，随着硝化反应的发生，水质相应变差