1.3　城市给水厂常规处理工艺

城市给水处理的常规工艺，即四段法，包括混凝、沉淀、过滤、消毒。

1.3.1　混凝

1.混凝机理

水处理中的混凝现象比较复杂，不同种类的混凝剂以及不同的水质条件，混凝剂作用机理都有所不同。混凝剂对水中胶体粒子的混凝作用归纳起来有4种：压缩双电层、吸附—电性中和、吸附架桥和网捕或卷扫作用。

压缩双电层作用：根据DLVO理论，要使胶粒通过布朗运动相撞聚集，必须降低或消除排斥能峰。降低排斥能峰的方法是降低或消除胶粒的ζ电位。可以通过向水中投加电解质来实现。

吸附—电性中和作用：吸附—电性中和作用是指胶粒表面对异号离子、异号胶粒或高分子物质带异号电荷的部位有强烈地吸附作用，由于这种吸附作用中和了它的部分或全部电荷，降低其ζ电位，并减小了胶体间的静电斥力，因而易与其他颗粒接近而相互发生吸附。这种现象在水处理中出现的较多。

吸附架桥作用：当高分子链的一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒—高分子—胶粒”的絮凝体（图1.1）。高分子起了胶粒与胶粒之间相互结合的桥梁作用，故称吸附架桥作用。当高分子物质投量过多时，全部胶粒的吸附面均被高分子覆盖以后，两胶粒接近时，就受到高分子的阻碍而不能聚集（图1.2）。

网捕或卷扫作用：当向水中投加很大剂量的铝盐或铁盐混凝剂后，在水解和聚合作用下，金属离子会以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物；或者当这种沉淀物从水中析出的过程中，会吸附和网捕水中胶粒产生共同沉降。这种作用，基本上是一种机械作用，所需要的混凝剂量与原水杂质含量成反比，即原水胶体杂质含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。

2.混凝剂和助凝剂

水处理中把为使胶体微粒脱稳沉淀而投加的电解质称为混凝剂。混凝剂种类很多，据目前所知，不少于200～300种类之多。按化学成分可分为无机和有机两大类。常见的混凝剂见表1.3。目前在水处理中主要使用的是铁盐和铝盐及其水解聚合物等无机混凝剂，而有机高分子混凝剂使用较少。本节仅介绍常用的几种混凝剂。

（1）无机混凝剂。

1）铝盐，常用的铝盐混凝剂有硫酸铝和聚合铝两种。硫酸铝盐的混凝效果受实际环境影响较大。聚合铝包括聚合氯化铝和聚合硫酸铝等，混凝效果受环境因素影响相对较小，效能优于硫酸铝。目前使用最多的是聚合氯化铝。

2）铁盐，常用的铁盐混凝剂有三氯化铁、硫酸亚铁以及聚合铁等。三氯化铁是铁盐混凝剂中最常用的一种。通常情况下，3价铁适用pH值范围较宽，形成的絮凝体比铝盐絮体密实。但三氯化铁腐蚀性较强，固体产品易潮解，保存困难。另外，使用硫酸亚铁做混凝剂时，应设法将Fe2＋氧化成Fe3＋来发挥混凝效果。因为固态硫酸亚铁是半透明绿色结晶体（俗称绿矾），会使处理后的水带色且混凝效果不及Fe3＋。聚合铁包括聚合硫酸铁和聚合氯化铁。同聚合铝一样，聚合铁实质上是在使用前已经发生了一定程度水解聚合反应的产物。其混凝效果优于三氯化铁，而且腐蚀性明显降低。

（2）有机高分子混凝剂。高分子混凝剂一般为线性高分子聚合物，分子成链状，由很多链节组成。每一个链节为一组成单体，各单体以共价键结合。按基团的带电性可分为阴离子型、阳离子型、两性型及非离子型四种。水处理中常用的是阴离子型、阳离子型和非离子型三种。

非离子型聚合物的主要品种有聚丙烯酰胺（PAM）和聚氧乙烯（PEO），前者是目前使用最广泛的人工合成有机高分子混凝剂。使用聚丙烯酰胺时，通常要将其在碱性条件下进行部分水解，生成阴离子型聚合物。水解度一般控制在30%～40%，以防止负电性过强对胶体絮凝产生阻碍作用。目前，聚丙烯酰胺通常作为助凝剂配合铝盐或铁盐使用，促进絮体聚合。由于其单体有毒，在使用时应严格控制单体残留量，我国规定聚丙烯酰胺混凝剂中丙烯酰胺含量不得超过0.2%，有的国家规定不得超过0.05%。

（3）助凝剂。当单独使用混凝剂不能取得预期效果时，需要投加某种辅助药剂以提高混凝效果，这种药剂称为助凝剂。

助凝剂可以分为两类：一类高分子助凝剂可以通过吸附架桥作用促使细小而松散的絮体变得粗大而密实，即这类助凝剂本身具备混凝性能，如聚丙烯酰胺、骨胶、活化硅酸等。这样的助凝剂与原有混凝剂可以起到协同增效作用，提高混凝效果。其中，聚丙烯酰胺是高浊水处理中使用最多的助凝剂，可以明显减少铝盐或铁盐混凝剂用量。骨胶易溶于水，无毒、无腐蚀性，与铝盐或铁盐混凝剂配合使用效果显著，但价格较高。此外，骨胶不能预制久存，需要现场配置。活化硅酸作为处理低温、低浊水的助凝剂效果较显著，也存在需要现场调制的使用不方便问题。

另一类助凝剂本身不参加混凝，但能通过改善混凝剂特性进行促进混凝过程。如投加石灰、硫酸等调整水的pH值，促进混凝剂水解反应；投加Cl2、O3等氧化剂类来破坏干扰混凝的物质（如有机物等）或将亚铁盐类混凝剂氧化成混凝效果较好的Fe3＋。

3.影响混凝效果的主要因素

影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括：水温、水化学特性、杂质性质和浓度以及水力条件等。

（1）水温影响。水温尤其是低温对混凝效果有明显的影响。水处理过程中，当地表水温低达0～2℃时，尽管投加了大量的混凝剂，依然存在絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散等较差的混凝效果。

（2）水的pH值及碱度影响。水的pH值对混凝效果的影响程度，视混凝剂品种而异。用铝盐除浊时，最佳pH值为6.5～7.5；用于去除水的色度时，pH值宜为4.5～5.5。采用三价铁盐作混凝剂时，pH值范围较宽，除浊时pH值控制在6.0～8.4之间，除色时pH值为5.0～5.5。使用亚铁盐作混凝剂时，为了提高混凝效果可将水的pH值提高至8.5以上，利用水中的溶解氧将二价铁氧化成三价铁。由于这种方法操作比较复杂，通常采用氯化法实现。

高分子混凝剂的混凝效果受水的pH值影响较小。

由铝盐水解反应可知，水解过程不断产生H＋，从而导致水的pH值下降。当原水中碱度不足或混凝剂投量较高时，通常采用石灰来中和混凝剂水解过程中产生的H＋。

（3）水中悬浮物浓度的影响。水中胶体浓度很低时，颗粒碰撞速率大大减少，混凝效果差。为了提高低浊水的混凝效果，通常采取以下措施：①在投加铝盐或铁盐混凝剂的同时，投加高分子助凝剂；②投加黏土等矿物颗粒以增加混凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞速率并增加絮凝体密度；③投加混凝剂后直接过滤，滤料即成为絮凝中心。

如果原水悬浮物含量较高，如我国西北等地区的高浊水源，为了使悬浮物吸附电中和脱稳，所需铝盐或铁盐混凝剂量将相应大大增加。为了减少混凝剂用量，通常投加聚丙烯酰胺等高分子助凝剂。

（4）水力条件对混凝的影响。颗粒间的碰撞是混凝的首要条件，引起水中颗粒相互碰撞的动力来源于颗粒本身的布朗运动和水力或机械搅拌作用。由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集称异向絮凝，由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集称同向絮凝。

在水处理中自混凝剂与水混合起直到大颗粒絮凝体形成为止，在处理工艺上总称混凝过程，一般分为混合和絮凝两个阶段。在混合阶段，水中杂质颗粒微小，异向絮凝占主导地位，此时对水流剧烈搅拌的主要目的是使药剂快速均匀地分散于水中，以利于混凝剂快速水解、聚合及颗粒脱稳。由于该过程进行很快，时间通常在10～30s，最多不超过2min。絮凝阶段主要是依靠机械或水力搅拌促使在混合阶段形成的小凝聚体颗粒碰撞絮凝形成大的矾花，故属于同向絮凝。其絮凝结果不仅与水流的速度梯度有关，还与絮凝时间有关。通常速度梯度越大，颗粒碰撞速率越大，絮凝效果越好。然而随着速度梯度的增大，水流剪切力也随之增大，对于已经形成的絮凝体又有破坏的可能。在絮凝过程中，絮凝体尺寸逐渐增大，粒径变化可从微米级增到毫米级。由于大的絮体容易破碎，故在整个絮凝过程，速度梯度应渐次减小。

4.混凝剂的配制与投加

混凝过程中的混合和絮凝两个阶段分别在混合设备和絮凝设备中完成。其中药剂的投配流程如图1.3所示。

首先将药剂在溶解池中溶解，在溶液池中调节其浓度，最后通过计量设备和投加设备将药剂溶液投入混合设备中。混凝剂溶液在混合设备中通过水流的剧烈搅拌作用快速均匀地分散于水中，并快速水解、聚合使杂质颗粒发生脱稳并形成小絮体。水体进入絮凝设备后通过机械或水力搅拌作用促使小凝聚体颗粒碰撞絮凝形成大的矾花，以便后续沉淀。

混凝剂投加分固体投加和液体投加两种方式。通常将固体溶解后配成一定浓度溶液投入水中。

（1）混凝剂的溶解和配制。混凝剂在溶解池中进行溶解。大、中型水厂的溶解池通常为混凝土结构，并配有加速药剂溶解的搅拌装置。搅拌装置有机械搅拌、压缩空气搅拌、水力搅拌等方式。其中机械搅拌是以电机驱动桨板或涡轮搅动溶液。这种方式设备简单、操作方便，使用较普遍。向溶解池内通入压缩空气进行搅拌的压缩空气搅拌方式，由于机械设备不直接与溶液接触，使用维修方便。但与机械搅拌相比，动耗较大，溶解速度慢，需要有现成气源或设置压缩空气机等。压缩空气搅拌方式常用于大型水厂。常见的水力搅拌方式是利用水厂二级泵站高压水冲动药剂，这种方式一般仅用于中、小水厂和易溶解混凝剂。

（2）混凝剂的计量与投加。药液投入原水中必须有计量或定量设备，并能根据水量、水质进行随时调整。既可手动控制，也可实现自动控制的计量设备有：流量计（转子、电磁）、计量泵等；仅适用于手动的计量设备有苗嘴。其中苗嘴属于孔口计量设备，结构简单，可通过更换不同口径的苗嘴来调整投药量，目前在水厂中仍有使用。

常用的药剂投加方式有泵前投加、高位溶液池重力投加（图1.4）、水射器投加（图1.5）和计量泵或耐酸泵投加等。

混凝剂最佳投加量是指达到即定水质指标所需的最小混凝剂投量。由于影响混凝效果的因素较复杂，而且在水厂运行过程中水质、水量不断变化，故要达到最佳剂量需要即时调节投量。目前我国大多数水厂还是根据实验室混凝搅拌试验确定混凝剂最佳剂量，然后进行人工调节。为了提高混凝效果、节省耗药量，混凝工艺的自动控制技术已经推广使用。

5.混合设备

混合设备要求实现药剂与水快速均匀混合，有水泵混合、管式混合、机械混合和水力混合器四种形式。

（1）水泵混合。水泵混合就是药剂投加在水泵吸水管或吸水口处，利用水泵叶轮高速旋转以达到快速混合的目的。水泵混合效果好，不需要另建混合设施，节省动力，大、中、小型水厂均可采用。但当取水泵站距水厂处理构筑物较远时，经水泵混合后的原水在长距离管道输送过程中，可能过早在管内形成絮体。已经形成的絮体一旦破碎，很难重新聚集，不利于后续絮凝。如果管内流速过低，絮体还可能沉积于管中。因此，水泵混合通常用于取水泵房靠近水厂的处理构筑物，且两者间距不大于150m的场合。

（2）管式混合。最简单的管式混合是直接将药剂投加在水泵的压水管内，借助管中水流高速冲刷作用进行混合。这种管道混合简单易行，水头损失小，但当管中流速较低时，会存在混合不充分的问题。为了提高混合效果，可在管内增设孔板或将其改装成文丘里管。

管式静态混合器是目前广泛使用的一种管道混合方式（图1.6）。混合器内按要求安装了若干固定混合单元。每一单元由按一定角度交叉安装于管内的若干固定叶片组成。水流和药液通过混合器时，将被单元多次分割、改向并形成旋涡，达到混合目的。这种混合器结构简单，安装方便，混合快速均匀。缺点是水头损失较大，且当流量较小时混合效果会因水流紊乱程度不够而下降。

扩散混合器是在管式孔板混合器前加装一个锥形帽（图1.7）。水流和药液对冲锥形帽后扩散形成剧烈的紊流，从而使水与药液达到快速混合的目的。

（3）机械混合。在混合池内安装搅拌装置，以电机驱动搅拌器使水和药剂混合。搅拌器有桨板式、螺旋板式和透平式等。混合时间控制在10～30s以内，最多不超过2min。机械混合池在设计中应避免水流同步旋转而降低混合效果。尽管机械搅拌混合效果好，不受水质水量变化的影响，但由于需要额外建设混合池，而且增加机械设备及相应的维修工作，目前正逐步被其他混合方式所取代。

目前存在的水力混合方式在我国水厂应用较少，故不做介绍。

6.絮凝设备

絮凝设备的任务是使细小絮体逐渐凝聚成肉眼可见的密实絮体，以便沉淀除去。絮凝池习惯上称反应池，要求水流紊乱程度适宜，既能为细小絮体的逐渐长大创造良好的碰撞机会和吸附条件，又防止碰撞打碎已经形成的较大矾花。因此，搅拌强度较混合阶段要小，但水力停留时间较长。絮凝池形式较多，概括起来可以分成水力搅拌和机械搅拌两大类。我国近几十年来，新型的水力搅拌絮凝池不断涌现，逐步替代了传统机械搅拌絮凝池。下面介绍几种常用的水力搅拌絮凝池。

（1）隔板反应池。隔板反应池应用历史悠久，有往复式和回转式两种（图1.8）。往复式反应池内水流做180°转弯，局部水头损失较大。而这部分能量的消耗往往无助于絮凝效果的提高。180°急剧转弯会使絮体有破坏的可能，尤其在絮凝的后期。与往复式隔板反应池相比，回转式隔板反应池内水流作90°转弯，总水头损失小40%左右，絮凝效果也有所提高。

从反应器原理而言，隔板反应池接近于推流型。为了避免絮凝体破碎，廊道内的流速及转弯处流速应沿程逐渐减少。根据具体情况，施工中将絮凝池分成流速沿程递减的若干段，一般分成4～6段。为了达到流速递减的目的，一种方法是将隔板间距从起端至末端逐段放宽；另一种方法是隔板间距不变，从起端至末端池底逐渐降低。因前者施工方便，采用较多。

为减少水流转弯处水头损失，转弯处过水断面积应为廊道过水断面积的1.2～1.5倍。同时，水流转弯处尽量做成圆弧形。隔板间净距一般大于0.5m，以便施工和检修。为了便于排泥，池底应有0.02～0.03坡度并设置直径不小于150mm的排泥管。

隔板式反应池结构简单，维护方便，在处理水量波动不大的情况下，絮凝效果较稳定。考虑到处理水量较小时隔板间距狭窄，施工和维修不变，隔板式反应池通常用于大、中型水厂。在实际应用中，往往将往复式和回转式组合使用。在絮凝初期采用往复式，絮凝后期采用对絮体破坏性小的回转式。

（2）折板反应池。折板反应池是在隔板絮凝池基础上发展起来的，通常采用竖流式。即隔板改成具有一定角度的折板，由多格组成（图1.9）。折板可以波峰对波谷平行安装，称为同波折板；也可以波峰相对安装，称异波折板（图1.10）。水流在同波折板之间连续不断地曲折流动或在异波折板之间缩、放流动，以至于形成众多的小旋涡，提高颗粒碰撞絮凝效果。

为了实现絮凝过程水力梯度逐渐减小的目的，在应用中经常将同波、异波和平板进行组合使用。如在反应池中开始采用同波折板，中间采用异波折板，后面采用对水流扰动较小的平板。与隔板反应池相比，折板反应池中水流条件得到了很大改善，所需要的絮凝时间短，池子容积小。

同隔板式反应池一样，折板反应池的折板间流速通常也分段设计，且分段数不宜少于3。折板夹角采用90°～120°。折板可用钢丝网水泥板或塑料板等拼装组成，波高一般采用0.25～0.40m。

折板反应池隔板间距小，安装维修较困难，折板费用高。故通常用于中、小型水厂。

（3）穿孔旋流反应池。穿孔旋流反应池由若干格组成，分格数一般不少于6。各格之间的隔壁上沿池壁开孔，孔口上下交错布置（图1.11）。水流沿池壁切线方向进入后形成旋流。第一格孔口尺寸最小，流速最大，水流在池内旋转速度也最大。而后孔口尺寸逐渐增大，流速逐格减小。

穿孔旋流反应池受流量变化影响较大，絮凝效果欠佳，池底也容易产生积泥现象。其优点是结构简单，施工方便，造价低。目前经常与其他形式反应池组合使用。

（4）网格反应池。网格反应池由穿孔旋流反应池发展而来，是我国近年研制成功并推广使用的一种新型反应池。它是在穿孔旋流反应池的竖井内安装若干层网格或栅条。每个竖井内的网格或栅条数自进水端至出水端逐渐减少，一般分成3段，前段为密网，中段为疏网，末段不安装网。当水流通过格网时，相继收缩、扩大形成大量涡旋，造成颗粒间相互碰撞。

网格反应池效果好，水头损失小，絮凝时间短，池体占地面积小。但在运行中，其末端池底仍存在积泥现象，少数水厂还出现网格上滋生藻类、堵塞网眼等问题。网格式反应池目前在新建水厂或老厂改造中应用较多。

1.3.2　沉淀

水中悬浮颗粒依靠重力作用，从水中分离出来的过程称为沉淀。颗粒比重大于1时，表现为下沉；小于1时，表现为上浮。在净水处理中，颗粒的沉淀分为两种情况：一种是颗粒在沉降过程中，彼此间没有干扰，只受颗粒本身的重力和水流阻力的作用，称为自由沉淀；另一种是颗粒在沉淀过程中，彼此相互拥挤干扰，称为拥挤沉淀。沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除水中100μm以上的颗粒。

沉淀池是分离水中悬浮颗粒物的一种常见处理构筑物。原水经投药、混合与絮凝后，水中悬浮的杂质已经形成粗大絮凝体，要在沉淀池中沉淀使水得以澄清。沉淀池的出水浊度一般在10NTU以下，甚至更低。

按照水流方向沉淀池可分为平流式、竖流式、辐流式及斜流式四种。其中平流式和斜流式（又称斜板或斜管沉淀池）在给水处理中比较常用。本节重点介绍这两类沉淀池，其他形式在污水处理中介绍。

1.平流式沉淀池

平流式沉淀池的池身为矩形，分为进水区、沉淀区、泥区和出水区。经过混凝的原水流入沉淀池后，在整个进水断面上均匀分配进入沉淀区，并从池子的另一端出口区流出，沉积到泥区的污泥被连续或定期排出池外。

（1）进水区。进水区的作用是使流量均匀分布在整个进水断面上，应尽量减小扰动。通常采用在进水区内设置穿孔墙进行布水（图1.12）。为了防止絮体破碎，孔口流速不宜大于0.15～0.2m／s；为了保证穿孔墙的强度，洞口总面积也不宜过大。为减少进口射流，洞口的断面形状沿水流方向渐次扩大。也可采用配水孔或者缝隙代替洞口。

（2）沉淀区。为了改善水流条件，一般在平流沉淀池内部设置导流墙对水体进行纵向分隔。

沉淀区的高度H应满足前后相连水处理构筑物的高程布置要求，一般为3～5m。沉淀区的长度L决定于水平流速v和水力停留时间t，即L＝vt。宽度B由处理流量Q，池深H和水平流速v求得，B＝。沉淀池的长、宽和深之间相互关联，一般要求L／B＞4，而L／ H＞10。每格宽度宜在3～8m，不宜大于15m。

（3）出水区。出水区结构不仅控制平流式沉淀池内的水位高度，而且对沉淀池内水流均匀分布有直接影响。一般采用堰口布置或采用淹没式出水孔口，其中溢流堰在施工中很难做水平，常采用高度可调节的三角堰代替。常见的出流结构如图1.13所示。

为了防止出水时流线过于集中，控制堰口溢流速度小于500m3／（m·d），若不能满足要求，需要增加出水堰长度，采用L堰或增加出水支渠，具体结构如图1.14所示。采用淹没式出水孔口时，需要限制孔口流速为0.6～0.7m／s，孔径为20～30mm，孔口在水面下12～15cm，孔口出流由集水渠收集。

（4）存泥区及排泥措施。沉淀池排泥方式有泥斗排泥、穿孔管排泥及机械排泥等。泥斗和穿孔管排泥，需设置存泥区，而采用机械排泥时不需要考虑存泥区。前两种排泥方式可在静水压力作用下进行间歇式排泥，但由于平流式沉淀池的池深较浅，池内的静水压力不足以排泥，目前基本上采用机械排泥，有泥泵抽吸和吸泥机沿着池子纵向移动进行单口扫描式吸泥两种方式。

2.斜流式沉淀池

斜流式沉淀池又称斜板（管）沉淀池，它是在平流沉淀池的沉淀区内加设与水平面成一定角度（一般约为60°）的斜板或斜管而构成的。

在斜板（管）沉淀池内进水从下向上流（从上向下流或水平流动），颗粒沉于斜板（管）上，当颗粒累积到一定程度后在重力作用下自动下滑。根据水流方向及颗粒的沉降方向分成异向流和同向流（图1.15）。在实际应用中，斜板沉淀池中易出现板间积泥现象。从改善沉淀池水力条件的角度分析，斜管沉淀池的水力半径更小，能较好地满足水流的稳定性和层流要求。当前，我国使用较多的是斜管沉淀池，本节重点介绍斜管沉淀池。

图1.16是异向流斜管沉淀池的示意图。其结构包括斜管沉淀区、进水配水区、清水出水区和污泥区组成。进水由斜管自下而上流动，清水由池顶的穿孔管收集，沉积的污泥由穿孔排泥管收集，排入下水道。

（1）配水区和清水区。斜管沉淀池底部配水区高度不小于1.5m，为了使水流均匀进入配水区，要求配水前整流。可采用穿孔墙或缝隙栅条配水。整流配水孔流速一般要求不大于反应池出口流速，通常在0.15m／s以下。斜板的上部为清水区，在1m左右。

（2）斜管。斜管的断面形状有圆形、矩形、方形、多边形，目前常用的是正六边形，内切圆直径为25～35mm。材料的选择要求：轻质、坚牢、无毒、价廉，目前使用较多的纸质蜂窝、薄塑料板（无毒聚乙烯），木质、石棉水泥板等。选择薄塑料板时，一般在安装前先将薄塑料板制成蜂窝状的六边形块体，在安装现场进行黏合。块体的平面尺寸不宜大于1m×1m，以免安装时出现过大缝隙，造成混水短路。

斜管倾斜角θ越小，沉淀面积越大，沉淀效率越高。但θ大时，排泥容易。根据生产经验，为使排泥通畅θ为52°～60°，目前斜管倾角多采用60°。

在斜管进口一段距离内泥水混杂，水流紊乱，此段称为过渡段。该段以上部分出现明显的泥水分离，称为分离段。过渡段的长度随管内上升流速增大而增长，由于该段的污泥浓度较大，有利于接触絮凝，因此增长过渡段将有利于分离段的泥水分离，但这样会增加斜管长度。一般过渡段的长度约为200mm。斜管的实际长度应该为过渡段长度加上分离段长度。由于斜管过长会增加造价，而沉淀效率的提高有限，目前斜管长度多采用800～1000mm。

（3）排泥。斜板沉淀池排泥量很大，需要有比较完善的排泥设备，一般常用斗底或穿孔管排泥，也有的用机械排泥方法，如牵引式机械刮泥机。

1.3.3　过滤

过滤是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而使水质获得澄清的滤层过滤工艺过程。过滤不只是机械筛滤作用的结果，主要是悬浮颗粒与滤料颗粒之间黏附作用的结果。在过滤过程中，水中的悬浮颗粒在与滤料黏附的同时，还受滤料孔隙中水流剪切力的作用。黏附力和水流剪切力相对大小，决定了颗粒黏附和脱落的程度。过滤初期，滤料较干净，孔隙率较大，孔隙流速较小，水流剪切力较小，因而黏附作用占优势。随着过滤时间的延长，滤层中杂质逐渐增多，孔隙率逐渐减小，水流剪切力逐渐增大，以致最后黏附上的颗粒将首先脱落下来，或者被水流夹带的后续颗粒不再有黏附现象，于是，悬浮颗粒便向下层推移，下层滤料截留作用渐次得到发挥。

常用的石英砂滤料表面一般呈负电性，则带负电的悬浮固体因与滤料间产生相斥作用而不会自动附着在滤料表面；一些因直接碰撞在砂粒上而被截留的颗粒，还会因高速水流的剪切作用而被冲刷下来。为此，快滤池的进水要求经过混凝处理或进入滤池前添加了混凝剂，在滤层内完成接触絮凝作用。

滤池通常置于沉淀池或澄清池之后，进一步去除水中的细小悬浮颗粒，降低出水浊度。滤池的进水浊度一般控制在10度以下，当原水浊度较低（一般在100度以下），且水质较好时，也可采用原水直接过滤。进水通过过滤，水中有机物、细菌乃至病毒等更小的粒子由于吸附作用也将随着水的浊度降低而被部分去除。残存在滤后水中的细菌和病毒等，由于失去悬浮物的保护或依附而呈裸露状态，较容易在后续消毒过程中被灭活。因此，过滤是给水净化工艺中不可缺少的重要处理措施。另外，过滤还常用在对进水浊度要求较高的处理工艺之前作预处理，如活性炭吸附、膜处理、离子交换等。

1.快滤池的工作过程

快滤池的类型很多，首先发展的是普通快滤池，后来在其基础上又演变出许多种快滤池，如为了减少滤池阀门，出现的虹吸滤池、无阀滤池、移动冲洗罩滤池等；采用气水反冲洗和表面助冲的V形滤池等。一般根据滤料层、水流方向、阀门位置和工作压力进行相应区分。尽管各种滤池形式不同，但基本组成都相同，包括：池体、滤料、配水系统和承托层、反冲洗装置和各种给排水管道或管渠。工作过程基本相同，即过滤和冲洗交错进行。

下面以普通快滤池为例介绍其工作过程（图1.17）。

（1）过滤。过滤时，开启进水支管与清水支管的阀门。关闭冲洗水支管阀门与排水阀。浑水就经进水总管、进水支管从浑水渠、清水支管、清水总管流往清水池。浑水流经滤料层时，水中杂质即被截留。随着滤层中杂质截留量的逐渐增加，滤料层中水头损失也相应增加。一般当水头损失增至一定程度以致滤池产水量锐减，或由于滤过水质不符合要求时，滤池便须停止过滤进行冲洗。

（2）冲洗。冲洗时，关闭进水支管与清水支管阀门。开启排水阀与冲洗水支管阀门。冲洗水即由冲洗水总管、支管，经配水系统的干管、支管及支管上的许多孔眼流出，由下而上穿过承托层及滤料层，均匀地分布于整个滤池平面上。滤料层在由下而上均匀分布的水流中处于悬浮状态，滤料得到清洗。冲洗废水流入冲洗排水槽，再经浑水渠、排水管和废水渠进入下水道。冲洗一直进行到滤料基本洗干净为止。冲洗结束后，过滤重新开始。从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池工作周期。从过滤开始至过滤结束为一个过滤周期。

快滤池的产水量决定于滤速（以m／h计）和工作周期。滤速相当于滤池负荷，以单位时间、单位过滤面积上的过滤水量计，单位为m3／（m2·h）。当进水浊度在15度以下时，单层砂滤池的滤速为8～10m／h，双层滤料滤速为10～14m／h，多层滤料滤速一般可采用18～20m／h。工作周期长短决定了滤池实际工作时间和冲洗水量的消耗。周期过短，滤池日产水量减少。工作周期一般为12～24h。

2.滤料级配与滤料组成、承托层与配水系统

（1）滤料级配。滤料的主要作用是截留和黏附水中细小悬浮物，其应该满足以下要求：①具有足够的机械强度，以防止冲洗时滤料产生磨损和破坏现象；②具有足够的化学稳定性，以免滤料与水产生化学反应而恶化水质，尤其不能含有对人体健康和生产有害物质；③具有一定颗粒级配和适当孔隙率；④价廉、易得。

石英砂是使用最广泛的滤料，在双层和多层滤料中，常用的还有无烟煤、磁铁矿、石榴石、金刚砂等。在轻质滤料中，有聚苯乙烯，陶粒及纤维球等滤料。

过滤所用的滤料大都是由天然矿石粉碎制得，其颗粒大小不等，形状也不规则。通常用粒径（正好通过某一筛孔的孔径）表示滤料颗粒的大小，用不均匀系数表示滤料粒径级配（指滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例）。我国GB50013—2006《室外给水设计规范》中用滤料有效粒径d10和滤料不均匀系数K80来表示滤料的级配

生产中也有用最大粒径dmax、最小粒径dmin和不均匀系数K80来表示滤料级配的。

滤料粒径过大，不仅影响滤出水水质，而且在反冲洗时滤料层较难松动，反冲洗效果不好；粒径过小，比表面积大，有利于杂质吸附但易堵塞，过滤周期短，影响产水量，反冲洗时还易将滤料冲出滤池。K80过大时，颗粒很不均匀，过滤时滤层含污能力减小，反冲洗时也不好兼顾粗、细滤料对冲洗强度的要求，但过分要求K80接近于1，滤料的价格会比较高。

（2）滤料组成。在一个过滤周期内，整个滤层单位体积滤料中所截留的杂质量则称为滤层含污能力，单位仍以g／cm3或kg／m3计。为了提高滤层含污能力，最好采用滤层自上而下滤料粒径逐渐由大到小的反粒度过滤方式。为了避免反冲洗对滤料产生水力分级，实现反粒度过滤的途径有两种：①改变水流方向，如上向流过滤（从滤池的下部进水，上部出水）和双向流过滤（上下进水、中间出水）；②采用多滤层组成，即双层、三层及均质滤料滤池。

双层滤料组成为：上层采用比重较小，粒径较大的轻质滤料（如无烟煤），下层采用比重较大，粒径较小的重质滤料（如石英砂）。由于两种滤料重度差，在一定反冲洗强度下，轻质滤料仍在上层，重质滤料位于下层，如图1.18（a）所示。虽然每层滤料粒径仍由上而下递增，但就整个滤层而言，上层平均粒径总是大于下层平均粒径。当水流由上而下通过双层滤料时，上层的粗滤料首先去除水中尺寸较大的杂质，起粗滤作用，下部细滤料进一步去除水中剩余的细小杂质，起精滤作用。每层滤料的截污能力都得到了发挥。实践证明，双层滤料含污能力较单层滤料约提高1倍以上。因此，在相同滤速下，双层滤料滤池的过滤周期增长；在相同过滤周期下，滤速可提高。

三层滤料组成为：上层为大粒径、比重小的轻质滤料（如无烟煤），中层为中等粒径、比重中等的滤料（如石英砂），下层为小粒径、比重较大的重质滤料（如石榴石、磁铁矿），各层滤料的平均粒径由上而下递减，如图1.18（b）所示。这种滤料组成不仅含污能力大，且因下层重质滤料粒径很小，对保证滤后水质有很大作用。

均质滤料组成：所谓的均质滤料并非指滤料粒径完全相同，滤料粒径仍存在一定程度的差别（差别较一般单层滤料级配小），而是指沿着整个滤层深度方向上的任一横断面上，滤料组成和平均粒径均匀一致，如图1.18（c）所示。要做到这一点，必要条件是反冲洗时滤料层不能膨胀。当前的气水反冲洗滤池就属于均质滤料滤池。这种滤池的滤层含污能力显然也高于单层滤料。

总之，滤层组成的改变是为了改善单层滤料层中杂质分配状况，提高滤层含污能力，相应降低滤层中水头损失，提高滤池产水量。

3.承托层

承托层一般是配合大阻力配水系统使用，位于滤料层与底部配水系统之间。主要作用是过滤时防止滤料从配水系统流失，同时在反冲洗时向滤料层均匀布水。承托层一般由天然卵石或砾石组成，其粒径和级配应根据冲洗时所产生的最大冲击力确定。为了保证反冲洗时承托层不发生移动且实现防止滤料流失的作用，承托层可采用分层布置。如果采用小阻力配水系统，承托层可不设，或者适当铺设一些粗砂或细砾石。

4.配水系统

配水系统位于滤池的底部，其作用是：在反冲洗时使冲洗水均匀分布在整个滤池面积上；在过滤时，均匀收集滤后水。配水的均匀性对反冲洗效果至关重要。若配水不均匀，水量小处，滤料膨胀度不足，得不到充分清洗；水量大处，反冲洗强度过高，使滤料冲出滤池，甚至还会使局部承托层发生移动，造成漏砂现象。

根据反冲洗时配水系统对反冲洗水产生的阻力大小，分大阻力配水系统、小阻力配水系统及中阻力配水系统三种。

（1）大阻力配水系统。快滤池中常用的穿孔管大阻力配水系统见快滤池构造图1.19。中间是一根干管或干渠，干管两侧接出若干根相互平行的支管。支管下方有两排与管中心线成45°角且交错排列的配水小孔。反冲洗时，水流从干管起端进入后进入各支管，由各支管的孔口流出经承托层自下而上对滤层进行清洗，最后流入排水槽排出。

配水系统不仅均匀分布反冲洗水，同时也收集滤后水。由于冲洗流速远大于过滤流速，当冲洗水分布均匀时，过滤时的集水均匀性自无问题。

大阻力配水系统的优点是配水均匀性好，但系统结构较复杂，检修困难，而且水头损失很大（通常在3.0m以上），冲洗时需要专用设备（如冲洗水泵），动力耗能多。

（2）中、小阻力配水系统。小阻力配水系统是在滤池底部留有较大的配水空间，在其上方铺设穿孔滤板（砖），板（砖）上再铺设一层或两层尼龙网后，直接铺放滤料（尼龙网上也可适当铺设一些卵石），如图1.20和图1.21所示。另外，滤池采用气、水反冲洗时，还可采用长柄滤头做配水系统（图1.22）。

小阻力配水系统结构简单，冲洗水头一般小于0.5m，但配水均匀性较大阻力系统差。一般用于单格面积不大于20m2的无阀滤池、虹吸滤池等。

5.滤池反冲洗

滤池反冲洗目的是清除滤层中所截留的污物，使滤池恢复过滤能力。快滤池冲洗方法有高速水流反冲洗、气－水反冲洗和表面助冲加高速水流冲洗三种。

（1）高速水流反冲洗。利用水流反向通过滤料层，使滤料层膨胀至流态化状态，利用水流剪切力和滤料颗粒间碰撞摩擦的双重作用，将截留在滤料层中的污物从滤料表面剥落下来，然后被冲洗水带出滤池。高速水流反向冲洗是应用最早、技术最成熟的一种冲洗方式，滤池结构和设备简单，操作简便。

为了保证冲洗效果，在冲洗过程中对反冲洗强度、滤层膨胀度和冲洗时间都有一定要求。

冲洗强度是指单位面积滤层所通过的冲洗水量，以L／（m2·s）计，也可以换算成反冲洗流速以cm／s计。1cm／s＝10L／（m2·s）。

反冲洗强度过小时，滤层膨胀度不够，滤层孔隙率中水流剪切力小，截留在滤层中杂质难以剥落，滤层冲洗不净；反冲洗强度过大时，滤层膨胀度过大，由于滤料颗粒之间过于离散，滤层孔隙率中的水流剪切力也会降低，且滤料颗粒间的摩擦碰撞概率也减小，滤层冲洗效果差，严重时还会造成滤料流失。因此，反冲洗强度过大或过小，冲洗效果都会下降。

滤层膨胀度是指反冲洗后滤层所增加的厚度与膨胀前厚度之比，用e表示

滤料膨胀度由滤料的颗粒粒径、密度及反冲洗强度所决定，同时受水温影响。对于一定级配的单层滤料，在一定冲洗强度下，粒径小的滤料膨胀度大，粒径大的滤料膨胀度小。因此，同时保证粗、细滤料的膨胀度处于最佳状态是不可能的。

当冲洗强度或滤层膨胀度符合要求但反冲洗时间不足时，也不能充分地清洗掉包裹在滤料表面上的污泥；同时，冲洗废水因排除不尽会使其中的污物重返滤层。如果长期下去，滤层表面形成泥膜。在实际操作中冲洗时间可根据冲洗废水允许浊度决定。

GB50013—2006《室外给水设计规范》对冲洗强度、滤层膨胀度和冲洗时间三项指标的推荐值见表1.4。

（2）气－水反冲洗。将压缩空气压入滤池，利用上升空气气泡产生的振动和擦洗作用，将附着于滤料颗粒表面的污物清除下来并进入水中，最后由冲洗水带出滤池。气－水反冲洗所需的空气由鼓风机或空气压缩机和储气罐组成的供气系统供给，冲洗水由冲洗水泵或冲洗水箱供应，配气、配水系统多采用长柄滤头。

采用气－水反冲洗有以下优点：①空气气泡的擦洗能有效地使滤料表面污物破碎、脱落，冲洗效果好，节省冲洗水；②可降低冲洗强度，冲洗时滤层可不膨胀或微膨胀，从而避免或减轻滤料的水力筛分，提高滤层含污能力。不过，气－水反冲洗需要增加气冲设备，池子结构和冲洗程序也较复杂。但总体来讲，气－水反冲洗还是具有明显优势，近年来应用日益增多。

（3）表面冲洗。表面冲洗是在滤料砂面以上50～70mm处放置穿孔管。反冲洗前先从穿孔管喷出高速水流，冲掉表层10cm厚滤料中的污泥，然后再进行反冲洗。表面冲洗可提高冲洗效果，节省冲洗水量。

6.虹吸滤池

（1）虹吸滤池的构造和工作过程。虹吸滤池通常由6～8个单元滤池组成一组或一座滤池。滤池的形状主要是矩形，水量少时也可建成圆形。图1.23为一组虹吸滤池的剖面图。右侧正处于过滤状态，而左侧正处于清洗状态。每个单元格滤池的底部配水空间相互连通。每个单元滤池都设有冲洗虹吸管和进水虹吸管，代替排水阀门和进水阀门控制虹吸滤池的过滤和反冲洗。

1）过滤过程。利用真空系统对进水虹吸管抽真空使之形成虹吸，待滤水由进水槽进入环形配水槽，经过虹吸管流入单格滤池进水槽，再经过进水溢流堰（调节单元滤池的进水量）和布水管流入滤池。进入滤池的水自上而下经过滤料层、配水系统和底部配水空间，进入环形集水槽，再由出水管流入出水井，最后经出水溢流堰、清水管流入清水池。

滤池在过滤过程中随着滤层的含污量不断增加，水头损失不断增大。由于各过滤单元进出水量不变，因此滤池内的水位不断地上升。当某格滤池内水位上升到最高设计水位时，水头损失达到了最大允许值，（一般采用1.5～2.0m）或滤后水质不符合要求时，该单元滤池停止进水，等待反冲洗。

2）反冲洗过程。首先破坏失效单元进水虹吸管的真空，使该格滤池停止进水，滤池内水位迅速下降。当滤池内水位下降速度明显变慢时，利用真空系统抽出冲洗虹吸管中的空气，使之形成虹吸。开始阶段，滤池内剩余的待滤水通过冲洗虹吸管迅速排入池中心下底，由冲洗排水管排出，滤池内水位迅速降低。当集水槽的水位与滤池内水位形成一定的水位差时，冲洗工作就正式开始了。当滤池内水位降至冲洗排水槽顶部时，反冲洗水头达到了最大值。此时，其他单元格滤池的滤后水作为该格滤池的反冲洗水，源源不断地通过集水槽进入该单元滤池的底部配水空间，经配水系统、自下而上通过滤料层，对滤料层进行清洗。当滤料冲洗干净后，破坏冲洗虹吸管的真空，冲洗停止。然后，再启动虹吸管，过滤重新开始。

（2）虹吸滤池的优缺点和适用条件。虹吸滤池与普通快滤池相比有以下的优点：无需要大型闸阀及相应开关控制设备，操作管理方便，易实现自动化控制；可以利用滤池本身的过滤水量、水头进行冲洗，不需要设置冲洗水塔或水泵；滤后水的水位永远高于滤层，过滤时不会发生负水头现象；在投资上与同样生产能力的普通快滤池相比能降低造价20%～30%，且节约金属材料30%～40%。

主要存在的问题：池深较大且池体结构复杂；采用小阻力配水系统，冲洗均匀性差，因冲洗水头受池深的限制，有时冲洗效果不理想。

虹吸滤池适用于日处理水量在5000～50000m3的中小型给水处理厂。

7.重力式无阀滤池

（1）重力式无阀滤池的构造和工作过程。过滤时（图1.24），待滤水经过进水分配槽，由进水管进入虹吸上升管，再经伞形顶盖下面的挡板整流和消能后，均匀地分布在滤料层上，通过承托层、小阻力配水系统进入底部配水区，然后沿着连通渠上升至冲洗水箱。当水箱水位上升达到出水渠的溢流堰顶后，溢流入渠内，最后经过滤池出水管进入清水池。

过滤开始后，虹吸上升管内水位与冲洗水箱内水位高差H0为过滤的起始水头损失，一般为0.2m左右。随着过滤的进行，滤层内截留的杂质量增多，过滤水头损失随之逐渐增大，虹吸上升管内的水位也逐渐升高。当水位上升到虹吸辅助管的管口时，水便通过虹吸辅助管下流进入水封井，依靠管内高速水流形成的负压和水流挟气作用，通过抽气管不断将虹吸管中的气体抽出，使虹吸管中的真空度逐渐增大。结果，虹吸上升管中水位进一步上升，同时，虹吸下降管也将水封井中的水吸上一定高度。当虹吸上升管中的水位升高越过虹吸管顶端后沿虹吸下降管下落时，下落水流与虹吸下降管中的上升水柱汇成一股冲出管口，把管内残留空气全部带走，形成虹吸。此时，由于伞形顶罩内的水被虹吸管排出池外，造成滤层上部压力骤降，促使冲洗水箱内的滤后水沿着与过滤相反的方向自下而上通过滤层，使滤层得到冲洗。冲洗废水由虹吸管进入排水水封井排出。从过滤开始至虹吸上升管中水位升至辅助管口这段时间为重力式无阀滤池的过滤周期，自虹吸上升管中的水从辅助管下流到形成反冲洗，仅需数分钟。因此，辅助管口至冲洗水箱最高水位差即为终期允许水头损失H，一般采用1.5～2.0m。

在冲洗过程中，进水管继续进水，直接由虹吸管排走。随着反冲洗的进行，冲洗水箱内水位逐渐下降。当水位下降到虹吸破坏斗以下后，管口与大气相通，虹吸被破坏，冲洗结束，过滤重新开始。

重力式无阀滤池是根据滤层水头损失达到设定值自动进行冲洗的，如果滤层水头损失还未达到最大允许值而因为某种原因（如出水水质不符合要求）需要提前冲洗时，可进行人工强制冲洗。强制冲洗设备是在辅助管与抽气管相连接的三通上部，接一根压力水管，称强制冲洗管。当需要人工强制冲洗时，打开阀门，高速水流便在抽气管与虹吸辅助管连接三通处产生强烈的抽气作用，促使虹吸形成，进行强制反冲洗。

（2）重力式无阀滤池的优缺点和适用条件。

优点是：运行全部自动化，操作管理方便；节省大型阀门，造价较低；出水水位高于滤层，在过滤时不会出现负水头现象。

缺点是：冲洗水箱建于滤池上部，滤池的总高度较大，出水水位高，城市给水厂总体高程布置带来困难；池体结构较复杂，滤料处于封闭结构中，装、卸困难。

无阀滤池适用于处理水量在1万m3／d以下的小型水厂，单池面积一般不大于16m2，少数也有达到25m2以上的。

8.移动罩滤池

移动罩滤池由若干格滤池为一组组成，滤料层上部相互连通，滤池底部配水区也相互连通，整个滤池共用一套进水和出水系统。运行时，利用一个可移动的冲洗罩依次轮流罩在各格滤池上，对其进行冲洗，其余各格滤池正常过滤。反冲洗滤池所需的冲洗水由其余格滤池滤后水提供，冲洗废水利用虹吸或泵吸的方式从冲洗罩的顶部抽出。移动罩滤池因有移动冲洗罩而得名，它综合了虹吸滤池和无阀滤池的某些特征。

9.V形滤池

V形滤池是20世纪70年代由法国德格雷蒙（Degremont）公司设计发展起来的一种快滤池，该滤池两侧进水（也可一侧进水），采用气－水反冲洗，因滤池进水槽设计成V形，故称V形滤池，其结构如图1.25所示。

通常，由数只滤池组成一组，每只滤池中间设置双层中央渠道，将滤池分成左、右两格。中央渠道的上层为排水渠，作用是排出反冲洗废水；下层为气－水分配渠，其作用是收集滤后水和冲洗时均匀布气和冲洗水。在气－水分配渠的上部均匀分布一排配气方孔，下部均匀布置一排配水方孔。滤板上均匀分布长柄滤头，50～60个／m2，滤板下面是底部空间。在V形进水槽底设有一排小孔，即可作为过滤时进水用，又可供冲洗时表面横向扫洗布水用。

（1）过滤过程。打开进水气动隔膜阀和清水阀，进水总渠中的待滤水从进水气动隔膜阀和方孔同时进入，溢过堰口再经侧孔进入V形进水槽，然后待滤水通过V形进水槽底部的小孔和槽顶溢流均匀进入滤池，自上而下通过砂滤层进行过滤，滤后水经长柄滤头流入底部空间，再经配水方孔汇入中央气－水分配渠内，由清水支管流入管廊中的水封井，最后经过出水堰、清水渠流入清水池。

（2）冲洗过程。关闭进水气动隔膜阀和清水阀，开启排水阀，滤池内浑水从中央渠道的上层排水渠中排出，待滤水内浑水面与V形槽顶相平，即可考虑冲洗操作，冲洗一般分三步进行。由于气动隔膜阀两侧方孔常开，在下述的冲洗过程中，始终有小股待滤水进入V形水槽，并经槽底小孔进入滤池。

气冲洗：启动鼓风机，打开进气阀，空气经中央渠道下层的气－水分配渠的上部配气小孔均匀进入滤池底部，由长柄滤头喷出，滤料表面杂质被擦洗下来进入水中。此时从V形进水槽底部小孔流出的待滤水，在滤池中产生横向水流，形同表面扫洗，将杂质推向中央渠道上层的排水渠。

气－水同时冲洗：启动冲洗水泵，打开冲洗水阀，此时空气和冲洗水同时进入气－水分配渠，再经配水方孔、配气方孔和长柄滤头均匀进入滤池。使滤料得到进一步冲洗，同时表面扫洗仍继续进行。

水冲洗：关闭进气阀，停止气冲，单独用较大冲洗强度的水冲洗，加上表面扫洗，最后将悬浮于水中的杂质全部冲入排水渠。冲洗结束后，关闭冲洗水泵和冲洗水阀，打开进水气动隔膜阀和清水阀，重新进行过滤。

（3）V形滤池的主要特点。①采用较厚的均匀级配粗砂滤料层，滤速较高，含污能力高，过滤周期长，出水水质好；②采用气、水结合冲洗，再加上表面扫洗，冲洗效果好，冲洗耗水量少。而且冲洗强度较小，滤层不膨胀，因此不会出现水力筛分现象；③整个滤池运行过程容易实现自动化控制管理。

自20世纪90年代以来，我国新建的大中型水厂大都采用V形滤池。

1.3.4　消毒

为了保护人体健康，防止水致传染病的传播，必须对饮用水中的致病微生物加以控制。消毒工艺就是指将水体中的病原微生物灭活，使之减少到可以接受的程度。人体内致病微生物主要包括：病菌、原生动物胞囊、病毒（如传染性肝炎病毒、脑膜炎病毒）等。

水的消毒方法很多，可大致归纳为物理法和化学法。

物理法消毒主要是利用加热、光照、紫外线辐射等物理手段破坏微生物体内的酶系统或DNA进行灭活微生物。但由于成本较高，操作困难，不具备持续杀菌能力等原因在应用上受到了一定限制。化学法是目前使用最广泛，效果最可靠的一种消毒方法。它是通过向水中投加化学药剂（主要是强氧化剂）破坏微生物细胞壁和体内的酶系统对微生物进行灭活和控制的。

下面就给水处理中常用的几种消毒剂进行介绍。

1.氯消毒

氯易溶于水中，在清水中，发生下列反应

次氯酸（HOCl）部分分解为氢离子和次氯酸根

在水中HOCl和OCl－都有氧化能力，一般认为主要是通过HOCl起消毒作用。实践表明pH值越低，消毒作用越强。

很多地表水中由于受有机物的污染而含有一定的氨氮，使得水中存在着次氯酸（HOCl）、一氯胺（NH2Cl）、二氯胺（NHCl2）和三氯胺（NCl3），它们在平衡状态下的含量比例决定于氯、氨的相对浓度、pH值和温度。根据氯在水中的存在状态又称为自由性氯（如HOCl、OCl－）和化合性氯（如各种氯胺）。从消毒作用而言，氯氨的消毒也是依靠HOCl作用。比较三种氯氨的消毒效果，二氯胺消毒效果最好，但有臭味；三氯胺消毒作用极差，且有恶臭味。一般自来水的pH值接近于中性，因此三氯胺基本上不会产生，且它在水中溶解度很低、不稳定易气化，所以三氯胺的恶臭味并不会引起严重问题。

（1）加氯量。水中加氯量包括需氯量和余氯量。需氯量指灭活水中微生物、氧化有机物和还原性物质所消耗的部分氯。为了抑制水中残余病原微生物的再度繁殖，管网中尚需要维持少量余氯。GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》规定：出厂水接触30min后余氯不低于0.3mg／L；在管网末梢不应低于0.05mg／L。

加氯量与余氯量之间的关系与原水水质情况有关，如图1.26加氯曲线所示。

1）如果水中无任何微生物、有机物和还原性物质，需氯量为零，此时加氯量等于余氯量。见图1.26中的虚线①，该线与坐标轴成45°角。

2）若水受少量有机物污染（无氨氮），氧化有机物和灭活细菌要消耗一定的氯量，即需氯量。加氯量必须超过需氯量后，才能保证一定的余氯量。见图1.26中的实线②。

3）当水中的污染物主要是氨和氮化合物时，情况比较复杂。如图1.27中OAHBC曲线所示。OAHBC曲线与坐标轴成45°角直线间的垂直距离表示余氯量。OA段表示水中所加的氯全部被消耗掉，余氯量为零。AH段有化合性余氯存在，主要是一氯胺。有一定持续消毒能力。HB段表示水体中的化合性余氯与新生成的HOCl发生了歧化反应［式（1.3）］生成不具有消毒能力的其他物质，余氯反而减少，最后达到折点B时化合性余氯降低至最低值。超过B点后进入BC段后，此时水中已经没有消耗氯的杂质，出现了自由性余氯。这一阶段消毒效果最稳定。

消毒处理时投加氯量的多少需要根据原水水质和消毒的目的确定。对于给水处理来说，当原水游离氨小于0.3mg／L时，加氯量一般控制在折点后。通常将加氯量超过折点需要量称为折点氯化。当原水游离氨高于0.5mg／L时，加氯量控制在峰点前；原水游离氨含量在0.3～0.5mg／L时，加氯量比较难掌握，可由具体实验确定。在缺乏参考资料时，地表水经混凝、沉淀和过滤后或清洁的地下水，加氯量一般可采用1.0～1.5mg／L；一般地面水经混凝、沉淀而未过滤时可采用1.5～2.5mg／L。

对于受到严重污染的原水，经过混凝、沉淀和过滤后进行折点氯化，可明显降低水质的色度，并在一定程度上可去除恶臭，降低水中有机物含量。但自从发现水中有机物能与氯生成三氯甲烷后，采用折点加氯处理受污染的原水开始引起了人们的担心，因而需要考虑在氯化前进行进一步去除有机污染的深度处理或采用其他消毒方法。

（2）加氯点。在给水处理工艺中加氯点通常有滤后加氯、滤前加氯和管网中加滤三种。

饮用水消毒一般放在过滤之后，为处理的最后一步，也称为滤后加氯。在加混凝剂时同时加氯，可氧化水中的有机物，对处理含腐殖质的高色度水，可提高混凝效果。用硫酸亚铁作为混凝剂时，可以同时加氯，将亚铁氧化成三价铁，促进硫酸亚铁的混凝作用。这种氯化法称为滤前氯化或预氯化。预氯化还能防止水厂内各种构筑物滋生青苔和延长氯胺消毒的接触时间。对于受有机物污染严重的水源，氯与有机物结合会产生有害的副产物，应避免滤前加氯。

当城市管网延长很长，管网末端的余氯量难以保证时，需要在管网中途补充加氯。这样既能保证管网末端的余氯量，又不致使水厂附近管网中的余氯量过高。管网中途加氯的位置一般设在加压水泵站或水库泵站内。

（3）加氯设备。氯气是有毒气体，人在氯气浓度为30μL／L的环境中即能引起咳嗽，在40～60μL／L的环境中呼吸30min即有生命危险，浓度达到100μL／L可使人立即死亡。因此，在使用氯气时应十分注意安全。

由于氯气在608～810kPa下变成液氯，运输、保存相对方便和安全，水厂中使用的氯气均为这种瓶装液氯。在使用前进行加热和减压挥发成气态氯后由加氯机安全，准确地输送至加氯点。图1.28为某水厂的投氯系统图。

干燥的氯气和液氯对钢瓶无腐蚀作用，但遇水或受潮则会严重腐蚀金属。因此，必须严格防止水和潮气进入氯瓶。

2.其他消毒方法

（1）二氧化氯消毒。ClO2在常温下是一种黄绿色气体，具有刺激性。其溶解度是氯的5倍，且不与水发生反应。ClO2既是消毒剂，又是氧化能力很强的氧化剂。据有关专家研究，ClO2对细菌的细胞壁有较强的吸附和穿透能力，能有效地破坏细菌体内酶系统，对细菌、病毒等有很强的灭活能力。此外，ClO2作为氧化剂，还能去除或降低水中的色度等。ClO2极不稳定，气态和液态ClO2均易爆炸，故需要现场制备，即时使用。

目前，在欧洲等经济发达国家ClO2作为消毒剂已经被推行使用。我国以ClO2作为传统消毒剂Cl2的替代药剂也日益受到重视，一些水厂正处于试运行阶段，但广泛推广使用仍存在以下问题：ClO2的易爆炸性和强氧化性致使在应用时，尤其是ClO2发生器的操作，对技术要求较高，需要操作人员具有较强的现场应急能力；目前制备技术不够成熟，产品质量不稳定，产品中经常混有较高比例的Cl2；制备成本偏高。

（2）臭氧消毒。臭氧（O3）在常压下呈淡蓝色，是一种具有较强刺激性气味的气体。臭氧的密度为空气的1.7倍，易溶于水，在空气或水中极不稳定，易分解为氧气和具有很强氧化能力的新生态氧［O］，使用时也需要现场制备。臭氧对人体健康有一定影响，空气中臭氧浓度达到15～20mg／L即有致命危险，故在水处理中散发出的臭氧尾气需要处理。

臭氧既是消毒剂，又是氧化能力极强的氧化剂。在水中投加臭氧消毒或氧化又称臭氧氧化。作为消毒剂，对顽强的微生物如病毒、芽孢等有强大的杀伤力。臭氧的强大杀菌能力还可能是臭氧对细胞壁具有较强渗透性，或由于臭氧破坏细菌有机体结构而导致细菌死亡。臭氧在水中很不稳定，易消失，持续消毒能力差，故在臭氧消毒后，还需要投加少量的氯、二氧化氯或氯胺。

臭氧作为氧化剂的主要特点是：不会产生三卤甲烷等副产物，杀菌和氧化能力均比氯强。但近年来臭氧化的副作用也开始引起人们的关注，有人认为，水中有机物经过臭氧氧化后，有可能将水中大分子物质变成数量更多的分子较小的中间产物，这些中间产物和后加入的氯反应后，致突变性反而增强。目前，臭氧主要与活性炭联合应用于水的深度处理。

（3）紫外线消毒。紫外线杀菌的机理目前尚没有统一的认识，较普遍的观点是，细菌体内的DNA吸收大量紫外线能量后，可导致结构破坏而被杀死。实验表明波长为260nm左右的紫外线杀菌能力最强。同时，紫外线也能促使有机物的化学键断裂后分解。

紫外线的光源由紫外灯管提供。其消毒的主要优点是不会产生三卤甲烷等副产物；处理后的水无色无味。主要缺点是消毒能力受水中悬浮物含量限制；不具有持续消毒能力。另外，紫外线照射穿透能力有限，不适合处理大流量的给水。

除了以上介绍的几种消毒方法外，还有次氯酸钠消毒、漂白粉消毒以及高锰酸钾消毒等。综合各种消毒方法，都存在着一定缺陷。不同消毒方法的配合使用仍在探索中。