国内外水处理技术的现状发展趋势

国内外相关技术的现状发展趋势

世界上许多地区正面临着最严重的缺水。据世界银行的统计，全球80%的国家和地区都缺少民用和工业用淡水。随着资源成本不断上升和环保意识逐渐增强，许多企业开始运用绿色技术，降低碳排放，尽量减少废物产生。其中水处理技术就是其中非常重要的一项绿色技术。

根据联合国统计，到2025年，三分之二的世界人口可能会面临水资源短缺，因此水处理技术将会越来越得到重视，这包括了高效率的水资源管理和污水处理。例如：在北美尤其在加拿大，水管理及污水处理设施的面临的问题十分急切。63%的目前运行的设施都在超期运行，他们的平均运行时间已经达到18.3年。其中52%污水处理设施在超期运行。在美国的干旱地区，对海水淡化技术的需求越来越高。海水淡化技术主要局限在于效率，而随着淡水的短缺，这些局限逐渐被淡化和忽视。水处理技术的发展拥有巨大的前景，许多国家都在实施水处理的政策和项目。根据全球知名增长咨询公司的预测，至2010年，全球水资源管理和污水处理技术市场规模预计将达到3，500亿美元。

目前先进的水管理和污水处理技术及其发展趋势包括了循环用水、反渗透海水淡化和臭氧化等。例如，反渗透海水淡化技术正在迅速占领的大型设施市场，而这一领域过去主要以热工过程设备为主。

处理效率的提升和渗透膜价格的回落，促使反渗透海水淡化市场在过去5年中迅速发展，现在应用反渗透海水淡化技术的已不再是小规模的工厂，大型反渗透海水淡化厂已是司空见惯。

在污水处理方面，澳大利亚的研究人员在生物发电领域提出了一种新的旋转生物电化学接触器，这项技术能够将已经运用于污水处理行业30年的旋转生物污水处理技术的效率提高15%；此外，一种能够处理高污染废水的技术也已经问世，这种技术能够处理污染物浓度超过300，000ppm的污水，而处理成本仅有原先通过储存和化学处理方法的十分之一。这种技术目前被认为是最简单、最易于使用及经济的处理技术.

中国目前同样也面临巨大的淡水短缺和水污染的问题。作为一个人均拥有水资源量最小的国家，必须采取措施以避免未来严重危机的发生。中国北方缺水问题极度严重，因此国家启动了浩大的“南水北调”工程，整个工程耗资达到几十亿美元，预计2050年建成。污水问题同样困扰着中国，估计有3亿人口的饮用水是被污染的。2004年至2008年，污水排放量年增长率达到18%，从482亿吨增长至572亿吨。预计在2010年，中国的污水排放将达到640亿吨。中国持续的工业化、城市化进程和经济的快速增长，是导致污水排放量连年上升的主要原因；而与此相对的是，中国的污水处理厂却基本上未能实现满负荷的运行。以2008年为例，中国污水处理厂的处理污

水量仅仅达到的设计负荷的64%，主要的原因在于运营费用过高。在这种情况下，中国的污水处理行业将需要更多的投资和更先进的技术。在第11个5年计划之间（2006年至2010年），政府预计在水处理方面投入超过3000亿元人民币。截至2009年，中国一共有1572座污水处理厂，同时2063家在建。

随着社会经济和城市化进程的发展，水资源紧缺和水环境污染已成为本世纪全球性问题并且日趋严重。甚至有人认为：水的问题有可能超过能源问题而成为21 世纪世界上最为重要的问题。因此，必须对水的问题予以高度重视。而正确掌握和合理利用现有水处理技术并研究新的水处理技术是解决水环境污染和合理利用水资源的重要途径，作为水处理工作者，更有责任直面问题，积极探索和正确把握未来水处理技术的发展动向。鉴于此，通过对我国水处理技术发展现状的回顾和当前水处理常用模式及所面临问题的分析，对我国水处理技术的发展趋势进行了展望。

一、水处理技术的发展现状及其存在模式

1 水处理技术的发展现状

我国有文字记载的给水处理从明矾净水开始，而比较完整的现代自来水厂是创建于1882 年的上海杨浦水厂。此后净水技术经历了简单沉淀，慢滤处理，依靠外国专家“照搬照抄”新建大型水厂，采用平流池、双层过滤技术以及絮凝、消毒等。20 世纪60 年代以后，城市供水全面普及，给水处理从苏联模式中走了出来，在学术理论、规范制定、人才培养、设备供应等方面逐渐形成了自己的体系。如在水

处理中开始注重投药后的混合，采用静态管道混合器等“细节”，推广应用了絮凝等技术，在减少水头损失、提高絮凝效果、降低药量消耗等方面进行了许多研究；引进浅层沉降理论，对平流池的设计进行了改进，对滤池配水有了相应的研究，对混凝剂有了应用。

20 世纪80 年代以后，随着改革开放的深入，给水处理引进吸收了外国先进技术和设备，提高了絮凝加药的自动化水平，开始了提高水质和微污染水源处理技术的发展，消毒剂广泛使用并呈多样化趋势，供水管网水质实现了自动检测，常规水处理技术得到加强。

目前，对于经济发展带来的水源污染的生物预处理技术及臭氧活性炭等水的深度处理技术在向实用化发展中，小型膜处理设备也已应用于高品质饮用水处理系统之中。

与此同时，在工业给水处理上也进行了许多研究和应用，如用混凝沉淀和过滤方式进行工业用水的预处理，用离子交换、软化、除铁等进行锅炉用水的处理，但是在工业循环水处理上由于缺乏自主技术，早期沿用了外国自来水处理中水质稳定的概念，片面地以控制CaCO3 结垢为主，忽略了结垢的其他盐类和化合物，对工业水温度变化的特点和水的腐蚀以及水中菌、藻等引起的微生物黏泥的影响未予以考虑，走了弯路。目前工业循环水处理上则主要以投加缓蚀剂、阻垢剂、杀菌剂等化学药剂为手段来控制水的腐蚀、结垢和微生物黏泥。需要说明的是在工业水处理中的缓蚀剂20 世纪60 年代以采用铬酸盐和亚硝酸盐为主，由于毒性大，至20 世纪七八十年代受到环境保护的限制逐渐为磷酸盐所取代。

然而，近年来由于磷的随水排放又引起了水域富营养化而产生“赤潮”公害，各国已纷纷提出禁磷或限磷要求，因而有机系列的钼系、钨系、硅系等无公害水处理缓蚀剂相继得到开发并逐渐推广应用。阻垢剂方面，曾用木质素、淀粉类及腐植酸类，目前应用最广的为有机磷酸盐和高分子聚羧酸类。杀菌剂方面早期如氯、次氯酸钠、次氯酸钙等最为普遍，后来又发展了二氧化氯等。然而氯消毒后产生的副产物三卤代甲烷(THM3)现已确认为致癌物质，因而目前使用的杀菌灭藻剂已扩大到臭氧、过氧化氢等非含氯的氧化型杀菌剂以及以季铵盐如十二烷基二甲基苄基溴化铵为代表的非氧化型杀菌剂。

在废(污)水处理上，目前主要采用中和、沉淀、曝气、生物处理、混合稀释和过滤等手段，处理的目的是基本满足排放水质的要求，并且，总体处理率不是很高。

养殖水处理方面，自20 世纪60 年代以来，一些国家如日本、美国、德国、加拿大、丹麦等，已经先后不同程度地开展了循环水养殖水处理技术的研究。目前，国外已将臭氧、紫外线与生物滤器等水处理技术和设施广泛应用于水产养殖，而且向机械化、现代化方向发展。我国在这方面起步较晚，但近些年来发展比较迅速，在广大科技工作者的一致努力下，已经取得了一系列的成就，发展了各种各样的循环养殖水处理设施。

2 目前水处理应用的几种主要模式

1）污水处理

目前应用最为广泛的污水处理模式，该模式以曝气池（氧化沟）、二

沉池为主要功能单元，其中根据曝气池（氧化沟）内构筑物建造形式的不同又可以区分多种

水处理工艺。该模式主要应用于城市生活污水和工业废水的处理，处理目标以达到污水排放要求为标准，如将氨氮、化学耗氧量分别降至5 25mg/L 和50 100mg/L 以下。

2）饮用水处理

2001 年6 月7 日，我国颁布了新的《生活饮用水卫生规范》，其中要求生活水的CODMn小于3mg/L；2000 年1 月1 日实施的《地表水环境质量标准》要求水源处理出水中氨氮质量浓度在0.5mg/L 以下。这些相关标准的执行，对于水处理来说其出水水质标准有很大的提高，并且国家还在考虑制定水质的行业标准。对经济技术发达地区和城市在保障公共健康的基础上将提出更高的水质标准，除严格控制有毒有害的项目外，还将增加微生物项目，同时，还考虑适当提高水质的感观性项目和要求，以适应生活水平提高的需求。应该指出，当前常规水处理达不到对COD 和氨氮去除的要求，投加高剂量的氯气消毒又会导致三卤

甲烷和卤乙酸等有致突变作用的消毒副产品，对水的饮用安全构成威胁。氨氮的去除有赖于生物预处理，色、嗅、味等的改善需要利用活性炭或臭氧活性炭的吸附和生物降解等工艺。所以考虑增加预处理或深度处理环节是当前提高供水水质的必需工作。

从国内外目前的研究看，将各种预氧化处理(臭氧、高锰酸钾、二氧化氯、过氧化氢)、生物处理和活性炭吸附与常规处理联合起来，优

化组合新的净水工艺，是当前受污染水源水水质净化的基本技术对策。

3）纯净水处理

4）锅炉水处理

二、水处理技术的发展趋势

纵观上述水处理技术的发展现状和我国当前水处理所面临的问题，研究国外水处理技术的发展历程，结合新世纪合理开发利用水资源的要求，可对我国水处理技术粗略勾勒出如下的发展趋势。

1 常规水处理

以去除悬浮固体，胶体及细菌为目的的常规工艺对色度、氨氮、耗氧量不能有较好的去除效果现行的“混凝沉淀过滤消毒”的常规处理组合仍将在新世纪的初期得到延续，但不是简单重复，而应是“强化”或“优化”了的工艺组合，并针对不同的水源条件和水质要求，辅以预处理和深度处理。

当原水中氨氮、亚硝酸盐含量高，有机物多，较易生物降解时，采用生物预处理将是适宜的，因出水水质可得到全面提向，运转费低廉。当原水中有机物量多且较难降解时，为保证净水厂出水水质全面达到规定的有机物(包括消毒副产物)指标与使出水降低致突活性(Ames 试验呈阴性)，采用活性炭过滤将是必要的，是今后发展的方向。

2 生物预处理

生物预处理技术可以有效去除原水中的氨氮及可部分降解有机物。针对当前水体污染状况及趋势，生物预处理工艺作为去除氨氮的有力武

器在很长一段时间内将不会改变，但目前还需要进行实际应用方面的广泛研究，特别是对含藻水处理中应对暴发期的工艺措施进行更为广泛深入的研究。

藻类密度一般较小，因而其絮体不易沉淀，采用气浮则可以取得较好的除藻效果。气浮法的主要问题是藻渣难以处理，气浮池附近臭味重，操作环境差。

3 深度处理技术

目前我国尚在应用研究阶段的臭氧氧化、臭氧活性炭吸附等水的深度处理技术在欧美等发达国家已广泛应用，该技术已引入到我国水处理技术上来，但吸收、转化和应用工作应有一段时间。

4 水处理药剂的发展

消毒杀菌方面，THM3 的问题虽已经引起世界的关注，但目前为止我国限于技术和经济条件，液氯消毒仍为大多数水厂所采用。随着国外研究开发出新的高效、低毒或无毒替代品，我国将会逐渐限制、淘汰液氯杀菌的方式。工业水处理中的药剂将从有毒有公害的药剂向低毒、无毒、无公害药剂方面发展，由不易生物降解药剂向易生物降解方面发展，由单一的水处理药剂向复合的多功能药剂方面发展。

5 膜处理技术

膜技术是利用离子交换膜或有机高分子合成膜组成的技术，近年来发展迅速，对于水质处理，可能是21 世纪的革新技术。

膜处理技术被誉为21 世纪水处理技术的关键技术，是替代传统工艺的最佳选择。膜分离技术的主要作用原理是以压力梯度为驱动力，

利用特定膜的透过性能分离水中离子、分子和杂质而进行的滤膜机械筛分作用，是膜技术从化工领域向水处理领域、发展的结果。

近10 年来我国主要用于桶装、瓶装高品质饮用水的处理，欧美则已建成了日处理水量几万到几十万立方米规模的水厂。目前膜处理技术在水处理方面的主要应用有反渗透(Reverse Osmotic，RO)、电渗析(Electrodialysis，ED 或EDR)、钠滤(Nanofiltration，NF)、超滤(Ultrafiltration，UF)和微滤(Microfiltration，MF)等5种。UF和MF 运行所需压力低，膜的成本低，可替代传统水处理的混凝过程，值得推广；而RO 和NF 可分离直径达0.0001μm 到0.001μm 的颗粒，对病毒、有机物和溶解性无机物均能有效去除，既可用于工业水处理也可用于饮用水处理，能避免化学药剂投加产生的问题和常规消毒副产物生成，特别是解决了20 世纪90 年代以来新发现的常规方法不能除去和杀死隐性孢子虫的问题。随着饮用水水质要求的提高和膜技术的发展，膜技术和膜产品将会得到广泛的开发和应用。但膜组件的集成化，膜破损的检测，膜污染的控制及洗涤，膜处理中污排水的处理及膜成本降低等等问题还需深入研究。

微滤、超滤与反渗透是靠压力驱动使水透过半透膜，而将水中所含杂质：胶体、无机离子、有机物、微生物等截留的过滤技术。它们的区别主要是膜的孔径和截留粒子成分子的直径不同。一般颗粒介质(砂、煤等)过滤技术可去除2—5μm 以上的粒子。微滤可以去除

0.1—0.2μm 的粒子，能将绝大多数形成浊度的粒于去掉。超滤可去除0.005μm、含分子量1000 以上的粒子，包括细菌、病毒。反

渗透则可去除0.3—1.2nm 大小的有机物(分子量200—500)与无机离子，用于除盐、海水谈化。纳滤是一种低压反渗透，可去除纳米级的粒子、有机物(分子量300)、无机离子，用于软化、除盐。

膜技术的应用需与其他技术(如前处理、后处理)组合才能充分发挥其特点。水质好的原水，可经微滤、消毒就能供饮用。澳大利亚一公司生产的微滤膜设备可定期自动冲洗(防堵塞)或用药剂清洗(宁波自来水公司已引进该设备生产纯净水出售)。对于含盐量高、硬度高并受有机物污染的原水可最终采用反渗透制取优质水。考虑到需要保留一些有益于健康的离子，则可在反渗透后进行矿化、钙化等处理，或者采用纳滤，少去除离子。膜技术的应用中，关键是防止膜污染。无机盐形成的垢，有机物的粘附与微生物的积累、滋长都会造成膜的堵塞，降低膜的通水量(如维持温水量则需增加进水压力)。因此，根据原水水质选择必需的前处理格外重要，否则合影响膜的使用寿命，使膜更换频繁，增加运行成本。

针对膜上不同的污染，选用清洗液定期对膜进行清洗，也是膜技术应用中的重要环节。一些国家在研究用微滤与超滤来取代常规的净水工艺，结果表明：技术是可行的，但从经济上考虑需慎重。随着有机膜的大量应用、膜的高速率生产使膜的成本迅速下降，可以认为膜技术在给水事业上会得到越来越多的应用。

6 分质供水和水的高效利用技术

水的循环利用技术和废(污)水处理回用技术都将会迅速得到发展，这是当前水资源紧缺的现实要求和水处理技术水平提高的具体表现。水

的高度循环利用和回用将节约大量水资源，缓解水危机和满足可持续发展及环境保护的要求，也会推动水处理产业的发展壮大，并最终形成一个高度发达的水工业体系。