应对高藻、嗅味、新污染！高品质供水厂提标改造工艺选择策略

导语：通过对新国标和地方标准中高品质供水水质指标要求进行深入分析，评估了当前水处理技术现状及技术难点，并提出了针对夏季高藻、嗅味物质、消毒副产物及新污染物的水质提标方案。通过分析以双膜短流程、超低压纳滤膜、压力式臭氧+耐氧化超滤膜、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高级氧化等为代表的新兴水处理技术，提出了工艺的优缺点及应对情况，为构建高品质供水技术路线提供了新的思路。针对季节性藻类爆发、低温低浊原水等难题，可考虑采用预氧化与强化常规处理；针对消毒副产物与嗅味物质，可考虑采用臭氧-活性炭或膜处理工艺，削减天然有机物、2-MIB和GSM等有害成分；对于新污染物，可考虑采用高级氧化工艺及纳滤技术，确保出水水质健康安全。

未来，随着技术的不断进步和标准的持续提高，将进一步推动水处理技术的创新与发展，为构建更加安全、高效、可持续的供水体系奠定坚实基础。

本文通过分析当前高品质供水要求与处理现状，对处理难点进行深入探讨，总结了特殊水质指标控制技术方案。同时，对新型高效处理技术的适用范围及应用情况开展讨论，提出了新形势下水厂高效运行及提标改造策略，以期为未来水厂水质提升与绿色发展提供技术支持。

一、高品质供水要求

2022年3月，《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）（以下简称“新国标”）正式发布，把供水水质要求提到了新的高度。新国标对水质指标进行了重新调整，由2006年版的106项调整至97项，并增设了乙草胺、高氯酸盐、2-甲基异莰醇和土臭素。为了进一步降低消毒副产物的生成量，将出厂水和末梢水余氯高限值由4 mg/L降低至2 mg/L。同时，将一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷、三卤甲烷、二氯乙酸、三氯乙酸等将常见的氯化消毒、二氧化氯消毒和臭氧消毒副产物纳入常规指标。可见，在新的发展要求下，更关注于对饮用水嗅味、口感、舒适度以及健康要求，实现了从“安全饮水”到“健康可口”的跨越。

随着高品质饮用水要求不断提高，2018年以来，上海、深圳、苏州等地相继出台了更严格的水质标准，在重金属含量、微生物指标、消毒副产物等方面，限值逐步对标甚至超过了美国、日本、欧盟等国际标准。另外，对持久性有机污染物（POPs）、内分泌干扰物（EDCs）、抗生素和微塑料等新污染物的限制要求也逐渐出现，成为了新的关注热点。2024年4月，美国颁布最新国家饮用水标准，首次对全氟烷基和多氟烷基物质（PFASs）实施严格管控，并设定了多项最大污染物水平。欧盟与日本同样在饮用水标准上进行了更新与强化，实施了更为严格的新污染物管控要求。在此背景下，新国标首次将PFASs中的全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）纳入水质参考标准。同时，《重点管控新污染物清单（2023年版）》也将这类新污染物列入首位。

二、处理现状与技术难点分析

2.1 处理现状

目前，常用的给水深度处理主要有臭氧-活性炭和膜处理技术两大类。其中臭氧-活性炭工艺通过臭氧的高级氧化、活性炭吸附及生物降解作用，去除水中的溶解性有机物，有效应对高锰酸盐指数较高的原水，同时能够去除腐殖质及藻类等消毒副产物（DBPs）前驱物，减少消毒副产物的生成量。超滤膜孔径在0.02~0.1 μm，能够显著降低原水浊度，还能几乎完全去除水中的致病微生物，特别对隐孢子虫和贾第鞭毛虫的去除效果尤为显著。另外，纳滤膜能有效截留1~10 nm范围的小分子物质，如无机盐、小分子有机物等的去除率可达到近90%，并截留几乎全部的溶解性有机碳（DOC），对天然有机物去除率高达95%以上，是控制消毒副产物、嗅味物质和新污染物的有效途径。目前已建的膜过滤项目规模约为800万m³/d，在建的处理规模约为200万m³/d，总体约占我国现有城市供水能力的5%，且应用规模逐年升高。

然而随着高品质供水要求的提出，采用常规处理工艺的现有水厂，通常存在占地不足的难题；若采用短流程膜处理工艺，又将造成严重的膜污染问题，导致膜通量急剧降低，无法达到设计产水量。基于这些提标难题，压力式臭氧+耐氧化超滤膜、臭氧催化陶瓷膜短流程及高级氧化等新型工艺不断涌现，为今后自来水厂提标改造、满足高品质饮用水需要提供了新的技术路径。

2.2 技术难点

经过调查研究，影响现有水厂水质进一步提升的主要难点在于水源水质季节性藻类爆发、低温低浊期处理困难，以及运行管理滞后等，限制了运行效能的提升，导致药耗较大、运行困难。另外，随着供水标准对嗅味物质、消毒副产物、新污染物等高标准要求，开展提标改造势在必行。

三、特殊水质指标控制技术

3.1 季节性高藻控制技术

对于常规处理水厂而言，在处理季节性藻类爆发和低温低浊水的问题时，通过强化混凝沉淀和过滤工艺，在藻类的数量低于100万个/L时，基本上能够实现有效应对。在混凝阶段，以复合钛盐混凝剂、复铁聚合氯化铝（CF-PAC）等为代表的新型絮凝剂逐渐成为研究热点。近年来钛盐混凝在去除藻类、浊度和有机物方面已得到广泛验证，可分别与铝盐或铁盐形成复合药剂，弥补了单一钛盐不易储存、出水pH低的难题。根据高宝玉等研究，聚合氯化铝钛复合混凝剂（PATC）能够有效去除小分子有机物和蛋白质荧光物质，可以显著降低不可逆膜污染。研究表明，针对低温低浊原水，采用钛铁复合药剂（PTFC）在原水浊度为6.0~6.5 NTU下实现了更好的混凝效果，有机物去除率达到60%以上，浑浊度去除率90%左右，且通过与传统药剂聚合氯化铝（PAC）相比，其投加量可降低30%以上。

对传统絮凝池的改造也能在低加药量下实现混凝效果的提升。水力旋流型网格絮凝池、微涡流絮凝池、筛板絮凝池等，都是通过形成多层次的微动力扰动或涡旋流动，增强反应池内的紊动效应和胶体碰撞几率，进而强化混凝效果。

为应对原水藻类生长导致的水质异常，通过在原水点投加粉末活性炭，对天然有机物有良好的去除效果。为应对南水北调水冬季低温低浊和夏季高藻问题，北京市配套水厂同时采用预臭氧、预加氯和粉末活性炭投加，有效保证了出水水质和供水安全。

3.2 嗅味物质控制技术

目前对水中嗅味物质的控制研究，主要关注于藻细胞破坏后产生的土臭素（GSM）和2-甲基异莰醇（2-MIB），由于这两种物质嗅阈值较低，约为5~10 ng/L就能出现明显臭味。研究表明，单独的臭氧氧化反应速率偏低，难以高效去除GSM和2-MIB。在水厂升级改造或新建时，超滤膜可有效拦截藻细胞，减少药剂投加，然而藻及其分泌物却是膜污染的重要因素。研究表明，采用高锰酸钾与氯的联合预氧化技术能有效提高除藻效率，同时减少了氯投加量和消毒副产物的生成。针对长期性的嗅味物质超标，采取臭氧-活性炭或膜深度处理是常用的应对策略。

3.3 消毒副产物控制技术

消毒池停留时间长、消毒药剂投加量大、消毒副产物前体物（DOM）含量高是消毒副产物生成的重要原因。

研究表明，采用臭氧活性炭深度处理工艺的水厂，进入消毒池的小分子有机物大量减少，实现了三卤甲烷总量控制在0.3以下；高级氧化技术可实现80%的水中卤乙酸直接氧化去除；通过曝气或吹脱方式，可有效去除挥发性的卤代烃类副产物；通过“强碱性阴子树脂吸附技术（MIEX）+混凝沉淀组合工艺”可有效去除DOM，控制DBPs的生成，减少三卤甲烷和卤乙酸的生成量。

3.4 新污染物控制技术

研究表明，水厂进水中的PFASs平均浓度在4.47~14.30 ng/L，出水为3.34~13.9 ng/L，几乎没有去除作用，说明常规处理方式难以有效去除PFOA和PFOS。常用的新污染物去除方法有臭氧氧化、活性炭吸附、高级氧化、纳滤膜处理等。臭氧-活性炭工艺对以磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、六氯苯、马拉硫磷和双酚A等为主的EDCs和POPs有较好的协同去除效果，总体去除率能达到70%~80%左右，满足新国标的要求。研究表明，采用高浓度的粉末活性炭（5~20 mg/L）对原水进行吸附预处理，对抗生素有良好的去处效果，实现54.1%~95.8%的去除率。过氧乙酸、臭氧催化-过氧化氢等，可通过紫外、超声波、过渡金属等活化，产生的强氧化自由基（RO·和HO·）对酚类、染料和抗生素等有很好的氧化去除作用。然而在此过程中可能因氧化不完全，产生醛类有毒副产物，需要对反应过程进行有效控制。

另外，因纳滤膜针对相对分子质量在200~2 000 Da的有机物有很好的拦截作用，因此也能有效控制出水中的新污染物含量。然而，由于通量与去除率的矛盾，纳滤对于长链物质有很好的去除效果，而对某些短链物质，如阴离子和中性全氟化合物去除率却低于80%。采用亲水纳米材料对膜表面进行官能化改性，能够改变表面形貌和电荷性质，增强筛分和静电排斥作用，提高对新污染物的去除性能。

四、高效处理新工艺发展

4.1 超滤/纳滤短流程工艺

当前，随着各地对高品质饮用水需求的日益增长，以超滤和纳滤为代表的短流程膜处理工艺脱颖而出,具有处理效率高、占地面积小、绿色清洁的优势。

长江下游水质普遍较好，没有藻类爆发性突发事件，也为超滤+纳滤短流程膜处理工艺的推广应用打下了良好基础。经过南通芦泾水厂、狼山水厂、张家港市第四水厂等工程应用，已验证了该技术路线的可行性。如图1所示，张家港市第四水厂采用“混凝-沉淀-超滤-纳滤”工艺，实现了远优于国家标准的高品质供水要求，超滤出水即可实现出水0.2 NTU以下，总出水耗氧量达到1.0 mg/L以下。然而，超滤和纳滤相较传统工艺存在前期投资较大、运行能耗高、设备维护复杂、膜污染问题突出等技术瓶颈，对在线仪表、自动控制程度有很强的依赖性，这些都是未来需要进一步优化升级的技术方向。特别是短流程工艺的膜污染问题，可能导致反洗频率增大、运行周期短等难题，因此控制进入纳滤膜系统的SDI值低于5，是保证运行效能、控制膜污染的有效途径。现阶段超滤+纳滤短流程工艺主要适用于原水水质较好且流动性大，不存在高藻和有机物偏高问题的水源。

图1 超滤/纳滤短流程工艺

4.2 超低压纳滤膜短流程工艺

纳滤膜由于致密的膜孔径，对有机物和无机盐都有较好的截污效果，但也更容易堵塞，随着膜材料和制膜工艺的不断升级，出现了超低压选择性纳滤膜（DF），其截留相对分子质量为150~500 Da，对溶解性无机盐有选择性透过性，相较于传统纳滤膜，DF通过调控膜孔径、荷电性质和膜结构，实现工作压力低（＜0.55 MPa）、水回收率高（≥80%）的特性。

如图2所示，张平允等将砂滤池出水经保安过滤器后进入超低压纳滤膜系统，结果表明DF对有机物、氨氮以及GSM和2-MIB等嗅味物质的去除效果与常规相当，且化学清洗后可实现100%通量恢复。由于膜性质差异，DF虽然运行压力低、通量大，但对总硬度和钙等去除效果有所下降，适用于微有机污染的地表原水深度处理。

图2 超低压纳滤膜短流程工艺

4.3 压力式臭氧+耐氧化超滤膜工艺

为了同时实现原水中有机污染物的氧化去除和出水低浊度要求，臭氧氧化和膜处理是主要手段，但传统有机膜抗氧化能力弱，因此需单独设置臭氧接触池、活性炭吸附池，待臭氧完全反应后方可进入膜系统，存在处理流程长、控制环节多、建设成本高的难题。随着膜材料的不断更新换代，在此基础上开发的压力式臭氧+耐氧化超滤膜工艺，通过压力式臭氧发生器将富含高浓度臭氧的原水送入耐氧化超滤膜系统，在去除有机污染物的同时实现了在线氧化性清洗，有效控制了膜污染。目前，耐氧化超滤膜主要有陶瓷膜、热致相分离法聚偏氟乙烯（TIPS-PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、PTFE复合PVDF等，相对于常规超滤膜在耐化学性能、耐高温和耐碱性能方面更具优势，但是成本要高很多。

如图3所示，原水经初沉池、叠片过滤装置等预处理单元后，将浓度15 mg/L的臭氧与高压水充分接触，通过高压快速反应，将臭氧反应时间由传统的10 min降低至5~6 min；有机污染物去除后，通过微泡发生器将臭氧水送入超滤膜，去除不溶性颗粒，出水可实现浊度低于0.1 NTU；同时，清水池中主要采用臭氧消毒，能够大幅减少氯消毒剂的投加量，对控制消毒副产物有重要作用。目前，该工艺已在河北、山东、天津等地开展技术应用，其中逸仙园水厂（3万m³/d）为代表性工程示范，占地仅1000 m2，工期6个月，出水大部分指标达到直饮水标准。另外，通过新型臭氧膜清洗方式，跨膜压差基本保持在2~3 m，化学清洗周期可长达24个月。该工艺在具备占地面积小、建设周期短、自控程度高、良好应用前景的同时，也存在设备系统复杂、对原水水质要求高、易膜污染、耐冲击负荷不足等需要进一步优化升级，目前适用于中小规模水处理设施。

图3 压力式臭氧+耐氧化超滤膜工艺

4.4 陶瓷膜催化臭氧短流程工艺

近年来，随着采用膜处理的水厂已运行超过10年，老化、断丝等问题逐渐出现，容易引发供水安全风险，而更换膜又投资较大，逐渐成为研究热点。陶瓷膜以其耐氧化、通量高、结构稳定性强等优势逐渐成为应用热点，但其重量大、膜污染、投资高等难题成为制约大规模应用的技术瓶颈。为了缓解陶瓷膜的污染问题，臭氧+陶瓷膜的组合形式出现，该技术集陶瓷膜过滤和催化作用于一体。研究表明，臭氧对水中NOM的氧化作用是控制膜污染的主要因素，同时降低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，为膜孔内臭氧的催化提供了有效空间和接触面积，形成了较为稳定的·OH，使其利用率及反应速率大幅提升。

如图4所示，通过将传统的沉淀池进行改造为水平管、斜管等高效沉淀池型，较平流沉淀池可节约占地近60%，出水浊度低于1 NTU，为后续陶瓷膜的应用提供了良好的水质条件。根据实际应用案例，该工艺对2-MIB和GSM等嗅味物质的去除率高于97%，对新污染物PPCPs和EDCs去除率高达98%。与常规“混凝沉淀-砂滤-超滤”组合工艺相比，高效沉淀池对浊度的去除稳定性较差，因此然而，在高浊度原水下，膜污染问题仍然较突出，存在耐冲击负荷能力不足的技术难题。

图4 陶瓷膜催化臭氧短流程工艺

4.5 前置臭氧催化氧化-生物流化床工艺

当原水藻类和有机物浓度偏高时，采用预臭氧效果有限，若直接进入常规处理单元，将导致滤池运行负荷加大、反洗频繁。为了提高预处理效率，臭氧催化氧化-生物流化床工艺通过采用自激脉冲空化射流和臭氧催化氧化过程，将难以去除的有机物和新污染物氧化分解后进入生物活性炭流化床，进一步通过生物作用降解小分子有机物、氨氮和DBPs前体物。如图5所示，该工艺通过将臭氧催化氧化-生物流化床前置，有效避免了常规臭氧-活性炭工艺微生物泄露、出水浊度升高的技术难题，保证了出水水质稳定和安全。

图5 前置臭氧催化氧化-生物流化床工艺

4.6 UV-H2O2高级氧化工艺

随着高品质供水要求对出水消毒副产物、嗅味物质和新污染物的高标准要求，臭氧氧化成为应用热点，但对于原水中溴离子含量较高（＞150 μg/L）时，投加臭氧超过1.0 mg/L也会带来溴酸盐超标的水质风险。以紫外催化和H2O2为主的UV-H2O2高级氧化工艺为消毒副产物、嗅味物质和新污染的去除提供了新的解决方案。该工艺主要通过光化学反应产生高活性的·OH，能够取代臭氧单元，反应接触时间仅需36 s，具有氧化性强、无副产物、占地节约等优势。研究表明，单独的活性炭吸附对长链全氟PFOA和PFOS去除效果较好，但对短链的PFBA和PFBS去除效果较差，而经过与UV-H2O2相结合，对上述新污染去除效果可分别高达90%和50%以上。该技术在欧美国家已有较早的应用案例，如2004年荷兰PWN水厂（10万m³/d）和2005年荷兰鹿特丹水厂（47万m³/d）。

目前该技术在我国的应用案例较少，但具有较大应用前景。如图6所示，山东省某水厂（4万m³/d）采用UV-H2O2与活性炭吸附组合处理方式，可实现原水2-MIB由最高180 ng/L降低至10 ng/L以下，有效实现应对水库和内陆河季节性嗅味超标问题。根据运行案例，UV计量为200~800 mJ/cm2，H2O2投加量为3~30 mg/L，其建设成本与传统臭氧-活性炭工艺相当，约为0.07~0.20 元/m³，主要来源于UV灯管更换、H2O2投加以及运行电费。该工艺技术在我国应用较少，运行经验和管理模式尚不足，随着国产装备制造水平的提升，将成为新的深度处理技术选择。

图6 UV-H2O2+活性炭吸附工艺

五、工艺处理路线研究

随着高品质供水要求不断提升，传统水处理工艺已无法满足高标准要求，新兴水处理技术不断涌现。饮用水安全健康是当今发展追求的目标，对于水质提升工程，如何选择高效低碳、经济适用的净水技术路线至关重要。面对逐步提升的水质标准，应通过分析水源特性和特殊水质指标，选择经济有效的处理技术，构建安全高效的饮用水多级屏障及保障措施是关键。

本文总结了新型处理工艺的优缺点及应对情况，为今后水厂新建工程设计工艺技术路线选择提供技术支持。

（1）当水源水质水量不稳定，存在季节性高藻、嗅味物质问题，但占地较充足时，可考虑采用“预氧化+混凝沉淀+过滤+臭氧-生物活性炭+超滤+纳滤+消毒”全流程处理工艺，通过构建饮用水安全多级屏障，最大程度保证供水水质水量安全。

（2）当水源水质水量较好，但存在季节性高藻、嗅味物质问题，对消毒副产物、新污染物有较高要求并且有一定占地时，可考虑采用“超滤/纳滤”“超低压纳滤膜”“前置臭氧催化氧化-生物流化床”等短流程处理新工艺，实现出水水质达到高品质饮用水要求。

（3）当水源水质较好，但存在季节性高藻、嗅味物质问题，对消毒副产物、新污染物有较高要求，并且可用地严重不足、建设工期要求短时，可考虑采用“压力式臭氧+耐氧化超滤膜”“陶瓷膜催化臭氧”“UV-H2O2高级氧化”等高集约化、装配化的新型处理工艺，实现出水水质的迅速提升，但经济成本较大。

因此，在选取工艺路线时，应综合考虑水源水质水量特征，根据建设要求和标准，选择经济合适的工艺技术路线。

六、结语

在新国标严格实施的背景下，为满足高品质饮用水对出水嗅味物质、消毒副产物及新污染物的高标准要求，对现有水厂进行水质提标及扩容改造已成为必然选择。随着新材料、新设备、新工艺的层出不穷，为饮用水安全健康保障和多级屏障构建提供了新的解决之道。在此背景下，深入分析水源水质特征，选取安全高效的处理技术显得尤为重要。

针对现有水厂面临的季节性藻类爆发、低温低浊原水等挑战，可考虑通过实施预氧化及强化常规处理措施，显著改善出水水质；为应对消毒副产物、嗅味物质技术难题，可考虑采取臭氧-活性炭或膜处理工艺，增强对天然有机物、2-MIB和GSM的去除性能；针对新污染物的去除需求，可考虑选择臭氧催化氧化、过氧化氢等高级氧化工艺或纳滤技术，确保出水水质的健康安全。

虽然新型处理技术占地面积小、自动化程度高、建设周期短，且在嗅味物质、消毒副产物及新污染物的去除方面具有显著优势，但目前应用案例均较少、建设成本高且设备复杂，运行管理尚需专人执行，缺乏相关的运行技术规程，距离大规模应用尚需进一步完善和发展。

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