導語：通過對新國標和地方標準中高品質供水水質指標要求進行深入分析，評估了當前水處理技術現狀及技術難點，并提出了針對夏季高藻、嗅味物質、消毒副產物及新污染物的水質提標方案。通過分析以雙膜短流程、超低壓納濾膜、壓力式臭氧+耐氧化超濾膜、陶瓷膜催化臭氧短流程、前置臭氧催化氧化-生物流化床、UV-H2O2高級氧化等為代表的新興水處理技術，提出了工藝的優缺點及應對情況，為構建高品質供水技術路線提供了新的思路。針對季節性藻類爆發、低溫低濁原水等難題，可考慮采用預氧化與強化常規處理；針對消毒副產物與嗅味物質，可考慮采用臭氧-活性炭或膜處理工藝，削減天然有機物、2-MIB和GSM等有害成分；對于新污染物，可考慮采用高級氧化工藝及納濾技術，確保出水水質健康安全。

未來，隨著技術的不斷進步和標準的持續提高，將進一步推動水處理技術的創新與發展，為構建更加安全、高效、可持續的供水體系奠定堅實基礎。

本文通過分析當前高品質供水要求與處理現狀，對處理難點進行深入探討，總結了特殊水質指標控制技術方案。同時，對新型高效處理技術的適用范圍及應用情況開展討論，提出了新形勢下水廠高效運行及提標改造策略，以期為未來水廠水質提升與綠色發展提供技術支持。

一、高品質供水要求

2022年3月，《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2022）（以下簡稱“新國標”）正式發布，把供水水質要求提到了新的高度。新國標對水質指標進行了重新調整，由2006年版的106項調整至97項，并增設了乙草胺、高氯酸鹽、2-甲基異莰醇和土臭素。為了進一步降低消毒副產物的生成量，將出廠水和末梢水余氯高限值由4 mg/L降低至2 mg/L。同時，將一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷、三鹵甲烷、二氯乙酸、三氯乙酸等將常見的氯化消毒、二氧化氯消毒和臭氧消毒副產物納入常規指標。可見，在新的發展要求下，更關注于對飲用水嗅味、口感、舒適度以及健康要求，實現了從“安全飲水”到“健康可口”的跨越。

隨著高品質飲用水要求不斷提高，2018年以來，上海、深圳、蘇州等地相繼出臺了更嚴格的水質標準，在重金屬含量、微生物指標、消毒副產物等方面，限值逐步對標甚至超過了美國、日本、歐盟等國際標準。另外，對持久性有機污染物（POPs）、內分泌干擾物（EDCs）、抗生素和微塑料等新污染物的限制要求也逐漸出現，成為了新的關注熱點。2024年4月，美國頒布最新國家飲用水標準，首次對全氟烷基和多氟烷基物質（PFASs）實施嚴格管控，并設定了多項最大污染物水平。歐盟與日本同樣在飲用水標準上進行了更新與強化，實施了更為嚴格的新污染物管控要求。在此背景下，新國標首次將PFASs中的全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）納入水質參考標準。同時，《重點管控新污染物清單（2023年版）》也將這類新污染物列入首位。

二、處理現狀與技術難點分析

2.1 處理現狀

目前，常用的給水深度處理主要有臭氧-活性炭和膜處理技術兩大類。其中臭氧-活性炭工藝通過臭氧的高級氧化、活性炭吸附及生物降解作用，去除水中的溶解性有機物，有效應對高錳酸鹽指數較高的原水，同時能夠去除腐殖質及藻類等消毒副產物（DBPs）前驅物，減少消毒副產物的生成量。超濾膜孔徑在0.02~0.1 μm，能夠顯著降低原水濁度，還能幾乎完全去除水中的致病微生物，特別對隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲的去除效果尤為顯著。另外，納濾膜能有效截留1~10 nm范圍的小分子物質，如無機鹽、小分子有機物等的去除率可達到近90%，并截留幾乎全部的溶解性有機碳（DOC），對天然有機物去除率高達95%以上，是控制消毒副產物、嗅味物質和新污染物的有效途徑。目前已建的膜過濾項目規模約為800萬m3/d，在建的處理規模約為200萬m3/d，總體約占我國現有城市供水能力的5%，且應用規模逐年升高。

然而隨著高品質供水要求的提出，采用常規處理工藝的現有水廠，通常存在占地不足的難題；若采用短流程膜處理工藝，又將造成嚴重的膜污染問題，導致膜通量急劇降低，無法達到設計產水量。基于這些提標難題，壓力式臭氧+耐氧化超濾膜、臭氧催化陶瓷膜短流程及高級氧化等新型工藝不斷涌現，為今后自來水廠提標改造、滿足高品質飲用水需要提供了新的技術路徑。

2.2 技術難點

經過調查研究，影響現有水廠水質進一步提升的主要難點在于水源水質季節性藻類爆發、低溫低濁期處理困難，以及運行管理滯后等，限制了運行效能的提升，導致藥耗較大、運行困難。另外，隨著供水標準對嗅味物質、消毒副產物、新污染物等高標準要求，開展提標改造勢在必行。

三、特殊水質指標控制技術

3.1 季節性高藻控制技術

對于常規處理水廠而言，在處理季節性藻類爆發和低溫低濁水的問題時，通過強化混凝沉淀和過濾工藝，在藻類的數量低于100萬個/L時，基本上能夠實現有效應對。在混凝階段，以復合鈦鹽混凝劑、復鐵聚合氯化鋁（CF-PAC）等為代表的新型絮凝劑逐漸成為研究熱點。近年來鈦鹽混凝在去除藻類、濁度和有機物方面已得到廣泛驗證，可分別與鋁鹽或鐵鹽形成復合藥劑，彌補了單一鈦鹽不易儲存、出水pH低的難題。根據高寶玉等研究，聚合氯化鋁鈦復合混凝劑（PATC）能夠有效去除小分子有機物和蛋白質熒光物質，可以顯著降低不可逆膜污染。研究表明，針對低溫低濁原水，采用鈦鐵復合藥劑（PTFC）在原水濁度為6.0~6.5 NTU下實現了更好的混凝效果，有機物去除率達到60%以上，渾濁度去除率90%左右，且通過與傳統藥劑聚合氯化鋁（PAC）相比，其投加量可降低30%以上。

對傳統絮凝池的改造也能在低加藥量下實現混凝效果的提升。水力旋流型網格絮凝池、微渦流絮凝池、篩板絮凝池等，都是通過形成多層次的微動力擾動或渦旋流動，增強反應池內的紊動效應和膠體碰撞幾率，進而強化混凝效果。

為應對原水藻類生長導致的水質異常，通過在原水點投加粉末活性炭，對天然有機物有良好的去除效果。為應對南水北調水冬季低溫低濁和夏季高藻問題，北京市配套水廠同時采用預臭氧、預加氯和粉末活性炭投加，有效保證了出水水質和供水安全。

3.2 嗅味物質控制技術

目前對水中嗅味物質的控制研究，主要關注于藻細胞破壞后產生的土臭素（GSM）和2-甲基異莰醇（2-MIB），由于這兩種物質嗅閾值較低，約為5~10 ng/L就能出現明顯臭味。研究表明，單獨的臭氧氧化反應速率偏低，難以高效去除GSM和2-MIB。在水廠升級改造或新建時，超濾膜可有效攔截藻細胞，減少藥劑投加，然而藻及其分泌物卻是膜污染的重要因素。研究表明，采用高錳酸鉀與氯的聯合預氧化技術能有效提高除藻效率，同時減少了氯投加量和消毒副產物的生成。針對長期性的嗅味物質超標，采取臭氧-活性炭或膜深度處理是常用的應對策略。

3.3 消毒副產物控制技術

消毒池停留時間長、消毒藥劑投加量大、消毒副產物前體物（DOM）含量高是消毒副產物生成的重要原因。

研究表明，采用臭氧活性炭深度處理工藝的水廠，進入消毒池的小分子有機物大量減少，實現了三鹵甲烷總量控制在0.3以下；高級氧化技術可實現80%的水中鹵乙酸直接氧化去除；通過曝氣或吹脫方式，可有效去除揮發性的鹵代烴類副產物；通過“強堿性陰子樹脂吸附技術（MIEX）+混凝沉淀組合工藝”可有效去除DOM，控制DBPs的生成，減少三鹵甲烷和鹵乙酸的生成量。

3.4 新污染物控制技術

研究表明，水廠進水中的PFASs平均濃度在4.47~14.30 ng/L，出水為3.34~13.9 ng/L，幾乎沒有去除作用，說明常規處理方式難以有效去除PFOA和PFOS。常用的新污染物去除方法有臭氧氧化、活性炭吸附、高級氧化、納濾膜處理等。臭氧-活性炭工藝對以磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、六氯苯、馬拉硫磷和雙酚A等為主的EDCs和POPs有較好的協同去除效果，總體去除率能達到70%~80%左右，滿足新國標的要求。研究表明，采用高濃度的粉末活性炭（5~20 mg/L）對原水進行吸附預處理，對抗生素有良好的去處效果，實現54.1%~95.8%的去除率。過氧乙酸、臭氧催化-過氧化氫等，可通過紫外、超聲波、過渡金屬等活化，產生的強氧化自由基（RO·和HO·）對酚類、染料和抗生素等有很好的氧化去除作用。然而在此過程中可能因氧化不完全，產生醛類有毒副產物，需要對反應過程進行有效控制。

另外，因納濾膜針對相對分子質量在200~2 000 Da的有機物有很好的攔截作用，因此也能有效控制出水中的新污染物含量。然而，由于通量與去除率的矛盾，納濾對于長鏈物質有很好的去除效果，而對某些短鏈物質，如陰離子和中性全氟化合物去除率卻低于80%。采用親水納米材料對膜表面進行官能化改性，能夠改變表面形貌和電荷性質，增強篩分和靜電排斥作用，提高對新污染物的去除性能。

四、高效處理新工藝發展

4.1 超濾/納濾短流程工藝

當前，隨著各地對高品質飲用水需求的日益增長，以超濾和納濾為代表的短流程膜處理工藝脫穎而出,具有處理效率高、占地面積小、綠色清潔的優勢。

長江下游水質普遍較好，沒有藻類爆發性突發事件，也為超濾+納濾短流程膜處理工藝的推廣應用打下了良好基礎。經過南通蘆涇水廠、狼山水廠、張家港市第四水廠等工程應用，已驗證了該技術路線的可行性。如圖1所示，張家港市第四水廠采用“混凝-沉淀-超濾-納濾”工藝，實現了遠優于國家標準的高品質供水要求，超濾出水即可實現出水0.2 NTU以下，總出水耗氧量達到1.0 mg/L以下。然而，超濾和納濾相較傳統工藝存在前期投資較大、運行能耗高、設備維護復雜、膜污染問題突出等技術瓶頸，對在線儀表、自動控制程度有很強的依賴性，這些都是未來需要進一步優化升級的技術方向。特別是短流程工藝的膜污染問題，可能導致反洗頻率增大、運行周期短等難題，因此控制進入納濾膜系統的SDI值低于5，是保證運行效能、控制膜污染的有效途徑。現階段超濾+納濾短流程工藝主要適用于原水水質較好且流動性大，不存在高藻和有機物偏高問題的水源。

圖1 超濾/納濾短流程工藝

4.2 超低壓納濾膜短流程工藝

納濾膜由于致密的膜孔徑，對有機物和無機鹽都有較好的截污效果，但也更容易堵塞，隨著膜材料和制膜工藝的不斷升級，出現了超低壓選擇性納濾膜（DF），其截留相對分子質量為150~500 Da，對溶解性無機鹽有選擇性透過性，相較于傳統納濾膜，DF通過調控膜孔徑、荷電性質和膜結構，實現工作壓力低（＜0.55 MPa）、水回收率高（≥80%）的特性。

如圖2所示，張平允等將砂濾池出水經保安過濾器后進入超低壓納濾膜系統，結果表明DF對有機物、氨氮以及GSM和2-MIB等嗅味物質的去除效果與常規相當，且化學清洗后可實現100%通量恢復。由于膜性質差異，DF雖然運行壓力低、通量大，但對總硬度和鈣等去除效果有所下降，適用于微有機污染的地表原水深度處理。

圖2 超低壓納濾膜短流程工藝

4.3 壓力式臭氧+耐氧化超濾膜工藝

為了同時實現原水中有機污染物的氧化去除和出水低濁度要求，臭氧氧化和膜處理是主要手段，但傳統有機膜抗氧化能力弱，因此需單獨設置臭氧接觸池、活性炭吸附池，待臭氧完全反應后方可進入膜系統，存在處理流程長、控制環節多、建設成本高的難題。隨著膜材料的不斷更新換代，在此基礎上開發的壓力式臭氧+耐氧化超濾膜工藝，通過壓力式臭氧發生器將富含高濃度臭氧的原水送入耐氧化超濾膜系統，在去除有機污染物的同時實現了在線氧化性清洗，有效控制了膜污染。目前，耐氧化超濾膜主要有陶瓷膜、熱致相分離法聚偏氟乙烯（TIPS-PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、PTFE復合PVDF等，相對于常規超濾膜在耐化學性能、耐高溫和耐堿性能方面更具優勢，但是成本要高很多。

如圖3所示，原水經初沉池、疊片過濾裝置等預處理單元后，將濃度15 mg/L的臭氧與高壓水充分接觸，通過高壓快速反應，將臭氧反應時間由傳統的10 min降低至5~6 min；有機污染物去除后，通過微泡發生器將臭氧水送入超濾膜，去除不溶性顆粒，出水可實現濁度低于0.1 NTU；同時，清水池中主要采用臭氧消毒，能夠大幅減少氯消毒劑的投加量，對控制消毒副產物有重要作用。目前，該工藝已在河北、山東、天津等地開展技術應用，其中逸仙園水廠（3萬m3/d）為代表性工程示范，占地僅1000 m2，工期6個月，出水大部分指標達到直飲水標準。另外，通過新型臭氧膜清洗方式，跨膜壓差基本保持在2~3 m，化學清洗周期可長達24個月。該工藝在具備占地面積小、建設周期短、自控程度高、良好應用前景的同時，也存在設備系統復雜、對原水水質要求高、易膜污染、耐沖擊負荷不足等需要進一步優化升級，目前適用于中小規模水處理設施。

圖3 壓力式臭氧+耐氧化超濾膜工藝

4.4 陶瓷膜催化臭氧短流程工藝

近年來，隨著采用膜處理的水廠已運行超過10年，老化、斷絲等問題逐漸出現，容易引發供水安全風險，而更換膜又投資較大，逐漸成為研究熱點。陶瓷膜以其耐氧化、通量高、結構穩定性強等優勢逐漸成為應用熱點，但其重量大、膜污染、投資高等難題成為制約大規模應用的技術瓶頸。為了緩解陶瓷膜的污染問題，臭氧+陶瓷膜的組合形式出現，該技術集陶瓷膜過濾和催化作用于一體。研究表明，臭氧對水中NOM的氧化作用是控制膜污染的主要因素，同時降低DBPs的生成。另外，由于陶瓷膜的非均相催化氧化特性和限域特性，為膜孔內臭氧的催化提供了有效空間和接觸面積，形成了較為穩定的·OH，使其利用率及反應速率大幅提升。

如圖4所示，通過將傳統的沉淀池進行改造為水平管、斜管等高效沉淀池型，較平流沉淀池可節約占地近60%，出水濁度低于1 NTU，為后續陶瓷膜的應用提供了良好的水質條件。根據實際應用案例，該工藝對2-MIB和GSM等嗅味物質的去除率高于97%，對新污染物PPCPs和EDCs去除率高達98%。與常規“混凝沉淀-砂濾-超濾”組合工藝相比，高效沉淀池對濁度的去除穩定性較差，因此然而，在高濁度原水下，膜污染問題仍然較突出，存在耐沖擊負荷能力不足的技術難題。

圖4 陶瓷膜催化臭氧短流程工藝

4.5 前置臭氧催化氧化-生物流化床工藝

當原水藻類和有機物濃度偏高時，采用預臭氧效果有限，若直接進入常規處理單元，將導致濾池運行負荷加大、反洗頻繁。為了提高預處理效率，臭氧催化氧化-生物流化床工藝通過采用自激脈沖空化射流和臭氧催化氧化過程，將難以去除的有機物和新污染物氧化分解后進入生物活性炭流化床，進一步通過生物作用降解小分子有機物、氨氮和DBPs前體物。如圖5所示，該工藝通過將臭氧催化氧化-生物流化床前置，有效避免了常規臭氧-活性炭工藝微生物泄露、出水濁度升高的技術難題，保證了出水水質穩定和安全。

圖5 前置臭氧催化氧化-生物流化床工藝

4.6 UV-H2O2高級氧化工藝

隨著高品質供水要求對出水消毒副產物、嗅味物質和新污染物的高標準要求，臭氧氧化成為應用熱點，但對于原水中溴離子含量較高（＞150 μg/L）時，投加臭氧超過1.0 mg/L也會帶來溴酸鹽超標的水質風險。以紫外催化和H2O2為主的UV-H2O2高級氧化工藝為消毒副產物、嗅味物質和新污染的去除提供了新的解決方案。該工藝主要通過光化學反應產生高活性的·OH，能夠取代臭氧單元，反應接觸時間僅需36 s，具有氧化性強、無副產物、占地節約等優勢。研究表明，單獨的活性炭吸附對長鏈全氟PFOA和PFOS去除效果較好，但對短鏈的PFBA和PFBS去除效果較差，而經過與UV-H2O2相結合，對上述新污染去除效果可分別高達90%和50%以上。該技術在歐美國家已有較早的應用案例，如2004年荷蘭PWN水廠（10萬m3/d）和2005年荷蘭鹿特丹水廠（47萬m3/d）。

目前該技術在我國的應用案例較少，但具有較大應用前景。如圖6所示，山東省某水廠（4萬m3/d）采用UV-H2O2與活性炭吸附組合處理方式，可實現原水2-MIB由最高180 ng/L降低至10 ng/L以下，有效實現應對水庫和內陸河季節性嗅味超標問題。根據運行案例，UV計量為200~800 mJ/cm2，H2O2投加量為3~30 mg/L，其建設成本與傳統臭氧-活性炭工藝相當，約為0.07~0.20 元/m3，主要來源于UV燈管更換、H2O2投加以及運行電費。該工藝技術在我國應用較少，運行經驗和管理模式尚不足，隨著國產裝備制造水平的提升，將成為新的深度處理技術選擇。

圖6 UV-H2O2+活性炭吸附工藝

五、工藝處理路線研究

隨著高品質供水要求不斷提升，傳統水處理工藝已無法滿足高標準要求，新興水處理技術不斷涌現。飲用水安全健康是當今發展追求的目標，對于水質提升工程，如何選擇高效低碳、經濟適用的凈水技術路線至關重要。面對逐步提升的水質標準，應通過分析水源特性和特殊水質指標，選擇經濟有效的處理技術，構建安全高效的飲用水多級屏障及保障措施是關鍵。

本文總結了新型處理工藝的優缺點及應對情況，為今后水廠新建工程設計工藝技術路線選擇提供技術支持。

（1）當水源水質水量不穩定，存在季節性高藻、嗅味物質問題，但占地較充足時，可考慮采用“預氧化+混凝沉淀+過濾+臭氧-生物活性炭+超濾+納濾+消毒”全流程處理工藝，通過構建飲用水安全多級屏障，最大程度保證供水水質水量安全。

（2）當水源水質水量較好，但存在季節性高藻、嗅味物質問題，對消毒副產物、新污染物有較高要求并且有一定占地時，可考慮采用“超濾/納濾”“超低壓納濾膜”“前置臭氧催化氧化-生物流化床”等短流程處理新工藝，實現出水水質達到高品質飲用水要求。

（3）當水源水質較好，但存在季節性高藻、嗅味物質問題，對消毒副產物、新污染物有較高要求，并且可用地嚴重不足、建設工期要求短時，可考慮采用“壓力式臭氧+耐氧化超濾膜”“陶瓷膜催化臭氧”“UV-H2O2高級氧化”等高集約化、裝配化的新型處理工藝，實現出水水質的迅速提升，但經濟成本較大。

因此，在選取工藝路線時，應綜合考慮水源水質水量特征，根據建設要求和標準，選擇經濟合適的工藝技術路線。

六、結語

在新國標嚴格實施的背景下，為滿足高品質飲用水對出水嗅味物質、消毒副產物及新污染物的高標準要求，對現有水廠進行水質提標及擴容改造已成為必然選擇。隨著新材料、新設備、新工藝的層出不窮，為飲用水安全健康保障和多級屏障構建提供了新的解決之道。在此背景下，深入分析水源水質特征，選取安全高效的處理技術顯得尤為重要。

針對現有水廠面臨的季節性藻類爆發、低溫低濁原水等挑戰，可考慮通過實施預氧化及強化常規處理措施，顯著改善出水水質；為應對消毒副產物、嗅味物質技術難題，可考慮采取臭氧-活性炭或膜處理工藝，增強對天然有機物、2-MIB和GSM的去除性能；針對新污染物的去除需求，可考慮選擇臭氧催化氧化、過氧化氫等高級氧化工藝或納濾技術，確保出水水質的健康安全。

雖然新型處理技術占地面積小、自動化程度高、建設周期短，且在嗅味物質、消毒副產物及新污染物的去除方面具有顯著優勢，但目前應用案例均較少、建設成本高且設備復雜，運行管理尚需專人執行，缺乏相關的運行技術規程，距離大規模應用尚需進一步完善和發展。

聲明：本文轉自給水排水，作者鮑任兵、鄒磊、劉海燕等。本文版權歸原作者所有，不代表本網站觀點，僅供學習交流之用，不做商業用途。如文中的內容、圖片、音頻、視頻等存在第三方的在先知識產權，請及時聯系我們刪除。