栏目导读
中国科技核心期刊《净水技术》关注我国供排水和工业水处理生产一线的实际问题，打造一线生产技术人员实战经验的分享平台。本栏目内容主要选自发表于《净水技术》“供排水企业运行及管理成果专栏”的原创论文或由《净水技术》情报资讯板块精选翻译的国外经典文献，供同行交流参考。
本期摘要
合格的、专注的、有能力的水厂生产运行人员负责每天24小时、每年365天向公众提供安全可饮用的水。要做到这一点，需要生产运行人员了解基本的常规处理工艺过程，这是确保饮用水质量和预防水传播疾病的关键。本文通过简洁明了的描述，帮助水厂生产运行者们快速温故知新相关基础知识。
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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
原水
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（）。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：
为了使原水更容易处理。例如，某种情况下几种原水通过混合，可以减少对复杂的水处理工艺的需要，就可以为供水企业节省化学药剂的费用。
通过与不同的原水进行混合，将某原水中特定的一个污染物成分降低到安全限值范围内的水平。例如，将氟化物含量超过5毫克/升的井水与另一个无氟的井水混合，可以使混合原水的氟化物浓度达到可接受的水平。
当水量和水质不能满足要求是，补充一个水源。例如，在夏季，一个较小的湖泊水位下降的时候，可能难以保证同充足的原水，因此可以将这个湖泊水中的一部分和附近的河水混合，来帮助满足季节性的水量需求。
为了永久性地增加对一个社区的供水水量。例如，如果一个城镇的规模扩大需要更多的原水水量保障，一个额外水源的原水就需要和现有的原水进行混合，以满足这一永久性增长的需求。
澄清
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
肉眼观察的结果还需要通过烧杯试验来判定所期望的浑浊度（目标）需要投加多少的混凝剂。可以在澄清池中或澄清池的出水处投加聚合物作为混凝的辅助来提高下一步过滤工艺的效果。当这部分工艺全部完成后，澄清池的出水应该只有很低的浑浊度，因为绝大部分的悬浮固体都已经被去除了。
过滤
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。
照片2 混合填料滤池使用三种或更多种粗细粒度和密度不同的填料
*混合填料滤池的滤料包括无烟煤（顶部）、沙子（中间）和砾石（底部）
在滤池整个运行的生命周期过程中，过滤效率会从最大然后逐渐降低，这是由于滤池中的滤料逐渐被絮体堵塞。当过滤效率降低到某一个临界点时，滤池就需要进行反冲洗以去除掉积累在滤料中的固体。干净的水通过加压，反方向冲洗滤料以达到去除堵塞的固体的目的，并带着这些固体成为滤池反冲洗废水。在重新投入运行之前，刚反冲洗过的滤池需要进行试运行性质的过滤（即过滤的水直接排放掉），以确保没有松散的颗粒可以穿透滤池。试运行性质的过滤一是确保过滤效率回升，二是确认填料都工作正常，三是出水浑浊度的水平可以满足要求。当上述要求都满足期望时，这个刚完成反冲洗的滤池就可以投入正常的生产运行。运行规则允许在一次反冲洗后的四个小时内，某个滤池的出水浑浊度可以适当有所增加，因为并非所有的滤池都能马上恢复到理想的过滤效率的，这就相当于允许滤池有一个四小时的周期来完成反冲洗到恢复正常运行。
消毒
消毒是一个通过化学或物理处理的方式达到有效灭活有害微生物的过程。在常规的处理工艺中，常见的消毒剂一般是ClO2，Cl2和氯胺。水经过过滤后，这些消毒剂中的某一种被加入到滤池出水中。这个工艺环节的目的是去除水中的病原体，比如大肠杆菌, 肠杆菌, 禽类奈格里菌等，这些病原体都是残留在过滤出水中的，但并不必要对水消毒的绝对彻底。因此，消毒工艺也意味着一些非病原体的微生物，比如异养菌是可能存在在水里的。
ClO2是一种预氧化剂，在原水进入水厂时被投加。它通常在现场制备，必须密切监测消毒副产品（DBP）亚氯酸盐，以确保符合法规要求。亚氯酸盐的最大污染物水平（MCL）是1.0毫克/升。Cl2和氯胺被用作滤池出水的最终消毒剂。Cl2是一种强氧化剂，能有效地破坏水中的病原体。Cl2在较低的pH值下更有效，也就是说，当水的酸性较强时，它能更快地氧化有机物（例如，在pH值为6时有效97%，在pH值为7.5时有效50%，而在pH值为8时有效24%）。
大多数地表水厂的处理工艺除Cl2外还会投加氨（NH3），Cl2可与氨反应产生氯胺，其持续时间比Cl2长，且不太可能生成DBP（总三卤甲烷和卤乙酸），但氧化病原体的效果相对较差。应监测氯胺种类（单氯胺、二氯胺和三氯胺），以确保在处理过程中投加正确的Cl2和NH3的比例，以产生理想的一氯胺浓度（图2）。
图2 折点加氯曲线，折点加氯曲线说明了一氯胺浓度的峰值
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。
清水储水
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
高位储水池。高位储水池，也就是俗称的水塔、高位水箱，可以通过水箱中水的重力势能来提高输配系统的水压。水的高度越高，水对输配系统施加的向下的压力就越大。储水池的水位高度每增加一英尺，底部的压力就会增加0.433 psi。例如，一个水位高100英尺的高位储水池，在池底会产生43.3磅的压力（100英尺×0.433磅/英尺=43.3磅）。
水也可以储存在地面的储水池中，这些储水池的尺寸是具有战略意义的，布置在输配系统的各个环节，以确保有足够的容量来满足这些地区的日常用水需求。地面的储水池可以储存数百万加仑的水，所以它们可以为输配系统提供大量额外存储容量。这些水箱可以布置在地面上，也可以部分或完全布置在地面以下。根据水池的容量和日常用水量需求，如果没有适当的循环（定期充满水和排放水），这些大型水池中的Cl2浓度也可能随着时间的推移而减少。当Cl2浓度减少时，需要方便地向水池的进水或出水中补充消毒剂。所以，这些大型水池还可以作为增压补氯的设施用来提高水池内的Cl2浓度，或者在水被抽到镇上另一个地区时提高Cl2的浓度。
不管是用哪种储水的方式，地面水池、高位水池或组合形式，都必须每年对水池的内外部进行检查。水务企业可以委派自己的员工进行这些检查作业，也可以委派给第三方进行检查。
输配系统
输配系统指成品水离开水厂后的系统，以离开水厂的点为输配系统的入口。输配系统由水处理厂以外的所有管道、阀门、泵站和储水设施组成，其目的是将不间断的加压饮用水输送到用户，并输送到用于消防的消防栓。
腐蚀。腐蚀是指水对管道的侵蚀程度。如照片3和4所示，腐蚀可能是输配系统中的一个主要问题。有许多的腐蚀相关的指标可用于确定水样的腐蚀性（例如，Langelier饱和度指数、Ryznar指数和侵蚀性指数）。这些指数使用以下参数来确定腐蚀性：pH值、温度、总溶解固体、硬度、碱度、氯化物（Cl-）、硫酸盐（SO42-），以及其他。为了阻止或减缓输配系统中的腐蚀影响，可以通过水处理来调整上述参数，以生产有轻微结垢倾向的水。输配系统管道内的这层薄薄的水垢可以在金属水管和任何带有腐蚀性的水之间形成一个屏障。对于在进入输配系统之前，要混合多个水厂来源成品水的系统，在确定最终的成品水的腐蚀/结垢潜力时，必须考要到虑腐蚀性参数和各个水厂流量的混合百分比。
照片3和4 当管道和相关结构暴露在腐蚀性元素中时，会在其外部（顶部）和内部（底部）发生腐蚀
煮开水的提示（boiling notice）。需要将水煮沸的通知或建议是由供水系统发起的社会公告，通过当地新闻和社会媒体进行传播。当已知或怀疑供水受到污染时，如按照修订后的总大肠菌群规则，水样的大肠杆菌呈阳性，输配系统的压力下降到20磅/平方英寸以下，或多次采样的样本表明消毒剂残留量低于所需浓度时，就会发布此类通知。一旦发布需要将水煮沸的通知，水务企业必须对输配系统进行检测以证明输配系统完好后，才能取消通知。
来源：原文出自AWWA的J Opflow，原文标题《Operators Need to Know Conventional Treatment Processes》。
作者： Hunter Adams ， Steve Ash ， Mark Southard
翻译：由上海《净水技术》杂志社执行主编阮辰旼翻译， 汇编于 ，欢迎订阅。
排版：《净水技术》编辑 李滨妤
审核：《净水技术》社长/执行主编 阮辰旼
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