水处理:我们的水处理技术的基本指南
水处理和水处理技术是清除污染物和细菌的重要防线，然后才将清洁的饮用水供应供消费。水源可能受到污染，因此需要适当处理，以清除致病因子。公共饮用水系统采用各种方法为社区提供安全饮用水。根据大洲、国家和地区的不同，可能会有不同的水处理系统在运行，这取决于区域法规和原水的输入。以下文章概述了水处理的基本原理和涉及的过程和技术。
水处理:模拟地球水循环
什么是水处理?
维持水处理以确保清洁供应以满足不断增长的全球人口一直是人类历史上持续面临的挑战。
由于水处理(包括监测和评估)方面的重大技术发展，世界各地可以供应和享受高质量的饮用水。复制地球的水循环，水在其中不断循环，处理使相同的水可以通过几个自然过程得到净化。
为了确保它们不构成健康风险，几乎所有的水源都需要在饮用前进行处理。许多处理系统旨在去除微生物污染和物理成分，包括悬浮固体(浊度)。在此之后，最后的消毒阶段几乎总是包括在处理过程的末尾，以帮助灭活任何剩余的微生物。如果添加持久性消毒剂，如氯，这也可以作为一个残余，以帮助防止生物再生在水储存或分配在更大的系统。
水处理包括几个阶段。这可以包括最初的预处理，通过沉淀或使用粗介质，过滤，然后氯化，称为多重屏障原理。后者可以进行有效的水处理，并允许每个阶段处理和准备水以适合下一个下游工艺的质量。例如，过滤可以准备水，以确保它是适合紫外线(紫外线)消毒。
根据进入水厂的水的质量和类型，处理方法可能有所不同。例如，地下水处理厂从地下水源(如含水层和泉水)中抽取水。与地表水相比，这些水源往往相对干净，所需的水处理步骤更少。
地表水处理厂从河流、湖泊和水库等地面水源取水。这些原水受到直接环境输入的影响。因此，需要多个处理步骤和单独的工艺，以便能够配置不同的组合来清洁并最终对提取的水进行消毒。
一些供水可能含有消毒副产物、无机化学品、有机化学品和放射性核素。因此，专门的水处理方法也可能是水处理的一部分，以帮助控制形成和去除。
此外，根据新的规定，可以对内分泌干扰物施加更严格的限制同时铅含量限制减半。
水处理过程是如何工作的?
混凝、絮凝和沉淀是去除地表水中的颜色、浊度、藻类和其他微生物的过程。
化学混凝剂可以添加到水中形成沉淀，或絮团，以捕获这些杂质。经过沉淀和/或过滤后，絮团从处理水中分离出来
硫酸铝和硫酸铁是两种最常用的混凝剂，尽管也有其他的混凝剂。靠近混合槽或絮凝器入口的原水质量决定了溶液中混凝剂的投药速率。
通过在高湍流点添加混凝剂，在给药时迅速和彻底分散。下一阶段是沉淀池。絮凝体在这里聚集，沉降形成污泥这需要被移除。
混凝法的优点之一是它减少了悬浮固体沉降所需的时间。此外，它可以非常有效地去除细小颗粒，否则很难去除。
使用混凝剂处理少量供给量的主要缺点通常是成本和精确加药、充分混合和频繁监测的要求。实验规模混凝试验可用于确定对特定原水使用哪种混凝剂。
因此，为了去除颜色和浑浊，混凝和絮凝被认为是最有效的处理技术。然而，对于少量的水供应，它们可能不适合。这是由于所需的控制水平和数量污泥生成的。
六种水处理技术
各种各样的水处理技术需要一起工作，顺序，为了净化原水之前，它可以分配。以下是水处理厂经常使用的基本技术。
屏幕
许多地表水进水口都使用了筛管，以去除原水中的颗粒物质和碎片。杂草和碎片可以使用粗筛去除，而较小的颗粒，包括鱼可以使用带筛和微过滤器去除。在凝固或随后的过滤之前，微滤网被用作预处理以减少固体负荷。
砂石过滤器
浊度和藻类可以使用砾石过滤器去除，该过滤器由一个矩形通道或一个分成几部分的水箱组成，并填充分级砾石(尺寸范围为4至30mm)。入口分配室允许原水通过并水平流过水箱，首先遇到粗砂砾，然后是细砂砾。一个出口室收集过滤水，固体从原水中去除，积聚在过滤器的地板上。
慢速滤砂器
浊度、藻类和微生物也可以使用慢砂过滤器去除。慢砂过滤是一种简单可靠的工艺，通常适用于处理少量物料，前提是有足够的土地可用。慢砂过滤器通常由装有尖锐沙子(尺寸范围为0.15-0.30mm)的容器组成，深度在0.5 - 1.5m之间。
活性炭
利用物理吸附，可以用活性炭去除污染物。这将受到碳的数量和类型、污染物的性质和浓度、水在机组中的保留时间和一般水质(温度、pH值等)的影响。
最常见的介质之一是颗粒活性炭(GAC)，尽管有时也使用粉末活性炭(PAC)和块碳。滤料包含在可更换的滤筒中，滤筒出口的颗粒过滤器用于从处理过的水中去除碳粉。
曝气
曝气的目的是将氧气转移到水中，并通过空气剥离去除气体和挥发性化合物。一种常见的方法是填料塔曝气机，由于其紧凑的设计和高能效。为了实现空气剥离，可以使用各种技术，包括填料塔中的逆流级联曝气，盆地中的扩散曝气和喷雾曝气。
膜过程
反渗透(RO)、超滤(UF)、微滤(MF)和纳滤(NF)是水处理过程中最常用的膜。膜以前应用于工业或制药用水的生产，现在正应用于饮用水的处理。膜处理可以充分去除致病菌、隐孢子虫、贾第鞭毛虫以及潜在的人类病毒和噬菌体。在一个著名的案例研究中，来自荷兰和丹麦的公司正在研究将酶整合到膜技术中用于去除饮用水中的农药和药物残留。
UV水处理:光亮消毒
人眼不可见的紫外线(UV)光可用于水处理过程中的微生物消毒。紫外线的波长在200到300纳米(十亿分之一米)之间。紫外线辐射是由特殊的低压汞蒸汽灯在254纳米处产生的。这是消毒和破坏臭氧的最佳波长。被归类为杀菌剂，这意味着它们能够灭活微生物，如细菌、病毒和原生动物。需要注意的是，紫外线灯从不与水接触;它们可以安装在通过紫外透明聚四氟乙烯管流动的水的外部，也可以安装在水室内的石英玻璃套筒中。
它是如何工作的?紫外线的波长使细菌、病毒和原生动物无法繁殖和感染。
紫外消毒可作为饮用水的一级消毒技术。此外，该过程还可以用作二级消毒形式。例如，针对隐孢子虫和贾第鞭毛虫等微生物，它们可以耐氯。
此外，紫外线(单独或与过氧化氢一起)可以通过称为紫外线氧化的过程破坏化学污染物，如农药、工业溶剂和药物。
在理想条件下，紫外线装置可以提供超过99%的细菌减少。然而，即使有这种性能，紫外线消毒也有两个潜在的局限性:“点”消毒和细胞不被去除。
“点”消毒可以发生，如果紫外线单元只杀死细菌在一个点在浇水系统，不提供任何残余的杀菌作用下游。如果只有一个细菌毫发无损地通过管道(不能保证100%杀灭细菌)，就没有什么可以阻止它附着在下游管道表面并增殖。
其次，第二个限制可能是细菌细胞在紫外线装置中没有被去除，而是被转化为热原。水中被杀死的微生物和任何其他污染物都是任何在紫外线装置下游存活的细菌的食物来源。
UV系统的一个显著发展是扩大发光二极管技术，已知如UV-LED, 2018年将是功率密度和采购价格的转折点。
臭氧水处理:利用闪电的力量
就像闪电风暴一样，当氧气暴露在空气中强大的电流放电时，就会产生臭氧。尽管多年来该技术在欧洲被广泛用于处理城市饮用水，但在美国尚未得到类似的认可。
臭氧可在整个水处理过程中使用，例如在预氧化、中间氧化或最终消毒期间，因为它具有优异的消毒和氧化性能。通常，建议在使用砂过滤器或活性炭过滤器(GAC)之前使用臭氧进行预氧化。臭氧作用后，这些过滤器可以去除剩余的有机物(对最终消毒很重要)。
臭氧氧化是通过放电场(如cd型臭氧发生器)或紫外线辐射(uv型臭氧发生器)进行的。除了商业方法外，臭氧还可以通过电解和化学反应来获得。
一般来说，臭氧氧化系统包括通过高压放电，即电晕放电，使干燥、清洁的空气通过，产生臭氧浓度约为1%或10,000 mg/L。在处理少量废物时，紫外线臭氧氧化是最常见的，而大规模系统则使用电晕放电或其他批量臭氧产生方法。
然后，原水通过一个文丘里喉道，该喉道产生真空，将臭氧气体吸入水中，或者空气通过正在处理的水产生气泡。由于臭氧会与金属发生反应，产生不溶性的金属氧化物，因此需要进行过滤。
臭氧是高度反应性的，因此，一旦溶解在水中，它的半衰期就很短。臭氧的自然反应是恢复氧气形态，在20摄氏度的温度下，反应时间通常需要10-20分钟。
臭氧水处理的优点包括尽量减少无机、有机和微生物问题以及味道和气味问题。此外，没有额外的化学物质被添加到水中。
同时，缺点是缺乏杀菌或消毒残留来抑制或阻止生长。此外，该系统可能需要进行前处理以降低硬度。
水处理化学品的种类(以及使用它们的原因)
饮用水的化学消毒包括任何氯基技术，如二氧化氯，以及臭氧、一些其他氧化剂和一些强酸和强碱。除臭氧外，适当的化学消毒剂剂量旨在保持水中的残留浓度，以在储存期间提供一些保护，防止处理后污染。
在发展中国家，家庭饮用水的消毒主要使用游离氯，或以次氯酸的液体形式(商用家用漂白剂或更稀的次氯酸钠溶液，浓度在0.5%至1%之间，用于家庭水处理)或以次氯酸钙或二氯异氰尿酸钠的干燥形式进行。这是因为这些形式的游离氯是方便的，相对安全的处理，廉价和容易剂量。
氯是应用最广泛的一级消毒剂，也常用于配电系统的残留消毒。监测进入分配系统的饮用水中的氯水平通常被认为是一个高优先级(如果可能的话)，因为监测被用作已进行消毒的指标。氯的残留浓度约为0.6毫克/升或更高，可能会导致一些消费者在味觉上的接受问题。
二氧化氯分解后留下无机化学物质亚氯酸盐和氯酸盐。最好的办法是控制二氧化氯的用量。氯酸盐也可以在次氯酸盐溶液中找到，已经允许老化。
为了在储存和使用期间提供足够的游离氯以保持残留，家庭水处理氯的适当剂量是至关重要的。建议在清水(< 10浊度单位[NTU])中加入游离氯约2 mg/l，在混浊水(> 10 NTU)中加入游离氯的剂量为2倍(4 mg/l)。
一氯胺通常是氯与氨反应形成的，用作分配的残留消毒剂。在水处理中小心控制一氯胺的形成对避免二氯胺和三氯胺的形成很重要，因为这些会导致不可接受的味道和气味。
在处理过程中还可以添加一些其他化学物质。这些包括用于调节pH值的氢氧化钠等物质，以及在某些情况下用于饮用水氟化的化学品。
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