對(duì)大部分人來(lái)說(shuō)，擰開(kāi)水龍頭便有清澈的自來(lái)水嘩嘩流出是一件很自然的事。不過(guò)你有沒(méi)有想過(guò)，自來(lái)水究竟是怎么來(lái)的，而日常生活產(chǎn)生的污水又到哪里去了？

這一切都跟水的凈化有關(guān)系。今天，筆者就從自身研究的角度給大家說(shuō)一說(shuō)這些問(wèn)題。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

從水廠到你家，

自來(lái)水要經(jīng)過(guò)這些關(guān)卡

自來(lái)水的凈化工藝是一場(chǎng)從源頭到水龍頭的“水質(zhì)保衛(wèi)戰(zhàn)”，其目的是將來(lái)自天然水源（如江河、湖泊、地下水等）的原水中的雜質(zhì)、有害物質(zhì)去除，使其達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)對(duì)飲用水水源有著嚴(yán)格的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并非所有地表水體都符合自來(lái)水取水要求。為保障飲水安全，各地會(huì)依法劃定飲用水水源保護(hù)區(qū)，例如北京市的主要飲用水源就來(lái)自水質(zhì)優(yōu)良的密云水庫(kù)、永定河和潮白河等保護(hù)區(qū)。

相較于地表水，地下水源具有更廣泛的分布優(yōu)勢(shì)。由于地下水在滲透過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)土壤層和含水層的天然過(guò)濾，水質(zhì)通常更為潔凈穩(wěn)定。因此，在地下水環(huán)境保護(hù)良好的地區(qū)，經(jīng)過(guò)科學(xué)評(píng)估和適當(dāng)處理后，可直接開(kāi)采地下水作為生活飲用水源。

大規(guī)模獲取的原水往往含有泥沙、微生物、溶解性物質(zhì)等雜質(zhì)，因此后續(xù)的凈化工序至關(guān)重要。

原水進(jìn)入水廠后，首先會(huì)進(jìn)入絮凝池。在這個(gè)階段，通過(guò)添加絮凝劑（如聚合氯化鋁、硫酸鋁、三氯化鐵、聚丙烯酰胺等），原水中的細(xì)小顆粒會(huì)聚集成較大的絮狀物，當(dāng)絮團(tuán)的密度大于水時(shí)發(fā)生沉淀。

無(wú)機(jī)絮凝劑會(huì)在水里形成氫氧化物，其本身溶解性不好，且可通過(guò)電中和、吸附架橋及絮體的卷掃作用使膠體凝聚；有機(jī)絮凝劑通常含有長(zhǎng)的疏水碳鏈和豐富荷正電基團(tuán)（水中大部分雜質(zhì)是帶負(fù)電荷的），也能起到電中和與吸附架橋的作用。

絮凝后進(jìn)入沉淀池（有的水廠絮凝和沉淀同時(shí)進(jìn)行，稱(chēng)為澄清池），去除大部分泥沙和懸浮物，沉淀后的水變得相對(duì)清澈，但仍然含有許多看不見(jiàn)的微生物和溶解性雜質(zhì)。

絮凝原理圖（圖片來(lái)源：作者繪制）

澄清后的水會(huì)進(jìn)入過(guò)濾池。過(guò)濾池通常由多層不同粒徑的濾料（如石英砂、活性炭等）組成。水在通過(guò)這些濾料時(shí)，濾料通過(guò)尺寸效應(yīng)（類(lèi)似篩子的原理）攔截水中的細(xì)小顆粒、細(xì)菌、病毒等微生物，進(jìn)一步凈化水質(zhì)?；钚蕴繛V料還能吸附水中的異味和部分有機(jī)物，讓水的味道更加清新。如果因?yàn)樘鞖庠颍^(guò)度繁殖的藻類(lèi)被細(xì)菌厭氧降解產(chǎn)生了硫醚類(lèi)物質(zhì)，那就要考慮增加活性炭濾料了。

過(guò)濾后的水雖然已經(jīng)相對(duì)干凈，但仍然可能殘留少量微生物。為了確保飲用水的衛(wèi)生安全，水廠會(huì)在水中加入適量的消毒劑，如氯氣、二氧化氯或臭氧。這些消毒劑能夠殺死水中的細(xì)菌、病毒和寄生蟲(chóng)。為了避免在管網(wǎng)輸送中細(xì)菌等的繁殖，一般出廠水中余氯含量應(yīng)≥0.3mg/L，管網(wǎng)末梢水中余氯含量應(yīng)≥0.05mg/L。保持管網(wǎng)末梢水中一定的余氯含量，可以確保水在到達(dá)用戶(hù)家中時(shí)仍然具有殺菌能力，防止水質(zhì)在最后輸送環(huán)節(jié)中惡化。?大家可能會(huì)聞到自來(lái)水中的“氯味”，但只要濃度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，就不會(huì)對(duì)人體有傷害，何況殘留的那么一丁點(diǎn)氯很不穩(wěn)定，極易揮發(fā)和分解，水燒開(kāi)后就基本不會(huì)有殘留。

在輸送過(guò)程中，水壓的控制和管網(wǎng)的維護(hù)也非常重要，以確保水質(zhì)不受二次污染，并且能夠穩(wěn)定供應(yīng)。值得注意的是，自來(lái)水中的離子組成會(huì)對(duì)管道的腐蝕產(chǎn)生顯著影響，改變凈化工藝導(dǎo)致的離子組成變化需要密切關(guān)注。因此，穩(wěn)定的水凈化和供應(yīng)至關(guān)重要，因?yàn)橐坏┩Ｋ?，管道?nèi)的水長(zhǎng)時(shí)間不流動(dòng)，就會(huì)與管壁發(fā)生反應(yīng)，形成沉積物。當(dāng)再次來(lái)水時(shí)，強(qiáng)水流會(huì)沖刷這些沉積物，使其隨著水流出，導(dǎo)致水質(zhì)變渾濁（改變水壓也會(huì)產(chǎn)生這種后果）。此時(shí)需要先打開(kāi)水龍頭，待出水清澈即可。

自來(lái)水凈化工藝（圖片來(lái)源：作者繪制）

自然因素對(duì)自來(lái)水凈化工藝的影響

暫時(shí)不討論人為因素，上述凈化效果會(huì)不會(huì)受到非人為因素的影響呢？答案是肯定的，比如洪水和氣候的波動(dòng)都會(huì)造成影響。洪水可能會(huì)導(dǎo)致原水水質(zhì)下降或者破壞水廠的處理設(shè)施；氣溫變化同樣會(huì)影響原水水質(zhì)，比如溫度會(huì)影響細(xì)菌和藻類(lèi)的繁殖。

具體來(lái)說(shuō)，高溫促使藻類(lèi)過(guò)度繁殖，大量藻類(lèi)的呼吸及死亡分解會(huì)急劇消耗水體溶解氧，溶解氧耗竭形成缺氧/厭氧環(huán)境，此時(shí)厭氧微生物分解藻類(lèi)等來(lái)源的含硫有機(jī)物，直接產(chǎn)生具有強(qiáng)烈異味的硫醚類(lèi)物質(zhì)（即使?jié)舛群艿?，聞起?lái)也像臭雞蛋、爛洋蔥或爛菜葉的味道），成為自來(lái)水異味的主要來(lái)源。活性炭吸附或者強(qiáng)氧化劑分解異味物質(zhì)均可解決該問(wèn)題，而冬季的低溫會(huì)降低混凝沉淀對(duì)懸浮物和雜質(zhì)的去除效率。

水中的藻類(lèi)（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

一般來(lái)說(shuō)，水廠會(huì)有應(yīng)急預(yù)案，比如加強(qiáng)水質(zhì)檢測(cè)、調(diào)整處理工藝（增加絮凝劑和活性炭用量、強(qiáng)化消毒等），大多數(shù)情況下仍能保障出水達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。如果上述因素影響過(guò)于嚴(yán)重，超出水廠的設(shè)計(jì)處理能力和應(yīng)急能力，可能會(huì)出現(xiàn)短暫的水質(zhì)波動(dòng)，此時(shí)應(yīng)該采取應(yīng)急措施保證居民飲用水安全。

家用凈水器，有必要安裝么？

如今在家中安裝凈水器的人越來(lái)越多，有人也在疑惑，既然自來(lái)水經(jīng)過(guò)了多重凈化處理，還有必要安裝嗎？

筆者的看法是：安與不安，更多的是個(gè)人選擇。

我們從小就被教育“自來(lái)水燒開(kāi)才能喝”，這一方面是高溫殺菌保證安全，另一個(gè)方面是煮沸也是一種凈化工藝。

自來(lái)水中碳酸鹽的溶解度隨溫度上升而下降；高溫導(dǎo)致水中酸性氣體逸出pH上升，堿性較弱的碳酸氫根受熱轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性相對(duì)較強(qiáng)的碳酸根，生成溶解度更低的碳酸鈣和氫氧化鎂；一些有機(jī)物或者細(xì)菌在煮沸后變性絮凝沉淀。如果你是把自來(lái)水燒開(kāi)了喝，無(wú)論裝不裝凈水器，在水質(zhì)安全上都沒(méi)啥好擔(dān)心的。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

不過(guò)，這些燒開(kāi)水產(chǎn)生的沉淀可能會(huì)影響你的感官感受，也會(huì)導(dǎo)致熱水壺結(jié)垢。如果有條件，安裝反滲透膜凈水器可以獲得純凈水，在保證出水口不受污染時(shí)可作為直飲水，燒開(kāi)時(shí)也可以避免產(chǎn)生沉淀和結(jié)垢。

注：反滲透膜是一種高分子聚合物薄膜，可以攔截除了水分子以外的幾乎所有的雜質(zhì)，獲得純凈水。

在挑凈水器時(shí)，不用買(mǎi)貴的，合格產(chǎn)品即可。因?yàn)榧矣玫姆礉B透膜已經(jīng)完全國(guó)產(chǎn)化了，某些性能已經(jīng)超越進(jìn)口產(chǎn)品（傲驕的表情），品質(zhì)和價(jià)格已經(jīng)卷出海外了。

任何事物都有兩面性，凈水器的使用盡管會(huì)提高飲用水品質(zhì)（攔截了易結(jié)垢的鈣、鎂等硬度離子），但也會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)。這是由于受到自來(lái)水中鹽離子滲透壓的限制（水透過(guò)膜而鹽不透過(guò)，膜兩側(cè)就存在鹽濃度差，就需要施加壓力克服鹽濃度差產(chǎn)生的滲透壓），不可避免會(huì)產(chǎn)生一部分無(wú)法透過(guò)膜的“濃水”（含鹽量高），這部分水通常占總進(jìn)水的25%-50%，直接排放到下水道必然產(chǎn)生水浪費(fèi)。當(dāng)然，如果能收集這部分“濃水”沖廁所是可以的。

既然講到了沖廁所，生活里產(chǎn)生的污水到底是怎么處理的呢？

市政污水處理跟自來(lái)水凈化有哪些異同？

我們用過(guò)后排放的水會(huì)通過(guò)城市管網(wǎng)進(jìn)入污水處理廠，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理后重新回歸自然，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)，以維持生態(tài)平衡。自來(lái)水凈化和市政污水處理在去除雜質(zhì)的原理上有其共同點(diǎn)，又因?yàn)樗|(zhì)差別和出水標(biāo)準(zhǔn)不一有著工藝上的顯著差異。

與自來(lái)水凈化不同，市政污水處理是為了將城市生活污水和部分工業(yè)廢水中的污染物去除，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，減少對(duì)自然水體的污染。如果污水直接進(jìn)入水體，里面的有機(jī)物、重金屬和病原體等污染物會(huì)使水體變黑、發(fā)臭，透明度降低，水質(zhì)惡化；大量有機(jī)物會(huì)造成藻類(lèi)或其他浮游生物過(guò)度生長(zhǎng)，形成水華或赤潮，藻類(lèi)死亡后分解會(huì)消耗大量溶解氧，導(dǎo)致水體缺氧，魚(yú)類(lèi)和其他水生生物窒息死亡。

水體富營(yíng)養(yǎng)化易導(dǎo)致藍(lán)藻等藻類(lèi)爆發(fā)

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

污水通過(guò)管網(wǎng)進(jìn)入污水處理廠后，首先會(huì)經(jīng)過(guò)格柵。格柵是一種帶有縫隙的金屬裝置，用于攔截污水中較大的漂浮物和固體垃圾。經(jīng)過(guò)格柵后的污水會(huì)進(jìn)入沉砂池，通過(guò)水流速度的控制，使污水中的泥沙等重顆粒物質(zhì)沉淀下來(lái)。

下一步主要是去除污水中的可溶有機(jī)污染物，通常采用生物處理法，利用微生物的新陳代謝作用來(lái)分解污水中的有機(jī)物。傳統(tǒng)的生物法稱(chēng)為活性污泥法。在曝氣池中，污水與活性污泥（含有大量微生物的絮狀物）充分混合。通過(guò)向水中曝氣（通入空氣），為微生物提供氧氣，使其能夠分解污水中的有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和胞外代謝物。但是這種方法占地面積大，剩余污泥處理成本高，產(chǎn)水水質(zhì)不穩(wěn)定。

膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)可以解決這些問(wèn)題，其核心原理是利用微濾或超濾膜將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機(jī)物截留，不僅活性污泥可以在反應(yīng)器內(nèi)停留較長(zhǎng)時(shí)間，減少剩余污泥產(chǎn)量，而且出水品質(zhì)更高，減少了后續(xù)化學(xué)品的使用量。由于可以直接將膜浸沒(méi)在反應(yīng)池中，并減少沉淀池，該新工藝占地面積大幅減少。

以膜生物反應(yīng)器為核心的污水處理工藝圖

（圖片來(lái)源：作者繪制）

為了進(jìn)一步提高水質(zhì)，達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)或?qū)崿F(xiàn)中水回用，污水還需要經(jīng)過(guò)深度處理。深度處理方法就類(lèi)似自來(lái)水處理工藝了，如果采用納濾或反滲透膜技術(shù)，產(chǎn)水甚至可以直接飲用（比如新加坡，這樣的飲用水會(huì)標(biāo)明是再生水）。在不是特別缺水的地方，污水處理通常是達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后排放到自然水體中，或者用于城市綠化、道路噴灑等非飲用水用途，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。

總之，自來(lái)水和污水凈化工藝都離不開(kāi)澄清、過(guò)濾和消毒幾個(gè)步驟，但由于污水中有機(jī)物含量更高更難去除，所以增加了成本更低的生物降解。

結(jié)語(yǔ)

水，是生命之源，更是城市運(yùn)轉(zhuǎn)的血脈。從水源保護(hù)到層層凈化，從管網(wǎng)輸送到千家萬(wàn)戶(hù)，這不僅是現(xiàn)代文明的體現(xiàn)，更是關(guān)乎每個(gè)人健康的基礎(chǔ)民生。

作者簡(jiǎn)介

羅建泉，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員，博導(dǎo)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)崗位教授，長(zhǎng)期從事生物反應(yīng)與分離純化特別是膜分離研究。

來(lái)源：科學(xué)大院

編輯：小咕咕

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