导语
以水看科技进步，以水观世界发展。“水看世界”带您在云端游历世界水务，博览众长，以为攻玉。（素材来自上海《净水技术》杂志社情报咨询服务板块成果）
本期摘要
饮用水处理工艺的发展，一直是一个螺旋式上升的态势。当随着检测技术的发展和普及，新的污染物被发现的时候，相应的工艺升级就会提上议程。因此，从最早的过滤和消毒工艺，到混凝，到氧化和生物方法，再到膜技术应用和更多面向新污染物的工艺研究，水处理的工艺进步一直在持续，这也给水厂操作人员不断带来新的要求。本文回顾了水处理工艺的进步历程，是不错的知识回顾的学习资料。
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有些事情永远不会改变。水处理厂的操作员每天仍然上班，将水源水转化为社区的饮用水。他们仍然操作着工艺流程、接通水管、计算和调整药剂投加量、维护泵和阀门、消毒和冲洗水管、消除交叉连接、采样并分析结果，以及连同其他一系列职责，例如向当地监管机构报告所有情况。他们中的许多人会在晚上做这些事情，与此同时，可能他们的同胞还在床上睡觉。然而，有些事情确实在改变。其中之一就是，水处理技术的进步建立在科学研究的基础上，并由监管需求驱动，使操作员忙于掌握适应变化的艺术。
1975 年，美国联邦政府和各州之间也建立了新的伙伴关系，以实施《国家主要饮用水法规》。美国环境保护署 (EPA) 制定了这些新规则，以设定监测和报告水质参数的具体要求，如果供水企业未能遵守这些要求，则必须执行这些要求。在此之前，州一级别供水企业的饮用水标准除了大肠菌群外，其他并未强制执行。五十年前，供水企业开始认识到，适应是必要的，因为每隔几年就会出台一系列法规，迫使供水企业作出改变。
适应变化
工程部门认为供水和输配水是 20 世纪最重要的五项成就之一。在这一转变中，氯化消毒技术发挥了巨大作用。1979 年之前，大多数操作员认为只要安全地处理氯，氯就是他们最好的朋友。如果操作员在水厂中使用大量氯，并在系统中保留残留物，它就能确保水不含大肠杆菌。它还帮助供水企业将沉淀池（尤其是未覆盖的沉淀池）中的藻类堆积降至最低。氯被广泛使用，因为它有效、廉价且易于采购。也许最重要的是，地表水处理厂操作员可以依靠氯来协助混凝过程，因为它是含有有机物的源水的强氧化剂。地下水系统也用它来氧化和去除供水中的铁。
但是，1979 年颁布的总三卤甲烷 (TTHM) 规则及其后续规则，即第一阶段和第二阶段消毒剂和消毒副产物规则 (DBPR)，让许多操作员清楚地认识到氯也有其不利的一面。当源水中含有某些类型的天然有机物时，氯会与其发生反应，形成数百种不需要的、有时是有害的化合物，操作员必须将这些化合物降至最低。
保持所需的氯残留量为这些化合物的形成提供了更多机会。不幸的是，保持配水箱充满水以提供消防能力会增加水龄。
许多水务专业人士意识到，所谓的预氯化（在过滤前向水中添加氯）不再是他们能负担得起的奢侈处理方式。于是一些规定被制定，要求操作员根据水中的含量和水的碱度去除源水中一定比例的总有机碳 (TOC)。
运营平衡行为
因此，操作员学会了实施其他处理策略：各种氧化剂、完全不使用预氧化剂、强化混凝 (EC)、膜处理等。所有这些方法现在都在使用，但每种方法都有缺点，迫使操作员在好与坏之间取得平衡。
例如，臭氧是一种很好的氧化剂，但它也可能产生溴酸盐；这些物质并不好，操作员仍然需要在他们的输配水系统中留有氯残留物。高锰酸钾是一种强氧化剂，但它的氧化能力远不及氯，而且系统中存在紫色水的风险。强化混凝是一个不错的选择，因为操作员已经有了混凝剂（明矾、氯化铁等）。这只是一个增加剂量的问题，操作员可以尽可能多地去除有机前体——这就是强化混凝在传统处理中的作用。但供水企业需要为产生的额外污泥做好准备，并应对那些一无所知的会计师对他们将花费的预算资金的质疑。膜系统成为许多水系统的首选技术，但它们通常需要大量资金和规划。
20 世纪后期，许多供水企业最终选择了强化混凝和不使用预氧化剂，同时还要遵守更低的出水浑浊度的法规要求。出厂成品水浑浊度的增加代表急性突发的健康风险，而消毒副产物的增多则代表长期慢性的健康风险。这种在好的策略与坏的策略、良好的意图与意外后果之间寻找平衡的行为，是供水企业非常熟悉的一个主题。
让我们来看看迫使操作员适应的另一项处理工艺上的进步。实施强化混凝技术的人见证了原水碱度消耗的增加，pH 值可能下降得更多。这就是第一阶段消毒剂和消毒副产物规则所要求的：原水碱度和 TOC 越高，操作员需要去除的 TOC 百分比就越大。但 1991 年发布的铅和铜规则 (LCR) 要求水对构成供水系统和客户家庭管道的金属的侵蚀性较小。许多操作员发现，用强化混凝处理过的水很难达到新的铅行动水平 15 µg/L。
1986 年，我是莱克县 (俄亥俄州) 公用事业公司的水厂经理。莱克县以其排水良好、土壤肥沃而闻名，被称为“俄亥俄州的苗圃之都”。伊利湖地区古老的冰川形成了肥沃的土壤，为许多多年生植物和某些依赖低土壤 pH 值的花卉提供了理想的生长条件。为了应对 LCR，我尝试使用苛性钠提高成品水的 pH 值。在接到苗圃负责人的几次愤怒电话，声称我正在毁掉他们的库存后，我停止了添加苛性钠。
幸运的是，研究人员已经开发出使用正磷酸盐的新处理策略，当以正确的剂量和 pH 值范围添加到处理过的水中时，可以防止或减少水溶解金属成分的趋势。操作员必须了解正磷酸盐处理的缺点，因为使用正磷酸盐意味着操作员必须冲洗死端主干管道，否则细菌会以死端中积累的磷酸盐为食。操作员必须建立并满足严格的剂量目标和 pH 值范围。最重要的是，一旦供水企业开始使用正磷酸盐处理，就不能不因为产生后果就停止。良好的腐蚀控制程序可以有效防止重金属溶解。但众所周知，正磷酸盐在含铅服务管道内部形成的保护屏障，经过几十年的耐心铺设，会以惊人的速度被破坏。
更好的检测，更严格的合规性
科学在很多方面为操作员提供了更好地完成多项任务的工具（图 1）。除了强化混凝和新的腐蚀控制技术外，还出现了许多工艺，例如紫外线消毒、高速澄清（管式和板式沉淀器）和过滤、颗粒活性炭 (GAC) 和粉末活性炭、专为去除特定颗粒而设计的膜等等。与此同时，科学为操作员的实验室分析工具库提供了巨大的改进。操作员现在可以准确地检测水中的化合物和微生物，而这在 50 年前是未知的。
随着操作员获得发现它们的能力，他们研究它们的能力也提高了。许多化合物和微生物已被证明对人体健康有害，因此受到了监管。几十年前，许多当今的有害污染物及其相关的监管要求还不是操作员的术语。用于检测、处理和监管它们的操作方法也并非如此。例如，供水企业尚不清楚单位过滤运行量 (UFRV)、空床接触时间 (EBCT)、浓度×时间 (C×T) 值、超滤 (UF)、纳滤 (NF)、反渗透 (RO)、监控和数据采集 (SCADA) 系统和溶气浮选 (DAF) 等术语将在多大程度上影响他们的未来。操作员不在实验室进行酶联免疫吸附测定 (ELISA) 程序，也不在办公桌前计算 90 百分位铅含量结果。仔细想想，1975 年，国家饮用水咨询委员会 (NDWAC) 甚至还没有成立，以提供操作员认证 (OpCert) 指导。
下一步去哪儿？
最后，生物过滤正在多家供水企业使用，并已被证明是有效的。经过精心维护，生物过滤器可以同时去除有机和无机污染物，从而产生优质的水质。然而，生物过滤器容易出现由地下水道生物污染引起的水力问题以及水质下降，导致过滤器运行时间缩短，锰、味觉和气味化合物以及有机碳的突破。
接受挑战
无论研究人员和工程师开发出什么技术进步（而且他们一定会开发），供水企业都需要能够充分利用这些技术。事实上，供水企业的作用就是接受这些挑战，就像他们过去一直做的那样，这样子孙后代才能繁荣昌盛。
