图 60原理馆

净水厂:浑水怎样变成清水

直径两微米的黏土颗粒需要十一天才能沉到沉淀池底,但用混凝剂聚成絮体后,约两小时便能到达池底。

净水厂:浑水怎样变成清水
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1 / 11 你就是水滴你从大坝后方浑浊河流中的一滴水开始,被吸入取水塔。用场景导航栏进入净水厂的各个阶段,或点击建筑。读数面板跟踪从河流到水龙头的浊度和细菌;数值为模型值,画出的限值为韩国限值。

拖动可旋转,滚轮或双指缩放。

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模型展示的内容

净水厂把细小颗粒聚集成较大的絮体,让它们沉淀,再过滤剩余颗粒,使浑水变清。随后通过消毒降低微生物带来的风险。在韩国,自来水的浊度必须不超过 0.5 NTU。仅凭外观清澈,不能判断水能否安全饮用。

从厨房水龙头接一杯水,水清澈、冰凉,带着淡淡的氯味。一两天前,它还是褐色河水的一部分。从河流到水杯之间,它经过了一座净水厂,而厂里大部分工作都在解决一个问题:黏土颗粒太小,无法自行沉降。

模型把整座净水厂从左到右摆在一张台面上。大坝拦成水库,河中的取水塔从水面以下取水。管道把水送到受水井,再送入投加混凝剂的快速混合池,接着经过三个带桨叶的絮凝池格、一座长形沉淀池、两座快砂滤池、一座臭氧接触池、一座活性炭滤池,以及投加氯的折流清水池。水泵把水提升到山上的配水池,管道再把水送下山,送到厨房水龙头。

开场时,你是大坝下游浑浊河流里的一滴水。取水塔把水滴吸入时,镜头跟在水滴后面,随后升到整座净水厂上空。水滴上方的标签显示它在该处所带的浊度和细菌数量,读数面板中的图表则显示各阶段的这两项数值。显微镜小窗显示宽 400 微米的一片水域。

场景中的导航栏带你进入各个阶段:取水(取水口前的拦网,剖面宽约 2 m)、絮凝(宽 1 mm 的水域,黏土颗粒在其中遇到混凝剂,并以实际尺寸聚成絮体)、沉淀(池底逐渐积起污泥的池体剖面)、过滤(砂和无烟煤滤床的剖面,深约 1 m)、消毒(宽 20 µm 的水域,细菌、病毒和隐孢子虫卵囊在其中遇到氯、臭氧和紫外线),以及水龙头(一杯水)。点击台面上的建筑也有同样的作用。

控件可以改变河水和净水厂的条件:河水浊度(1 至 1,000 NTU)、混凝剂投加量(0 至 150 mg/L)、黏土粒径、pH、滤速、氯投加量、臭氧与活性炭、紫外线和反冲洗。原水数值(默认 10 NTU、每毫升 1,000 个细菌)和大多数厂内设定一样,都是模型值;读数面板会注明。图表上画出的限值则是韩国实际采用的限值。

黏土为什么不会自行沉淀

河水显得浑浊,是因为其中有黏土和粉砂颗粒,大多数直径只有几微米。浊度以 NTU(散射浊度单位)计量,衡量这些颗粒散射光的程度。韩国规定自来水不得超过 0.5 NTU,这样的水装在杯中看起来完全清澈。

把一罐浑水放在架子上,砂粒几秒内就会落下,但浑浊会持续数天。原因在于斯托克斯定律。一个在水中下沉的小球会达到稳定速度

v = g × Δρ × d² / (18 × μ)

其中 g 是重力加速度,Δρ 是颗粒密度与水密度之差,d 是颗粒直径,μ 是水的黏度(20 °C 时约为 1.0 mPa·s)。直径取平方。颗粒直径缩小到十分之一,沉降速度就降到百分之一。

对于 20 °C 水中的矿物颗粒(2,650 kg/m³),模型给出的结果为:

颗粒直径 沉降速度 下沉 3.5 m 所需时间
0.5 µm 0.0008 m/h 180 天
2 µm 0.013 m/h 11 天
10 µm 0.32 m/h 11 小时
20 µm 1.3 m/h 2.7 小时
100 µm 32 m/h 6.5 分钟

让水停留两三个小时的沉淀池可以截留砂和粗粉砂,但使水浑浊的细黏土会直接穿过。要去除它们,净水厂必须先让颗粒变大。

混凝剂如何让颗粒黏在一起

水中的黏土颗粒表面带负电荷。两个颗粒漂近时会相互排斥,因此始终无法接触,浑浊状态也就保持稳定。这就是架子上的罐子一直浑浊的原因。

净水厂在快速混合池中投加混凝剂,即铝盐或铁盐;韩国净水厂常用聚合氯化铝。带正电荷的铝物种抵消颗粒上的电荷,部分铝还形成有黏性的氢氧化物,把颗粒网捕到一起。水被剧烈搅拌约一分钟,让药剂在反应消耗之前接触到每个颗粒。

合适的投加量取决于水质,净水厂通过烧杯试验确定:一排烧杯分别加入不同剂量,以同样的方式搅拌,沉淀后进行比较。混凝剂过少,许多颗粒仍然带电。过多则可能使颗粒带上正电荷,重新相互排斥。模型使用一条示例烧杯试验曲线,最佳投加量为 25 mg/L。

缓慢搅拌使絮体长大

快速混合后,已脱稳的颗粒需要反复相遇。絮凝池用缓慢转动的桨叶搅拌水,后一个池格的桨叶比前一个转得更慢。初期,轻缓混合帮助小颗粒碰撞。后期,絮体变大且容易破碎,快速桨叶会把它们撕散。

絮体不是实心球。它是疏松、有分支且含有大量水的聚集体,因此长得越大,平均密度越接近水。模型把絮体视为分形维数为 2.2 的分形聚集体。由 2 µm 颗粒长成的 120 µm 絮体,密度仅比水高 62 kg/m³,而单个颗粒则高出 1,650 kg/m³。尽管如此,由于直径取平方,它仍以 1.76 m/h 下沉,比组成它的颗粒快约 140 倍。

显微镜小窗显示了这种变化。投加量为 0 时,视野中满是各自晃动的独立颗粒。提高投加量,颗粒便聚成团;到 25 mg/L 时,几乎所有颗粒都进入了絮体。

沉淀池与斯托克斯定律

沉淀池是一座长形水池,水流慢得几乎看不出在动。通常归功于美国工程师 Allen Hazen 的理想沉淀池模型给出了一条简单规则。水从一端进入、另一端流出,因此每个颗粒穿过池体的时间相同。这个时间等于水深除以表面负荷,而表面负荷等于流量除以表面积。模型中的表面负荷为 1.5 m/h,水深为 3.5 m,因此水在池内停留 2.3 小时。

沉降速度大于表面负荷的颗粒,无论从什么高度开始,都会在到达出水口前落到池底。较慢的颗粒只有在起始位置足够低时才会被截留。截留比例等于它的沉降速度除以表面负荷。剖面图中可以看到这一点:每个颗粒以相同的水平速度移动,同时各自按相对于表面负荷缩放后的斯托克斯速度下沉。

对于 2 µm 的河流黏土,不同混凝剂投加量下的模型结果如下(滤后水数值来自下一阶段):

混凝剂投加量 絮体尺寸 沉降速度 池内截留比例 沉淀后 过滤后
0 mg/L 2 µm 0.013 m/h 0.9 % 9.9 NTU 5.0 NTU
5 mg/L 55 µm 0.68 m/h 21 % 7.9 NTU 1.4 NTU
10 mg/L 88 µm 1.2 m/h 59 % 4.1 NTU 0.38 NTU
25 mg/L 120 µm 1.76 m/h 100 % 1.0 NTU 0.050 NTU
60 mg/L 72 µm 0.95 m/h 38 % 6.2 NTU 0.80 NTU

粒径滑块展示同一定律的另一面。保持投加量 25 mg/L,让河流黏土变得更细。颗粒为 1 µm 时,絮体只能长到 60 µm,以 0.44 m/h 下沉,沉淀池截留 29 % 的浊度;颗粒为 0.5 µm 时,只截留 7 %。极细的胶体是实际净水厂有时添加高分子助凝剂或改用其他混凝剂的原因之一。

滤池截留沉淀池漏过的颗粒

模型中的沉淀出水仍约为 1 NTU,主要含有小絮体。水向下流过快滤池,滤床由上层粗无烟煤、中层细砂和下层砾石组成,下方是带滤头的配水排水系统。韩国规定快滤的速度为每天 120 m 或以上,即 5 m/h。

滤池不是筛子。砂粒之间的空隙远大于颗粒,而颗粒之所以被截留,是因为它们在滤床深处撞上滤料并黏附。因此,混凝在这里也很重要:脱稳颗粒更容易黏附。模型设定无混凝剂时滤池的对数去除值为 0.3,充分混凝时为 1.3,因此 1 NTU 的水出来后变为 0.05 NTU。韩国规定,每月滤后水样本中,95 % 必须不超过 0.3 NTU,任何样本都不得超过 1 NTU。

无烟煤比砂轻,因此冲洗后粗颗粒层仍留在上面。滤床逐渐堵塞,上方水位随之升高。此时将该滤池停运并反冲洗:把水向上压过滤床,通常先通空气,使滤床膨胀,滤料互相摩擦洗净,污水溢入集水槽。打开「反冲洗」,可以看到右侧滤池的滤床抬升,槽内充满褐色水。

臭氧和活性炭简介

韩国许多大型净水厂在过滤后增加深度处理。臭氧在有盖接触池中以气泡形式通入水中。它是一种强氧化剂,能分解藻类暴发时产生土腥味的土臭素和 2-MIB 等物质,也能杀灭微生物。随后,水经过深厚的颗粒活性炭滤床,其巨大的内部表面吸附剩余有机物。模型中,这些步骤额外去除 1 个对数值的细菌;关闭它们,水就会经过前方的旁通管道。

氯的效果取决于浓度乘以时间

消毒是最后一道屏障。大肠杆菌等细菌在少量游离氯中几秒内便会死亡,但病毒,以及贾第虫等原生动物的包囊,需要大得多的接触量。监管部门用 CT 衡量这种接触量:出水口剩余消毒剂浓度(mg/L)乘以接触时间(分钟)。采用同一思路的美国《地表水处理规则》要求,处理必须去除或灭活至少 99.9 % 的贾第虫包囊和 99.99 % 的病毒,过滤与消毒的效果共同计入这一目标。

有效的时间不是平均停留时间,而是 T10,即最先 10 % 的水通过所需的时间。普通水池会让部分水直接快速穿过;因此清水池设置折流墙,迫使水来回曲折流动。模型采用 T10 = 30 分钟,并假定水会立即消耗 0.3 mg/L 的氯。投加 1.0 mg/L 后剩下 0.7 mg/L,因此 CT = 0.7 × 30 = 21 mg·min/L。韩国规定以灭活比表示结果,即实际达到的 CT 除以对应温度和 pH 下所需的 CT,且必须至少为 1。

从清水池到你的水龙头

水泵把水提升到高处的配水池,配水池平衡全天的用水需求,并提供靠重力把水推向住户的压力。途中,氯不断与管壁和水中残留物反应。模型让它以每小时 4 % 的速率衰减,持续 24 小时。韩国规定水龙头处游离氯至少为 0.1 mg/L,以便有东西进入管道时,水中仍留有少量消毒剂,同时不得超过 4.0 mg/L。

拖动氯滑块,观察细菌图表的最后一个点。投加 1.0 mg/L 时,到达水龙头的余氯为 0.27 mg/L。投加 0.6 mg/L 时为 0.12 mg/L,刚好够用。投加 0.5 mg/L 时,只剩 0.08 mg/L,模型允许细菌在管道内重新生长,说明了为何要设下限。

更浑浊的水需要更多混凝剂和合适的 pH

模型中,最佳混凝剂投加量随河水浊度按 (turbidity / 10 NTU)^0.45 × 25 mg/L 增长:30 NTU 时约 41 mg/L,100 NTU 时约 70 mg/L,300 NTU 时约 115 mg/L。这个指数是模型值,模仿烧杯试验结果的常见曲线形状,在这种曲线中,浊度加倍并不意味着投加量加倍。混凝剂过少,大多数颗粒仍各自分散;过多则会使颗粒表面带上相反符号的电荷,再次相互排斥,因此超过最佳投加量后,絮体尺寸反而下降。

pH 与投加量同样重要。铝系混凝剂在接近中性的范围内效果最好;模型中,pH 为 6 或 8 时,进入絮体的颗粒比例降到约 64 %,pH 为 5.5 或 8.5 时降到 37 %。因此实际净水厂会在多个 pH 值下做烧杯试验,并在河水变化时用酸或碱调节 pH。

暴雨后,河流携带的粉砂可能远多于平时。在场景中,300 NTU 的水采用通常的 25 mg/L 投加量时,沉淀后仍约 230 NTU,过滤后为 39 NTU。投加量约 115 mg/L 时,絮体重新形成,沉淀后剩 5.5 NTU,以 5 m/h 过滤后降到 0.27 NTU,刚好低于 0.3 NTU 限值。把滤速提高到 8 m/h,同样的水出来后为 0.51 NTU:暴雨期间的水通常不仅需要更多混凝剂,也需要更慢的过滤。

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滤池装满时

滤床把颗粒截留在滤料间的空隙中,因此会逐渐填满。模型中的滤池负荷一行记录这一过程:到达滤池的浊度越高、滤速越快,负荷增长越快。负荷低于 100 % 时,出水不变。超过这一水平,颗粒开始穿透,滤后浊度迅速上升;模型中,负荷为 130 % 时,浊度约为原来的 13 倍。操作人员监测水头损失和滤后浊度,在这之前进行反冲洗,把空气和水向上压过滤床,使滤床抬升,污物被冲入集水槽。

三类微生物,三道屏障

消毒视图展示了净水厂为何使用多道屏障。普通细菌在氯中很快死亡。病毒需要更多接触量:美国规定在 10 °C 时,CT 为 6 mg·min/L 对应病毒灭活 4 个对数值。隐孢子虫卵囊有一层正常氯投加量几乎无法影响的外壁,因此主要靠混凝和过滤去除,再用紫外线灭活,达到 4 个对数值约需 22 mJ/cm²。

pH 也会改变氯的效果。游离氯由次氯酸(HOCl,绿点)和次氯酸根离子(OCl⁻,浅蓝点)组成。两者比例取决于 pH,在约 pH 7.5 时各占一半:pH 为 7 时,约 78 % 是 HOCl,pH 为 8.5 时仅约 10 %。HOCl 的消毒能力强得多,因此模型中,同样的氯在碱性水中灭活病毒的速度要慢得多。pH 为 8.5、投加量为 0.8 mg/L 时,病毒灭活值从至少 6 个对数值降到约 1.3;把投加量提高到 2.0 mg/L,会重新超过 4 个对数值,把 pH 调回 7 也有同样效果。

读数面板的最后一行给出细菌、病毒和隐孢子虫的消毒对数值。挑战中使用的隐孢子虫全厂数值,还加上了沉淀和过滤的去除量,模型将其与浊度去除量关联。

你一天用的水

首尔 2025 年平均每天供水 3,084,211 m³,人均 307 升,既包括家庭,也包括商店和办公室。模型净水厂每天生产 10 万 m³,约每秒 1,157 升,因此生产 307 升约需四分之一秒,按这个用水量,一天的产水可供约 326,000 人使用。按首尔 2025 年平均居民水价每 m³ 600.5 韩元计算,不含污水处理费时,每升自来水约为 0.6 韩元。

模型省略的内容

净水厂按小比例绘制,各部件之间并非同一比例。实际沉淀池长 50 至 100 米、深数米,中型净水厂有十几个或更多滤池单元。屏幕上的颗粒尺寸按实际尺寸的对数显示,因为 2 µm 颗粒和 120 µm 絮体不可能都以真实比例看清。

计算经过有意简化。实际河水包含范围很广的颗粒尺寸,并非只有一种,絮体生长不仅取决于投加量,还取决于混合能量、温度、pH 和水的化学性质。实际沉淀池并不理想;水流和风会降低性能。过滤去除量和细菌数量是为展示趋势而选的示例值。管道中的再生长是对实际风险的简化描绘,并非测量值。净水厂还会调节 pH,有时增加预氯化步骤,并处理污泥,而模型只把污泥画成池底的褐色层。

新增控件还基于更多模型值:最佳投加量按 (turbidity / 10 NTU)^0.45 增长,pH 适用范围是以 pH 7 为中心、宽度为 1.5 个单位的钟形曲线,过滤去除量随 5 m/h 除以滤速所得比值的平方根缩放,滤池负荷随沉淀出水浊度的 0.4 次幂增长,穿透增长速度为超载程度的 40 倍,臭氧对细菌、病毒和隐孢子虫分别增加 1、2 和 0.5 个对数值,紫外线设为 40 mJ/cm²,病毒和卵囊通过全厂时的对数去除值分别取浊度对数去除值的一半和十分之九。水杯上方的气味线从水龙头余氯 1.0 mg/L 开始出现,这是模型阈值:WHO 指出,有些人在低至 0.3 mg/L 时就能尝出氯味,而 4.0 mg/L 的限值远高于这个水平。各特写视图并非同一比例:各自的图注会注明。

计算示例:设计一座日产 10 万 m³ 的净水厂

展览给出了速率和水深,但没有给出池体尺寸。这里为一座日产 10 万 m³ 水的中型城市净水厂做粗略尺寸估算。流量是假定值,池体数量也是假定值;速率采用模型中的数值。

  • 流量。 10 万 m³/天等于 4,167 m³/h,或 1.16 m³/s。
  • **沉淀池。**表面负荷为 1.5 m/h 时,总表面积为 4,167 ÷ 1.5 = 2,778 m²。水深 3.5 m 时,容积为 9,722 m³,水的停留时间为 9,722 ÷ 4,167 = 2.3 小时,即展览中显示的数值。实际会把这些面积分成多个池体,以便腾空其中一个进行清洗。
  • **如果流量加倍呢?**暴雨天,净水厂可能需要让两倍的水通过同样的池体。表面负荷变为 3.0 m/h。25 mg/L 投加量形成的絮体以 1.76 m/h 下沉,因此理想沉淀池规则表明,只有 1.76 ÷ 3.0 = 59 % 被截留,水的停留时间由 2.3 小时降到 1.2 小时。随后滤池承受的絮体负荷大得多,因此河水变浑时,操作人员会降低流量或提高投加量。
  • 混凝剂。 25 mg/L 等于每 m³ 25 g,因此每天处理 10 万 m³ 需要 2,500 kg 药剂,每小时略多于 100 kg。最佳投加量通过烧杯试验确定,并随每场暴雨变化,因此需要经常调整泵送速率。
  • **滤池。**按快滤最低滤速 5 m/h,过滤面积为 4,167 ÷ 5 = 833 m²。净水厂不能同时冲洗所有滤池。若有 12 个各 70 m² 的滤池,最不利情况下始终有一个停运反冲洗,剩下 11 × 70 = 770 m²,其余滤池的滤速升至 4,167 ÷ 770 = 5.4 m/h。
  • **清水池。**如果折流使 T10 = 30 分钟,而且折流效果足够好,使 T10 等于平均停留时间的一半(假定),池体就必须容纳 60 分钟的流量,即 4,167 m³。没有折流墙的池体,T10 会远低于平均时间,要达到相同 CT 就必须大得多。
  • 氯。 1.0 mg/L 的投加量等于每 m³ 1.0 g,因此每天需要 100 kg 氯,其中 0.3 mg/L 的需氯量会立即消耗 30 kg。

人们看到 CT = 21 mg·min/L 时,往往忘了最后这一项。CT 取决于温度。美国 EPA 在其消毒剖面评估指导文件中列出:6 °C、pH 6.7、氯浓度 1.0 mg/L 时,贾第虫灭活 3 个对数值需要 CT 为 127.9 min·mg/L。把同一个清水池用于冬季河水,本例中的 21 mg·min/L 仅约为表中要求的 16 %。寒冷天气下,净水厂必须提高余氯、延长接触时间,或使用其他屏障。

氯、臭氧、紫外线和膜的比较

每道屏障都有擅长和薄弱之处,因此地表水净水厂会叠加使用多道屏障。

屏障 擅长应对 薄弱之处或限制 留下什么
游离氯 细菌、大多数病毒;在管道中保持余氯 对隐孢子虫卵囊无效(WHO);受浊度、pH、温度影响 余氯;三卤甲烷等消毒副产物
臭氧 强氧化剂:异味物质、许多微生物 不留下能在管道中保护水的残留消毒剂 无持久残留
紫外线 低剂量即可对付隐孢子虫和贾第虫 病毒需要高得多的剂量;水必须足够清澈,光才能穿过 无残留
膜过滤 对颗粒和原生动物构成物理屏障;WHO 表中浊度低于 0.1 NTU 污堵、能耗和成本;除非采用纳滤或反渗透,否则不能去除溶解性化学物质 无

紫外线数值体现了这一规律。EPA 的紫外线剂量表给出,隐孢子虫灭活 3 个对数值(99.9 %)需要 12 mJ/cm²,贾第虫需要 11 mJ/cm²,但病毒灭活 3 个对数值需要 143 mJ/cm²,几乎是前者的十二倍。以 mJ/cm² 表示的剂量等于以 mW/cm² 表示的灯光强度乘以照射秒数,因此一个提供 2 mW/cm²、照射 6 秒的反应器,剂量就是 12 mJ/cm²。因此 EPA 的紫外线工具包指出,净水厂可以用紫外线对付原生动物,用氯对付病毒,并在紫外线处理下游投加氯。

消毒剂还会与水中的有机物反应,形成副产物。EPA 将总三卤甲烷限值设为 0.080 mg/L,五种卤乙酸限值设为 0.060 mg/L,并将氯和氯胺的最大残留浓度设为 4.0 mg/L。副产物限值是净水厂在加氯之前先用混凝和活性炭去除有机物,而不是一味多加氯的原因之一。

四个真实案例

**伦敦苏豪区,1854 年。**1854 年 9 月,Broad Street 周边约有 600 人在一周内死于霍乱。当时主流观点认为霍乱通过污浊空气传播。John Snow 绘制病例分布图,提出 Broad Street 水泵的水传播了疾病;水泵把手被拆除,疫情结束,不过在此之前,随着居民离开该地区,疫情已在减弱。Snow 还比较了两家供水公司服务的住户,一家从泰晤士河受污水污染的河段取水,另一家从更上游取水。这个案例常用于教学,是因为它说明,在细菌学说仍是未经证实的少数观点时,已经可以用地图和计数来回答「这些水从哪里来?」的问题。

**泽西市,1908 年。**1900 年代初的过滤降低了浊度,但 EPA 的饮用水处理史指出,在那些年,氯等消毒剂对减少水传播疾病暴发的贡献最大。新泽西州泽西市在 1908 年首次把氯用作主要消毒剂。这就是氯投加量滑块背后的实际做法。

**密歇根州弗林特,2014 至 2015 年。**2014 年 4 月,该市改用弗林特河作为水源,一座近 50 年未全面运行的净水厂必须处理这些水。一篇经过同行评审的危机综述指出,供水单位没有腐蚀控制计划,切换水源前也没有开展足够的中试和腐蚀研究。2015 年,Marc Edwards 及其同事对 120 户家庭取样:20 % 超过 15 µg/L 的铅行动水平,第 90 百分位值为 30 µg/L。这些水和其他河水一样接受了处理。缺少的是腐蚀控制,即防止老旧铅管向水中释放铅的化学控制。该市在 2015 年 10 月 16 日恢复由原供应方供水。展览止于水龙头,但这个案例表明,净水厂的工作在管道中仍需继续。

**韩国城市,深度处理。**仁川自来水事业本部表示,其从 2016 年富平净水厂开始,将各厂改造为深度处理工艺(臭氧氧化加颗粒活性炭),2021 年完成公村净水厂,并计划到 2026 年完成寿山净水厂的改造。该机构还指出,环境部在 2023 年 10 月把摇蚊幼虫加入饮用水监测项目,因为维护不良的活性炭滤床可能成为它们的栖息地。深度处理解决了口感和气味问题,也带来了自身的维护工作。

来自三个来源的水质数值

这三组数值服务于不同目的。WHO 发布指导值,供各国政府调整采用。EPA 制定法定限值(MCL)和处理技术要求(TT)。韩国通过法规规定限值。它们衡量的并不总是同一个量,因此比较时要谨慎。

项目 韩国 美国 EPA WHO
水龙头处浊度 0.5 NTU 无水龙头限值;滤后水最高 1 NTU,常规过滤中 95 % 的样本不超过 0.3 NTU(TT) 保持低于 1 NTU,以有效消毒
游离余氯 水龙头处至少 0.1 mg/L;最高 4.0 mg/L 以 Cl₂ 计最高 4.0 mg/L(MRDL) 集中处理水交付时建议为 0.2 至 0.5 mg/L
铅 由规则规定(此处未列表) 目标为零;行动水平 0.015 mg/L 0.01 mg/L
总三卤甲烷 由规则规定(此处未列表) 0.080 mg/L 按化合物分别规定指导值
贾第虫和病毒 灭活比至少为 1 去除或灭活 99.9 % 和 99.99 % 按对数降低值设定健康目标

模型只绘制浊度和氯这两行,因为它们是三个滑块改变的量。

常见误解

  • **「混凝剂越多,水就越清。」**烧杯试验曲线并不支持这一点。模型中,60 mg/L 形成 72 µm 絮体,以 0.95 m/h 下沉,过滤后仍为 0.80 NTU,比 25 mg/L 时的 0.050 NTU 更差。
  • **「清水就是安全的水。」**浊度衡量颗粒散射光的程度。一杯水可以清澈透明,却仍含有溶解态铅,或小到不足以明显散射光的微生物。因此图表把细菌和浊度画成两条线,也因此弗林特的样本检测的是铅,而非清澈程度。
  • **「滤池就是细筛子。」**孔隙远大于它去除的大多数颗粒。滤料通过滤床深处的接触截留颗粒,因此混凝后过滤效果更好。
  • **「氯能杀死一切。」**WHO 指出,氯对隐孢子虫卵囊无效。净水厂依靠过滤,有时加上紫外线或臭氧,来应对它们。
  • **「水一出厂就没问题了。」**水龙头处的余氯,模型默认值为 0.27 mg/L,之所以存在,是因为管道也是系统的一部分。

在屏幕上试试

  1. 将混凝剂投加量设为 0。显微镜显示独立颗粒,图表在过滤后约 5.0 NTU 处结束,是 0.5 NTU 限值的十倍。
  2. 缓慢提高投加量,直到过滤后的数值首次低于 0.3 NTU。上表表明,这必定发生在 10 至 25 mg/L 之间。
  3. 将投加量推到 60。絮体缩小到 72 µm,结果变差。调回 25。
  4. 保持投加量为 25,把黏土粒径降低到 0.5 µm。沉淀池只能截留 7 % 的浊度。
  5. 关闭臭氧与活性炭,观察水流经过旁通管。再将其打开。
  6. 打开反冲洗,观察右侧滤池和逐渐装满水的集水槽。
  7. 将氯投加量设为 0.5 mg/L,跟踪细菌图表的最后一个点。0.6 mg/L 时刚好达标,0.5 mg/L 时不达标。
  8. 在清水池打开内部视图,用水滴跟随水流绕过折流墙。如果分不清位置,可以打开部件名称。
  9. 在场景导航栏中按絮凝,把投加量设为 0,再调回 25,观察颗粒聚成絮体。然后将 pH 调到 6 和 8.5。
  10. 将河水浊度设为 300 NTU,并按沉淀。提高投加量,直到读数回到限值以内,然后尝试把滤速设为 8 m/h。
  11. 在过滤中,让场景继续运行,观察滤池负荷上升。在达到 100 % 之前反冲洗。
  12. 在消毒中,把 pH 设为 8.5:绿点变为浅蓝点,变灰的病毒减少。然后打开紫外线,观察橙色卵囊。
  13. 在自己试试中开始挑战;场景中的徽章会记录已解决的数量。我的用水把你的每日用水量换算成净水厂的生产秒数。

常见问题

水已经过滤,为什么自来水还要加氯?

过滤会连同颗粒去除大多数微生物,但并非全部,而且水离厂后,过滤无法提供保护。氯杀灭穿过过滤的微生物,并留下余氯,保护管道中的水。韩国规定水龙头处游离氯至少为 0.1 mg/L。

NTU 是什么意思,0.5 NTU 算干净吗?

NTU 代表散射浊度单位。仪器让光穿过样本,测量颗粒向侧面散射了多少光。0.5 NTU 的水看起来完全清澈;约 4 至 5 NTU 时,杯中开始看得出雾状浑浊。韩国自来水不得超过 0.5 NTU。

什么是混凝剂,它会留在水中吗?

混凝剂是铝盐或铁盐,例如聚合氯化铝,用来抵消细颗粒上的电荷,让它们黏在一起。几乎所有混凝剂最终都进入絮体,絮体沉淀或被滤池截留,作为污泥离厂。韩国饮用水标准也规定了铝的限值。

什么是斯托克斯定律?

它给出小球在流体中缓慢下沉时的稳定速度:v = gΔρd²/(18μ)。速度随直径的平方增大,因此尺寸加倍,颗粒沉降速度就变为四倍。它适用于颗粒周围水流缓慢平顺的情况,大致对应雷诺数低于 1。

滤池为什么需要反冲洗?

颗粒黏附在滤床内部,填满空隙,水越来越难通过,最终颗粒开始松脱,进入滤后水。把清水向上压过滤床,会使滤床膨胀并擦洗滤料,污物则被带入冲洗水槽。

什么是 CT?

CT 等于剩余消毒剂浓度(mg/L)乘以接触时间(分钟)。较高氯浓度配较短时间,或较低氯浓度配较长时间,可以达到同一 CT。监管部门发布的表格给出在特定温度和 pH 下,达到特定灭活效果所需的 CT。

臭氧和活性炭增加了什么作用?

臭氧氧化异味物质并帮助消毒;活性炭吸附剩余的有机化合物,其中一些若不去除,就会与氯反应。两者合用主要改善口感和气味,并减少消毒副产物。

紫外线能取代氯吗?

对大多数净水厂而言,不能单独取代。紫外线以低剂量即可灭活隐孢子虫和贾第虫(EPA 表中灭活 3 个对数值分别需 12 和 11 mJ/cm²),但病毒约需 143 mJ/cm²,而且紫外线不在管道中留下残留消毒剂。用紫外线处理原生动物的净水厂,通常仍在下游投加少量氯或氯胺。

弗林特有净水厂在运行,水中为什么还有铅?

铅来自老旧入户管线和室内管道,而非河流。2014 年 4 月切换水源时,供水单位没有腐蚀控制计划,因此水能够从管壁带走铅。如果水的化学性质侵蚀管道,净水厂即使输送清澈、经过消毒的水,仍可能把铅送到用户那里。

混凝剂投加量为什么不是越大越好?

超过最佳投加量后,颗粒带上正电荷,再次互相排斥,形成的絮体更小。模型中,60 mg/L 形成 72 µm 絮体,过滤后为 0.80 NTU,而 25 mg/L 时分别为 120 µm 和 0.050 NTU。

pH 为什么会改变氯的效果?

水中的游离氯分为次氯酸(HOCl)和次氯酸根离子(OCl⁻),在约 pH 7.5 时各占一半。HOCl 的消毒能力强得多,因此同一投加量在微酸性或中性水中,比在碱性水中起效更快。模型中,0.8 mg/L 时的病毒灭活值,从 pH 7 时的至少 6 个对数值,降到 pH 8.5 时的约 1.3。

隐孢子虫为什么有单独的挑战?

它的卵囊有坚韧的外壁,正常氯投加量几乎无法影响。净水厂依靠良好的混凝和过滤去除它们,再用紫外线灭活剩余部分。1993 年密尔沃基疫情估计使 403,000 人患病,发生时一座净水厂的滤后水浊度正在上升。

John Snow 在 1854 年证明了什么?

他通过绘制病例分布图、比较两家供水公司服务的住户,表明霍乱随供水传播,而非污浊空气。他没有识别出致病细菌,而且拆除水泵把手时,苏豪区疫情已在减弱。这个案例之所以被记住,更多是因为研究方法,而非那个把手。

术语

  • 浊度:悬浮颗粒引起的水体浑浊程度,以 NTU 计量。
  • 混凝:用药剂中和细颗粒电荷,使其能够黏在一起。
  • 絮凝:轻缓搅拌,让脱稳颗粒碰撞并长成絮体。
  • 絮体:颗粒与混凝剂形成的疏松聚集体,大到足以沉淀。
  • 表面负荷:通过沉淀池的流量除以其表面积;沉降速度比它大的颗粒会被完全截留。
  • 快滤:让经过混凝和沉淀的水,以每天 120 m 或以上的速度流过砂和无烟煤。
  • 反冲洗:把水(通常还有空气)向上压过滤床,以清洗滤池。
  • CT:消毒剂浓度乘以接触时间,单位为 mg·min/L。
  • T10:10 % 的水通过水池所需的时间,用作接触时间。
  • 游离余氯:以次氯酸和次氯酸根形式留在水中、能够杀灭微生物的氯。
  • 对数去除值:用十的幂表示的去除程度;2 个对数值为 99 %,3 个对数值为 99.9 %。

参考资料

解说文章与模拟采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可,另有说明的除外。

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