向客户提供安全健康的水的水处理过程包括许多步骤。混凝、絮凝、沉淀、过滤和消毒是构成传统地表水处理厂的水处理工艺。这些水处理工艺确保消费者获得的水可以安全饮用，并且美观。

运营地表水处理厂的水系统必须符合地表水处理规则（SWTR）。SWTR的目标是减少与饮用水中的病原体相关的疾病。这些病原体包括大肠菌群、贾第鞭毛虫和隐孢子虫。满足SWTR需要多障碍的治疗方法。这意味着处理厂必须去除和灭活病原体。水处理过程中的凝结、絮凝、沉淀、过滤去除了病原体。消毒水处理过程使它们失活。

水中的小颗粒可能由淤泥和粘土，色体，沉淀的铁或锰氧化物，甚至细菌和藻类组成。这些颗粒一起使水看起来浑浊。这种浑浊被称为浑浊。视觉浑浊度令消费者不愉快。视觉浑浊度也是操作员和监管机构的一个指标，表明水可能仍然含有病原体。因此，地表水处理规则要求将浊度降低到非常低的水平。去除浊度的过程从凝固开始。

混凝

凝固被定义为增加小颗粒相互附着并附着在诸如过滤床颗粒之类的表面的倾向的水处理过程。许多地表水供应含有太小而无法自行从溶液中沉淀出来的颗粒。这些小粒子通常携带一个小的负电荷，使粒子像磁铁的类似末端一样相互排斥。水系统操作员必须使用化学品来中和这些小电荷，帮助颗粒相互附着，并变得足够重以沉淀出溶液。

注入混凝剂化学品以中和这些小的负电荷，然后快速混合水。快速混合分散了混凝剂，也增加了这些小颗粒的相互作用。

饮用水处理中的凝固历史

自 19 世纪 80 年代以来，凝结一直是美国高速率过滤厂的重要过程。铝和铁盐从一开始就用于凝固过程。这些盐仍然是今天最常用的混凝剂。目前常用的混凝剂包括硫酸铝（明矾）、硫酸铁、氯化铁和铝酸钠。合成有机聚合物于20世纪60年代推出。根据系统的水质，可能需要使用两种或多种混凝剂的组合。

铝和铁混凝剂在水中放置了大量的正离子。这些离子开始形成絮凝物，然后吸引水中带负电荷的颗粒。当颗粒在混合区域碰撞时，它们开始粘在一起形成越来越大的絮状物。温度，pH值，碱度和水中的浊度量控制着水中铝和铁盐的反应。

影响混凝过程的因素

在不稳定过程中，水的pH值对混凝剂的有效性有很大的影响。使用明矾时，凝血的最佳pH范围为6至7，使用铁时为5.5至6.5。可能需要大量混凝剂才能将pH值降低到高碱度水的最佳范围。这导致高化学成本和处理过程中产生的大量污泥。因此，在这种情况下，在混凝剂之外添加酸以降低pH值并减少所需的混凝剂量可能具有成本效益。

水温也会影响凝固过程，因为它会影响水的粘度。随着水温的降低，明矾和铁盐都以较慢的速度形成絮凝物。

絮凝

在混凝剂化学添加和快速混合过程之后，原水将继续进入絮凝池。絮凝处理过程的目标是增加絮凝物的尺寸，以增加其沉降能力。

絮凝池设计和短路

絮凝池通常设计有挡板，以减少短路的机会。当水能够几乎直接从水箱或处理过程的入口流向出口而没有获得足够的接触，沉降或反应时间时，就会发生短路。挡板通常将絮凝盆分成几个不同的隔间。这些隔间使操作员更容易控制停留时间和水接收的混合能量。

絮凝盆地作业

絮凝池内部通常是大型的，移动非常缓慢的桨式混合器，可促进颗粒的相互作用。靠近罐入口的隔室通常将获得更高的混合能量，以增加颗粒的相互作用。靠近罐出口，絮凝物变得更大，因此更脆弱。这里的水将接收较少的混合能量，以免分解絮凝物，但仍然保持它们移动，这样它们就不会过早沉淀。

如果您从絮凝罐的一端走到另一端，您可以看到随着越来越多的颗粒碰撞而增加这些颗粒的大小。这种粒径增长的过程被称为团聚。

絮凝过程中使用的化学品

为了增强絮凝物的形成和增加絮凝结构的强度，一些系统可能会向水中加入絮凝剂。较大的絮凝物将能够更快地从水中沉降，进一步沿着水处理工艺链向下延伸。您可能会在书籍或工厂操作手册中看到术语“絮凝剂”，“助凝剂”或“助滤剂”。所有术语都是指大致相同的事情：向水中加入一种化学物质以增加形成的絮凝物的尺寸和稳定性。

沉淀（或澄清）)

絮凝物形成后，水继续进入沉淀池或澄清池。处理过程的这一阶段的目标是在下一个处理步骤中过滤水之前减少水中的固体量。

大型絮凝物将通过重力从悬浮液中沉降出来。澄清池可以去除水中很大比例的悬浮物质。在一些工厂中，澄清池可去除多达90%的悬浮固体负荷。不沉降的颗粒将在下一个处理步骤中通过过滤除去。

沉积盆地设计

澄清器的设计和制造非常小心，以确保水流过它们非常缓慢。盆地通常是矩形或圆形的。在矩形盆地中，水将从一端流向另一端，水流速度将与盆地长度平行。在圆形盆地中，沉降的水从盆地的中心流向外部。

斜板或管式沉降器

在澄清池上安装倾斜的板或管可以大大提高其沉降能力。添加倾斜的管或板还可以增加盆地的有效表面积，并降低颗粒沉降所需的深度。

沉积盆地操作

沉积池的设计和操作考虑了两个关键参数：滞留时间和溢流速率。滞留时间定义为盆地的体积除以流经盆地的流量。体积表示为立方英尺，流量表示为每分钟立方英尺。滞留时间是一定量的水通过盆地并离开出口所需的理论时间。传统地表水处理厂的大多数澄清池都设计为提供约四小时的理论滞留时间。如上所述，储罐和澄清器通常会经历某种形式的短路。因此，滞留时间是水流过水箱的平均时间，而不是确切的时间。

表面溢流速率（SOR）是澄清池设计和操作中的另一个重要参数。表面溢流速率定义为流经澄清池（Q）的流量除以澄清池的表面积。流量以加仑/分钟为单位表示，表面积以平方英尺为单位。

澄清池通常以 0.5 加仑/平方英尺的 SOR 运行。通过以这种低速率运行，絮凝物有足够的时间通过重力沉降。这减少了过滤器上的悬浮固体负荷，这反过来又会增加过滤器的运行时间，并降低浊度突破的机会。如上所述，通过安装倾斜的板或管沉降器，澄清器的有效表面积将增加。这使得植物能够增加通过澄清池的流量，并每天处理更多的水。配备斜管沉降器的澄清器的 SOR 可高达 2.0 加仑/分钟/平方英尺。

污泥处理

沉降的颗粒被称为污泥，必须定期从澄清罐中除去。澄清池通常配备耙子以捕获污泥。一些植物可能会尝试对污泥进行脱水以收集一些原水。这些捕获的水将被管道送回处理厂的头部，以便再次经历整个处理过程。

过滤

去除颗粒的最终水处理过程是过滤。沉降过程已经去除了大部分悬浮固体。然而，沉淀无法去除水中的许多小颗粒。过滤将去除这些微生物和其他以前没有沉淀的悬浮物质。

单介质、双介质、混合介质过滤器

过滤器通常根据所用介质的类型进行分类。有单介质、双介质和多媒体筛选器。单介质过滤器通常只是沙子，在现代处理厂中并不常见。双介质过滤器是最常见的过滤器类型。无烟煤和沙子是双介质过滤器中的典型过滤材料。无烟煤、砂和石榴石砂是多介质过滤器中的典型成分。单介质砂过滤器有望去除25-50微米大小的颗粒，双介质过滤器有望去除低至10-25微米的颗粒。

过滤器成熟

过滤器在首次投入使用或反冲洗后必须成熟。如果过滤介质太干净，砂粒和无烟煤之间的孔隙空间太大，则颗粒有可能直接通过过滤器。孔隙空间减小，过滤器在去除颗粒方面更好，因为过滤了更多的水并捕获了更多的颗粒。在过滤器成熟之前，它产生的水可能不符合必要的浊度要求。系统必须能够将这种不合规的水泵送到废物中，而无需进入分配系统。

筛选器操作

过滤器以基于水质和所用过滤介质的过滤器加载速率运行。典型的过滤器负载率范围为 2 至 4 加仑/平方米。过滤器加载速率是处理厂运行中的关键参数，因为它决定了通过过滤器的水流速度和过滤器的运行时间。过滤器运行时间是过滤器在必须进行反冲洗之前可以投入生产的时间长度。过滤器运行时间可以看作是先前处理步骤在减少过滤器上的固体负荷方面的效果的指标。

过滤器的最顶部通常去除水中的大部分颗粒。这是因为过滤介质相对于其质量进行分层。因此，较重的沙子将在过滤器的底部，较轻的无烟煤将在过滤器的顶部。只有当颗粒与过滤介质表面接触时，才会发生颗粒去除。无烟煤的孔隙空间非常小，这意味着水中的颗粒物无法通过。随着越来越多的水通过过滤器，越来越多的颗粒被捕获。最终，过滤器必须进行反冲洗，因为它会充满颗粒。

反冲洗过滤器

反冲洗过滤器用于去除和去除被困在过滤床内的颗粒，以减少过滤器的水头损失，并保持过滤介质的清洁。如果过滤器运行太长时间而没有反冲洗，它可能会变得过载并具有浊度“转储”。当压力在过滤器上积聚得如此之高，以至于介质中形成一个通道并允许颗粒直接流过时，就会发生这种情况。

反冲洗过程的目标是在不去除过滤介质的情况下去除捕获的颗粒。在反冲洗过程中，水流通过过滤器反转。反向的水流使介质膨胀，并将捕获的颗粒从介质中洗掉。重要的是不要过度清洗介质。过滤器的成熟时间可以减少，通过在过滤器中留下一些颗粒，过滤器可以更快地重新投入使用。重要的是，工厂要为反冲洗过程制定特定的程序，以便所有操作员都以相同的方式进行反冲洗。

每个工厂都有自己的参数，何时启动反冲洗。当水头损失（即压力积聚）达到一定水平时，过滤器可能会被反冲洗。该系统的国内供水许可证还可以规定过滤器在一定时间后进行反冲洗，无论是否达到目标水头损失。

消毒

如前所述，地表水处理规则要求对地表水源进行过滤和消毒。水必须经过过滤后进行消毒。

满足氯需求并保持残留

消毒的主要功能是减少水中病原体的数量。水可以被认为是具有天然氯的“需求”。这意味着，当您向水中添加氯时，除目标病原体之外的物质将与一些氯发生反应并消耗一些氯。这既包括无机材料（铁、锰、氨等）和其他有机材料。

处理地表水的水系统还必须在其分配系统中携带消毒残留物。因此，必须在水中加入足够的消毒剂，以满足天然氯的“需求”，灭活目标病原体，并且仍然携带可接受的残留物进入分配系统。

消毒接触时间

为了确保系统对过滤水进行适当的消毒，地表水处理规则要求系统提供足够的接触时间。接触时间（CT）是已知消毒浓度和消毒剂与水接触时间的函数。接触时间以毫克/升-分钟表示。美国环保署已经发布了表格，显示CT信用水系统将获得多少。为了使用这些表格，您可以使用氯的浓度，时间，水温和pH值。

虽然CT是灭活病原体最重要的操作因素，但如果你让你的氯剂量太高，可能会导致意想不到的后果。正如EPA在饮用水可处理性数据库中解释的那样，高氯剂量可能导致味道和气味问题，并可能产生消毒副产品。当氯与水中的天然有机物质反应时，就会形成消毒副产物。消毒副产品引入了其自身的操作挑战和必须处理的法规。

氯化的历史

使用氯进行消毒已经存在了一个多世纪。氯消毒被用来根除许多困扰人类几个世纪的水传播疾病。这包括伤寒和霍乱。氯消毒是有史以来最重要的公共卫生成就之一，挽救了无数生命。

氯化操作

氯化是最早的饮用水消毒方法之一。它仍然是当今最常用的消毒方法。过滤后的水注入液态次氯酸钠，气态氯或固体次氯酸钙。氯是一种强氧化剂。它既用于消毒，也用于去除颜色，味道和气味化合物，铁和锰以及其他溶解的无机污染物，如砷。

氯的替代品

氯化是一种有效的消毒剂，可对抗病毒和兰氏贾第鞭毛虫。 近年来，出现了更坚硬的生物，如Crytosporidium，需要高CT才能失活。已经开发出替代消毒剂来对抗这些更坚硬的生物体。臭氧化和紫外线是两种替代消毒剂，对隐孢子虫非常有效。其中每一个都有自己独特的挑战，必须考虑到这些挑战才能有效运作。地表水处理规则要求系统在分配系统中保持可检测的残留物。这些替代消毒剂都不会提供残留物。因此，在水进入分配系统之前，必须添加氯。

结论

为了满足地表水处理规则的要求，水系统必须去除和灭活水中的病原体。这个过程从凝固开始，凝固破坏了水中颗粒的稳定性。然后，在絮凝过程中，不稳定的颗粒相互碰撞并形成越来越大的絮凝物。这些大型絮凝物有足够的时间在沉降过程中通过重力沉降出溶液。在过滤处理过程中，任何剩余的颗粒和病原体都将被除去。最后，对水进行消毒，以在进入水系统的分配系统之前灭活任何剩余的病原体。

通过实施这些处理过程并满足地表水处理规则，水传播疾病爆发的发生率已成为工业化国家非常罕见的事件，挽救了无数生命。