自来水深度处理工艺涉及到去除通常无法通过常规工艺去除的污染物的过程，了解深度处理工艺是跟上行业发展步伐的关键。本文基于深度处理工艺中常见的臭氧生物活性炭工艺、膜、电化学法等展开概述简要，是很不错的生产实践入门学习资料。
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尽管传统的水处理工艺是久经考验的工艺方法，但深度处理工艺在全球范围内越来越受到欢迎。深度处理涉及到去除通常无法通过常规工艺去除的污染物的过程。有关常规处理的更多信息，请参见“”。本文提供了许多供水企业正在上马的深度处理工艺的基本概述，为运营人员提供了较新的处理工艺的工作知识，以及为什么他们所在的供水企业在未来可能会上马这些工艺。
针对溶解性物质的气浮工艺
针对溶解性物质的气浮工艺（DAF）是一种针对性的处理工艺，它利用微气泡将颗粒物漂浮到反应器的表面。这种从液体中分离固体的过程与传统的重力分离不同，它的主要改进是利用扩散空气的浮选作用，在工艺过程中，水或废水处理器内的空气扩散器将气泡分布扩散到水体中，将颗粒或油脂浮到表面，同时将氧气引入水中，或从水中去除不需要的溶解性气体。
图1：气浮
*气浮包括一个产生气泡的过程，气泡会附着在固体颗粒上，使它们上升到液体表面而不是沉降到底部。在液体的表面，澄清池中的微囊藻菌落（左）被气浮工艺和除渣器（右）去除。
地表水处理厂可以使用气浮工艺从湖泊原水中分离藻类，该工艺过程有几个好处：首先，它可以去除胶体状的有机物，减少生成消毒副产品（DBPs）的可能性，如三卤甲烷等；其次，它可以在蓝藻被水厂工艺杀灭破坏之前先将其去除掉，从而减少蓝藻毒素释放的可能性；最后也是最显著的是，它可以减少与藻类有关的嗅和味（T&O），而且是通过分离而非通过杀灭破坏藻类细胞来实现的，可以有效防止藻类细胞死亡时细胞内化合物的释放。
膜过滤
过滤工艺可以去除澄清后剩余的悬浮固体。澄清池的出水进入过滤池，作为物理屏障，最理想的状态是能够去除除溶解性固体以外的一切固体。使用颗粒介质（沙子/无烟煤）的传统过滤工艺能有效去除直径大于10微米的颗粒。而去除直径小于10微米的颗粒则需要膜过滤（图2）。
图2：膜过滤去除颗粒的大小和操作压力范围
*多种膜材料和膜过滤平台可用于处理大多数的原水，并可以保证较长的使用寿命。
常规的需要通过对原水加压来实现的膜过滤过程包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）。
图3：反渗透（RO）膜系统，如德克萨斯州威奇托福尔斯市的赛普拉斯水处理厂的RO工艺，基本上可以去除所有有机和无机物。
微滤和超滤
微滤使用具有0.1微米孔径的膜，可以去除原生动物和细菌。超滤使用孔径为0.01微米的膜，可以去除病毒。微滤和超滤都能去除悬浮颗粒，而纳滤和反渗透可以去除溶解性的成分。如果原水中的悬浮物含量低，微滤和超滤可以在澄清工艺后使用，或直接代替澄清工艺。
混凝剂可用于过滤该工艺的前序工艺，使有机物吸附在澄清池中沉淀的固体上，及后续通过微滤或超滤膜进行分离。与传统过滤一样，微滤和超滤系统必须定期进行反冲洗，或在过滤性能明显下降时，用反向的压力水和/或空气进行反冲洗。此外，必须定期将膜浸泡于清洁溶液中，这取决于膜材料和具体的应用场景。必须根据膜制造商的建议，定期开展原位的清洗程序，去除多余的颗粒物堆积，并对膜进行消毒。
纳滤
纳滤使用具有0.001微米孔隙的膜，可以去除溶解性的离子以及天然或合成的有机物。纳滤经常被用来去除地下水的色度和硬度（如钙和镁）。对单价离子（如钠和氯）的去除是有限的，但这取决于所使用的纳滤膜的类型。纳滤膜工艺配套的设备与反渗透相似。反渗透过程需要更高的压力，以克服总溶解性固体（TDS）产生的全部渗透压，但因为可以允许通过TDS中的部分离子，纳滤膜工艺需要的压力要小得多。纳滤膜工艺渗透液的回收率通常比反渗透的高（约90%）。由于较小的离子和分子，如溶解性的气体（如硫化氢），不能被纳滤膜去除，因此，通常需要将气提作为后处理过程。纳滤膜配套的额外的后处理选择包括添加钙/石灰或与其他生产线的水混合以减少对管网的腐蚀性。浓缩液需要通过地表排放、深井注入或排入排水系统以进行适当处理。
图4：反渗透（RO）膜系统，如德克萨斯州威奇托福尔斯市的赛普拉斯水处理厂的RO工艺，基本上可以去除所有有机和无机物。
反渗透
反渗透使用孔径小于0.001微米的膜，可以去除几乎所有的溶解性物质（例如离子、重金属等）。反渗透通常用于去除原水中的溶解性总固体（TDS）。当需要脱盐时，它是一个有效的选择，但也会产生浓缩的废液（图5）。另外，反渗透可以去除其他污染物，如硫酸盐、硝酸盐、农药、重金属和放射性元素。由于反渗透膜的孔径较小，在反渗透之前需要进行某种类型的澄清/过滤预处理过程，除非原水的悬浮物含量本来就较低。
图5：反渗透（RO）膜系统，如德克萨斯州威奇托福尔斯市的赛普拉斯水处理厂的RO工艺，基本上可以去除所有有机和无机物。
反渗透膜的选择是因地制宜的，取决于来水的特性和整个反渗透系统的配置（例如，低压或高压，单级或多级）。使用反渗透膜工艺时，结垢和污染是两个最大的问题。当溶解性的颗粒沉积在膜表面时，会发生结垢，导致膜堵塞。当悬浮颗粒积聚在膜内时，就会造成污染。在反渗透膜开始正常工作之前，这两种情况造成的问题都应该被处理到最小化。通常情况下，结垢需要在反渗透的来水侧中使用抗垢剂，以抑制离子在膜表面的沉淀。膜污染的问题可能需要在膜工艺前增加混凝、过滤或其他类型的预处理。重要的是要与反渗透膜供应商或第三方密切合作，以确定具体项目应该对特定的来水搭配何种预处理工艺类型。
案例研究
气浮工艺解决藻类问题
德克萨斯州韦科市几十年来一直疲于应对客户投诉的嗅和味（T&O）问题。北博斯克流域的降雨径流，使韦科湖受到从北博斯克河流入的磷和氮等营养物质过度富集的水的严重影响，形成了有利于藻类生长的条件。一些种类的藻类容易产生如土臭素和二甲基异莰醇之类的致嗅物质，而且还会随着藻类的大量繁殖而更为严重。传统的处理工艺无法去除这些致嗅化合物，从而导致了客户的不断投诉。
该市决定在韦科湖大坝下建立一个气浮工艺（DAF）水厂，在预消毒前将藻类先通过气浮分离出来。该厂在气浮工艺之后进行臭氧处理，以破坏原水中所有致嗅化合物。气浮和臭氧组成的预消毒段有效减少了水厂消毒剂的投加需求，降低了系统的化学药剂成本。
吸附过滤
颗粒活性碳（GAC）过滤是一个比传统过滤更有针对性的吸附过程（即由水中的颗粒物形成薄膜状粘附在过滤介质的外表面）。GAC滤池是在一个固定床或后置式的接触滤池中，填充热加工或化学加工处理的有机介质（木材、椰壳、煤和泥炭）。它们的运行方式是在水通过过滤介质时，污染物质被过滤介质吸附，使液相中的污染物通过粘附在过滤介质表面转移到固相中。GAC过滤可用于去除高分子量的有机污染物，如致嗅化合物，但对去除微生物、重金属或离子并不十分有效。
离子交换
离子交换（IX）是一种在处理工艺中需要去除低浓度离子时使用到的化学工艺过程。IX可用于去除阳离子（带正电的离子，如钠、铁、铅和钙）或阴离子（带负电的离子，如硝酸盐、硫酸盐和氯）。在IX处理过程中，让水通过吸附有某种饱和离子的树脂床，水中希望被去除的离子通过与树脂上的离子交换，达到被去除的目的。
图6：阳离子离子交换示意
*硬水通过交换钙镁离子变软。
臭氧
臭氧（O3）是一种通过放电或真空紫外线（UV）照射，由分子氧（O2）产生的高活性气体。臭氧可以作为一种强大的氧化剂来氧化无机和有机化合物，也可以作为一种消毒剂来杀灭病毒、细菌和原生动物。
臭氧处理通常的目的包括去除铁和锰、去除致嗅化合物、氧化硫化氢（H2S）、去除色度、减少氯化消毒副产物，以及消毒。当与生物活性炭过滤（生物过滤）相结合时，臭氧可以去除约20%的总有机碳并减少氯化消毒副产物的生成潜力。众所周知，臭氧还能减少混凝剂的投加量，改善混凝-絮凝-沉淀过程。
臭氧可以氧化和破坏许多化学物质，包括许多药品和个人护理产品。然而，某些卤化（氟化、氯化、溴化和碘化）有机物不能被臭氧去除/破坏。此外，臭氧不与氨反应。需要通过添加过氧化氢（H2O2）可以加强臭氧对有机物的氧化作用，这被称为O3/H2O2高级氧化过程（AOP），会在后面的章节中讨论。
由于臭氧是一种很活泼的气体，它不能被储存；它必须在现场用臭氧发生器制备（3a）。液态氧（3b）或氧气浓缩器被用来向臭氧发生器提供分子氧，干燥的环境空气也可以用作氧源。（注意：如果使用环境空气，臭氧气体浓度会低很多。空气中的氧含量约为21%）。一般的做法，臭氧投加是通过空气扩散器将臭氧气体注入水中。然而，文丘里喷射器（3c）和侧流泵在新的设施中经常被使用。根据水厂的具体处理目标，臭氧可以在快速混合前（前臭氧）、沉淀后（中间臭氧）和/或过滤后（后臭氧）时注入。
图7：3a-3d德克萨斯州Wylie市水厂的臭氧系统包括臭氧发生器（3a）、液氧储存罐（3b）、文丘里喷射器（3c）和一个臭氧破坏装置（3d）。
臭氧与水中的溴化物（Br-）发生反应，产生溴酸盐（BrO3-），成为一种DBP。溴酸盐是一种可疑的致癌物质，其在饮用水中的最大污染物含量为0.010毫克/升。因此，溴酸盐的监测和控制对于使用臭氧的饮用水处理设施至关重要。溴酸盐的形成可以通过降低臭氧剂量和pH值或添加H2O2和氯胺来减少。
紫外
紫外系统被用于水处理已经有将近100多年了，并在过去的几十年里得到了普及。紫外系统针对病原体（大肠杆菌、隐孢子虫、贾第虫、病毒等）通过灭活作用对水进行消毒。在紫外线系统中，水通常首先被过滤以去除悬浮物，这会帮助增加了紫外线辐射的有效性。紫外线-C光子（200-280纳米波长）在紫外线灯中产生并进入水体。光子穿过微生物的细胞壁/膜，被蛋白质和核苷酸（DNA和RNA）吸收。核苷酸的吸收推动了光化学反应，改变了微生物的基因序列，使其失活，从而无法繁殖。
高级氧化
高级氧化是一组氧化过程的组合，主要是形成并利用寿命极短的非选择性自由基（如羟基自由基）对有机污染物进行氧化和分解。高级氧化需要不同的化学和物理制剂的组合，如臭氧、紫外线、H2O2和二氧化钛。饮用水处理中最常用的两种高级氧化工艺的组合是O3/H2O2和UV/H2O2，尽管后者更常用于废水回用和饮用水再利用的深度净水设施（图8）。
图8：UV/H2O2高级氧化反应器在加利福尼亚州芳泉谷橙县水地区的地下水补给系统中应用。
作者：HunterAdams,SteveAsh,KeisukeIkehata,MarkSouthard
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。