美国给水净水处理方面的动向

      摘要：一般净水设施的设计，直到十五年以前，还是由土木工程师按照现有基本的模式进行设计，没看到有显著的变化。由于对杀菌处理随之而产生的副生成物致癌性的恐惧，美国的环境保护局在进行饮用水的水质容许标准大幅修正的同时，将杀菌剂、杀菌处理的标准、怀疑有致癌性物质的量的限制，滤后水浊度的降低，以及为防止给水管腐蚀的水质调整等，也规定为对公共给水系统应做的工作。因而满足这些条件的净水处理系统和与其相配合的计量仪表设备及净水管理是必要的，也需要将化学、化学工程学、微生物学、计量仪表工程学等广泛领域的专业知识加入到土木工程学系中去。
      主题词：美国环境保护局、安全饮用水法、深度净水处理、三卤代甲烷、防止腐蚀
 
      在近二十年间，美国给水界关于净水处理的想法和设计标准的变动，是相当频繁的。成为这个动向直接动机的是美国环保局在1974年报告书中发表的关于新奥尔良市在净水中发现66种致癌的有机物质的警告。
      从六十年代中期到七十年代后半期，直接过滤的净水方式，在原水水质好的情况下很多被采用，美国供水协会在每年的年会中也有很多这方面的报告。但在各州的健康保健单位(Department of Health Service简称DHS)可以说几乎不许可采用这种方式，其理由是因为在1989年颁布的地表水处理规则(SWTR)，指定净水处理的可靠性不足。水处理的可靠性必须由多段处理实现，才是美国在净水处理法方面的基本方针。
       首要的问题是伴随着杀菌处理产生有机和无机的致癌性的副生成物事件。从1980年初到中期，认为除臭氧处理外没有解决这个问题的手段的想法强烈，到1990年后半期也有人在学会刊物上发表文章说将有90%以上的净水厂进行臭氧处理。但是，其后因为在臭氧处理下检出了致癌性物质，所以如不是在特别的条件下，对在原有净水厂或新建净水厂，增加臭氧处理问题犹疑不决。主要理由是臭氧处理产生致癌性的副产物，特别是溴酸盐(Bromate)的容许浓度有极低的可能性。
      因此，在适应地表水处理规则的情况下选定净水方式时，选择既能充分的杀菌处理又要考虑致癌性的副产物为极少的杀菌法和氧化处理剂是重要的。
      美国环境保护局要求对给水处理至少有三个要点：净水浊度为0.5NTU；消毒应满足规定的CT值；（C—剩余消毒剂浓度：mg/l；T——消毒接触时间：min）。而且消毒产生的致癌性副产物的限界值按如下值所示：
      关于副生成物的种类和数量，在目前只能规定三卤代甲烷，在0.1mg/l下。三卤甲烷含有三溴甲烷（溴仿）、二溴氯代甲烷、溴甲叉二氯、三氯甲烷（氯仿）等四类物质。目前，美国环境保护局将于1996年12月，对下列物质的容许值预定为：
      三卤代甲烷：0.08mg/l
      溴乙酸：0.06mg/l
      溴酸盐：0.01mg/l
      氯　酸：1.0mg/l
      作者得到参观日本大城市净水厂的机会，并学到很多东西，同时也知道了一些知之甚少的关于美国在净水处理方面的动向。因此想介绍一下如题目所写的内容。
 
1、地表水处理规程(SWTR)
      根据1986年生效的安全饮用水法，在1989年地表水处理规程建立了关于施工的公共给水设施的基本方针。
      其中首要的是，以地表水做水源的情况除特例外，必须进行过滤和杀菌处理。然而，地表水的定义是指流经地面的表流水和水面与大气接触的所有贮留水。因此，河流、湖泊、水库全是地表水。即使是浅井水、泉水、伏流水那样的地下水，但有可能因地表或地层内的病原菌而污染的水源，也被视为地表水。
      地表水处理规程的主要指针项目，在目前有下列五项：
      ①杀菌处理标准；
      ②杀菌处理产生的副产物规定；
      ③从配水系统采取水样次数规定；
      ④配水系统考虑金属管道防腐蚀措施；
      ⑤提高对净水厂处理的可靠性。
      因美国国土广大，故各州的地表水处理规程均有其地方特性，例如应考虑气候条件、水源的水质特性等而决定通用于各州的净水设施和饮用水的水质标准。因此各州的标准与美国环保局的地表水处理规程及水质标准多少有差别，只要是在这个州工作就必须服从这个州长的基准。
1.1 杀菌处理标准
      根据美国地表水处理规程，在净水处理过程中，必须要杀死或除去99.9%(3Log)的肠兰伯氏鞭毛虫包囊及99.99%(4Log)的病毒。至于仅靠杀菌处理，能杀减百分之多少，那要根据净水处理的型式而定。表－1所示为美国环保局的标准。此表上所谓快速过滤处理，是由混凝、沉淀、快滤构成的处理方式，所谓直接过滤是指，从快速过滤处理中减掉沉淀的处理方式。因此，在进行一般的快速过滤处理的净水场，在杀菌处理阶段，必需要杀减0.5log的肠兰伯氏鞭毛虫和2log的病毒那样的净水场设计和净水管理。但是，如果因净水厂的设计和管理不充分，而使过滤的前处理不充分，以其州的保健单位(DHS)评价的场合，在杀菌处理过程，需要杀减1.0log的肠兰伯氏鞭毛虫和3.0log的病毒。保健单位(DHS)是每年一次对各净水场进行抽查。大肠菌和一般细菌没有在表－1上列出是因为在能够杀减肠兰伯氏鞭毛虫和病毒的条件下，这些细菌是不能存活的。然而隐子囊孢子(Cyptosporidium)对杀菌处理的抵抗力增强的情况引人注目。

表1   杀菌处理需要的除去率和净水处理方式
净水方式	由净水处理的平均去率(Log)		用杀菌处理需要的除去率(Log)
	肠兰伯氏鞭毛虫	病毒	肠兰伯氏鞭毛虫	病毒
快速过滤处理	2.5	2.0	0.5	2.0
直接过滤处理	2.0	1.0	1.0	3.0
慢速过滤处理	2.0	2.0	1.0	2.0
硅藻土过滤处理	2.0	1.0	1.0	3.0

      至于说用杀菌处理在哪种条件下可否达到必要的去除率，需要由消毒剂的水中剩余浓度C(mg/l)和其接触时间T(min)的乘积CT值在一定的水温和PH值的条件下保持某一定值以上。其值如表－2、3、4所示。

表2   0.5Log(68%)的肠兰伯氏鞭毛虫去除率的CT值
杀菌剂	PH	水      　温
		0.5℃	5℃	10℃	15℃	20℃	25℃
游离余氯*	6	25	18	13	9	7	4
	7	35	25	19	13	9	6
	8	51	36	27	18	14	9
	9	73	52	39	26	20	13
臭　氧	6-9	0.48	0.32	0.23	0.16	0.12	0.08
二氧化氯	6-9	10	4.3	4	3.2	2.5	2
氯　胺	6-9	635	365	310	250	185	125
*此表仅为游离余氯为1.0mg/l时的CT值

表3   1.0Log(90%)的肠兰伯氏鞭毛虫去除率的CT值
杀菌剂	PH	水      　温
		0.5℃	5℃	10℃	15℃	20℃	25℃
游离余氯*	6	49	35	26	18	13	9
	7	70	50	37	25	19	12
	8	101	72	54	36	27	18
	9	146	104	78	52	39	26
臭　氧	6-9	0.97	0.63	0.48	0.32	0.24	0.16
二氧化氯	6-9	21	8.7	7.7	6.3	5	3.7
氯　胺	6-9	1270	735	615	500	370	250
*此表仅为游离余氯为1.0mg/l时的CT值

表4   2.0-4.0Log的病毒除去率的CT值
杀菌剂	Log* 去除率	水      　温
		0.5℃	5℃	10℃	15℃	20℃	25℃
游离余氯*	2.0	6	4	3	2	1	1
	3.0	9	6	4	3	2	1
	4.0	12	8	6	4	3	2
臭　氧	2.0	0.9	0.6	0.5	0.3	0.25	0.15
	3.0	1.4	0.9	0.8	0.5	0.4	0.25
	4.0	1.8	1.2	1.0	0.6	0.5	0.3
二氧化氯	2.0	8.4	5.6	4.2	2.8	2.1	1.4
	3.0	25.6	17.1	12.8	8.6	6.4	4.3
	4.0	50.1	33.4	25.1	16.7	12.5	8.4
氯　胺	2.0	1243	857	643	428	321	214
	3.0	2063	1423	1067	712	534	356
	4.0	2883	1988	1491	994	746	496
紫外线 (mw·sec/cm)	2.0	21	紫外线的杀菌效果与水温无关
	3.0	36
*此表的log去除率适用于PH值在6～9的范围内

      计算CT值必要的接触时间T，在管路的场合，于几乎没有水流短路的情况下充许使用以大时间流量计算的停留时间。可是在没有设置有效的阻流墙的清水池的情况，由于水流短路是显著的，是否使用计算停留时间的10%的值，要进行示踪物实验，由实验结果实际的流过时间决定。示踪物实验对决定设有导流壁水箱的设计，以防止水流短路的清水池等的停留时间T明显的有利。在这种场合也是在坏条件下的停留时间，亦即清水池在水位低、大流量流进来的场合下必要作示踪物实验。
      示踪物有氯化锂和氟化钠，特别是前者对人体没有影响，在普通的水中几乎不含有氯化锂，而且示踪物本身也难于形成短路，故美国环保局许可使用。
      随着CT标准而规定的是净水浊度和大肠菌(Coliform)。净水浊度一个月间的连续浊度测定值的95%以上在0.5NTU以下，浊度不能超过5NTU的规定。这是基于不在此规定内对存在于构成浊度物质粒子中的微生物有杀菌剂不起作用的可能性。净水浊度的测定，只要不是小规模的净水厂连续测定是必要的。同时，各州多在各个过滤方法中的出水管上设置浊度计进行连续测定。对大肠菌，首先进行使用5支或10支试验管的推定试验之后，再进行和以前同样方法的确定试验。然而美国环保局指示从1992年9月实施推定试验的结果，不以推定值(MPN)表示而只报告阳性或者阴性。与以前的细菌试验相比，简单的在24小时后判定结果的克里拉特法，美国环保厅从1992年6月正式认可。
      给出表-2，-3，-4的使用例，说明怎样利用这些表。
      首先设定以下各条件：
      ①净水处理方式：混凝、沉淀、过滤、消毒的标准快速过滤法；
      ②高和低水温：25℃、5℃；
      ③净水的PH:PH7.0；
      ④杀菌处理法：在清水池内进行的游离余氯杀菌法；
      ⑤清水池计算的停留时间（满水时）：3小时。（基于设计流量）
      问题：夏季和冬季必要的游离剩余氯的计算。
      美国环保局指示，在整个处理过程中，对肠兰伯低鞭毛虫要去除到3Log，对病毒要去除到4Log，然而用上述的标准快速过滤法的净水场，充其量能完成的处理效果，可认为是肠兰伯氏鞭毛虫的去除率是2.5Log、病毒的去除率是2Log，因此，表1所示的杀菌处理过程中，必要去除肠兰伯氏鞭毛虫0.5Log和去除病毒2Log。
清水池的停留时间，如坏情况，假定水位下降三分之一，在夏季是1小时，在冬季，用水因是处理水量的一半为2小时。但是在表－2所示CT中的T(min)，只要承认计算值的10%，在夏季是6min，在冬季为12min。对肠兰伯氏鞭毛虫的CT值，由于PH值为7，水温为5℃情况下CT值是25，PH为7，水温为25℃的情况下是6，所以剩余氯的必要量在冬季是25/12=2.1mg/l，在夏季是6/6=1mg/l。
同样对于病毒表－4示出的CT值，冬季是4，夏季是1，所以剩余氯的必要量，在冬季是0.33mg/l，在夏季是0.17mg/l。
不言而喻杀灭肠兰伯氏鞭毛虫必要的和剩余氯浓度，就成为实际的杀菌处理条件。
冬季2.4mg/l的剩余氯是过多的，如担心市民有不满的意见，可在清水池内设导流
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