【收藏】生产运行需要了解的水源水基本知识
什么是水源水？地表水、地下水、苦咸水、海水、再生水又各自有什么样的特点？了解不同类型的饮用水源是水厂的生产运行者们进行有效处理的关键。本文通过简洁明了的描述，帮助水厂生产运行者们快速了解各种类型的水源。
水源水是指可以通过水处理工艺为公众生产饮用水的任何类型的水。因为地表水（湖泊和河流）的易获取性，大部分人将其认作为水源水。但其实还存在很多其他类型的水源，包括地下水、苦咸水、海水和回用/再生水。由于每个水厂所处的地区特点不同，水厂的生产运营者通常只能使用特定类型的水源水。但海水淡化和回用技术的进步正在为水资源的创新利用开辟新的道路，从而获取以往不可使用的水源。通常水厂会通过水质监测的手段来满足美国联邦政府和各州对水质的要求，以及进行有效的生产工艺控制。
本文讨论了水厂的生产运行人员需要了解的不同类型饮用水水源的差异，以及根据水源的不同情况，处理工艺需要如何进行变化。
什么是水源水？
“最佳可用来源”是指源头的水质越好，出厂成品水的水质就越高。每一种水源水都有其独特的优点和缺点，当涉及到如何处理水以供公众使用时，必须考虑这些优点和缺点，才能确定最佳的可用水源。
大多数水源水的第一个缺点是稀性缺。地球上约97%的水存在于海洋中，剩下的3%即淡水中，70%被束缚在冰盖和冰川中，29%在地表以下被发现（地下水），只有大约1%在湖泊、河流和溪流中（图1）。这意味着地球上绝大多数的水都不容易获得，或是不容易用传统的方法进行处理。淡水的稀缺性是海水淡化和再利用创新技术的主要驱动力之一。
图1 地球上的水资源（地球上的大多数水都不容易获得或不容易用传统方法处理）
表1概述了不同类型水源水的基本特性。这些概括说明了地表水和地下水的处理相对简单，地表水更容易获得，但可能含有较高的浑浊度和有机物。地下水必须先迁移到地表，并且可能与地表水相比含有更高浓度的溶解性离子。苦咸水和海水相较而言存量较为丰富，但可能需要深度处理工艺。虽然回用水在各个领域都有，但水质条件可能不像苦咸水和海水那样相对一致。
表1 水源水特性（与其他水源水相比，地表水和地下水的处理相对简单）
注：
1非沿海可获取性低；沿海社区可获取性为中等
2苦咸地表水一致性中等；苦咸地下水一致性高
3湖泊水库有机物含量中等；河流有机物含量高
4苦咸地表水浑浊度高；苦咸地下水浑浊度低
地表水
由于需要大量的水，许多城市和几乎所有的大城市都从地表水，如河流、湖泊和水库中抽取部分或全部的水。因为大多数人目前居住在城市地区，地表水是最常见的饮用水来源。地表水是由降水和水力连接的地下水在重力作用下流向较低海拔地区所产生的地表径流所产生的。没有渗入地面的降雨或融雪形成小溪，向下坡流动，当水向海洋流动时，它们相互汇合，形成小溪和河流。
在平坦的地区，这些汇流可能形成大的、浅的湿地；而池塘和湖泊出现在景观中大规模的洼地自然蓄积水流的地方。在任何给定的位置，上游的陆地对水流的贡献可以由形成流域或分水岭（在北美以外也称为集水区）边界的高点或山脊来定义。人工的输水和蓄水形式包括使用管道将水输送到需要的地方，以及使用水坝形成蓄水库，以备需要时使用。
地表水的显著特征包括水量和水质在时间尺度上存在潜在显著波动，从几个月到几个小时不等。在几个月的时间尺度上，平均降水量和温度随季节变化；降雨或降雪的数量、积雪的融化和其他因素改变了流域的径流量。在短时间尺度上，降水的强度和持续时间可以在数小时或更短时间内引起流量的剧烈变化，这取决于其他因素，如流域的大小、土地的坡度、土壤的孔隙度和含水量以及植被的范围。
在相对平坦、干燥和多沙的陆地上发生短暂的暴雨事件可能会导致很少的径流。在陡峭、黏堆积、植被稀疏的土地上，持续时间较长的小雨事件可能会产生显著的径流。在干旱期消失的地表水体被称为短暂的地表水，许多地表水不是短暂的，而是在长期干旱时期持续存在，这一事实证明了地下水的重要贡献。
由于自然过程和人类活动，水在陆地上向下流动时，其化学和微生物成分发生变化。居住在流域的野生动物在直接在水中或陆地上排便时会释放肠道病原体。俗话说：“每条小溪都是河狸的厕所。”虽然细菌和病毒病原体在环境中会在较长的时间内死亡，但原生动物，如隐孢子虫和贾第鞭毛虫，可以通过分别形成小的抗性卵囊或囊肿，在宿主之间的环境中存活很长时间。它们可能会在低流量的地区沉积，并在短暂的高流量时期会重新大量悬浮，并被带到下游的进水口。
细菌指标，例如大肠杆菌，往往比肠道病毒和原生动物在环境中存活的时间短得多，所以在原水中长期没有任何不利的细菌学结果可能与病原体的存在几乎没有相关性。与河流和溪流相比，从深湖和水库的原水在成分和病原体含量方面的变化通常较小，因为大型水体对风暴等天气事件不太敏感。
由于流域内密集的农业和畜牧业活动，现场污废水处理系统不充分或缺乏，以及城市污水排放到地表水，会发生重大的病原体危害。在一条河流沿岸可能有多个社区，并且每个社区都将河流作为原水来源和处理废水排放的接收体，下游社区抽取的原水中有很大一部分可能是排放的废水，特别是在干旱时期。这构成计划外或事实上的再利用（在“回用/再生水”一节中讨论）。
地表水通常比地下水含有更高水平的浑浊度和溶解性有机物。浑浊度主要是细小颗粒的结果，而溶解性有机物是一种复杂的混合物，主要来源于腐烂的植物物质，统称为腐殖质，以总有机碳计量。由于细小颗粒可能携带病原体，干扰消毒，在处理过程中应进行去除。它们的去除也减少了输配系统中潜在的消毒副产物的形成和生物膜的生长。通过颗粒计数器或浊度计，测量颗粒水平也可以作为一种简单可靠的指示，表明处理工艺正在按要求进行。
然而，水中腐殖质不仅以溶解状态存在于溶液中，在混凝过程中还会覆盖颗粒表面，干扰颗粒的失稳，往往会大大增加所需的混凝剂用量。溶解性有机物含量的变化可能会波动，这可能会影响常规的颗粒去除效果，除非进行适当的调整来补偿和保持成品水质。
最后，在足够深的湖泊和水库中，在一年中的部分时间里可能会发生热分层（图2)，从而形成一层较暖的水（湖上层）保持在下面较冷的水层（深水层）的顶部，被一个温度迅速变化的薄层（变温层）隔开。在这样的条件下，可防止湖上层和深水层中的水混合。上层将接收大部分阳光，根据营养条件，可能会生长藻类，可能产生令人讨厌的嗅味事件或蓝藻毒素。深水层的水质一般较好，微生物活性、浑浊度和水温较低。然而，如果微生物活动充分，底部附近的溶解氧可能被耗尽，缺氧条件会导致铁和锰的还原，以及溶解状态的硫化氢的出现。
图2 热分层-了解每个深度的季节条件将有助于提取最优质的水供后续处理
季节变化可能会破坏热分层，使湖泊或水库“翻转”，整个水柱可能会混合。当一个取水口可能从多个深度取水时，了解每个深度的季节条件将有助于提取可用于后续处理的最佳质量的水。这种了解内容包括一个典型年份中湖泊或水库的季节温度以及溶解氧剖面。在没有热分层的情况下，就没有变温层，图2所示的温度是一条直线。
地下水
地下水存在于地球表面以下的深层含水结构中，称为含水层。它也可能存在于较浅的被称为地下水井的地方，地下水井是一层不透水的土壤，可以阻止水流入地下。水会积聚在这些不透水层的顶部，可以通过挖掘或钻孔到达。与浅地下水位钻井相比，深自流井必须钻入岩层和不透水土层，才能到达下面的饱和含水土层。这种上下都有不透水物质的含水层被称为承压含水层（图3）。
图3 地下井-必须钻深自流井，以穿透岩石层和不透水的土壤，到达下面饱和水的土壤
有时，即使是经验丰富的生产运行人员，处理地下水时也会遇到问题。了解这些挑战以及如何减轻它们的难度将使处理过程更加成功，使水务公司的用户对成品水更加满意。首先，几种情况会自然发生并导致问题，包括砷、嗅味、颜色、结垢。表2列出了其中一些问题的原因和可能的补救办法。
表2地下水环境即使对经验丰富的水厂的生产运行人员来说，处理地下水也是个难题。
地下水可能受到其他化学或生物污染的影响。随着时间的推移，倾倒在地面上的污染会渗入地下水井，最终会通过地球的地下水文特征迁移并沉积到承压含水层中。一些典型的人为来源的地下水污染物包括硝酸盐（化肥）、高氯酸盐（烟花和火箭燃料）以及全氟和多氟烷基物质（消防泡沫和含氟聚合物制造）。取用地下水时，如果不加以处理，这些污染物可能会引起疾病。生物污染物可以进入没有充分保护免受雨水径流或动物或昆虫入侵的井中。细菌可以通过这些来源引入，并污染油井，因此，需要额外的处理和监测。
常规的地下水处理通常是通过添加消毒剂如氯来实现的。这通常足以摧毁任何病原生物，如细菌或病毒。当地下水受到地表水入侵的影响时，它被称为受影响的地下水，可能需要过滤或紫外线(UV)消毒等处理。地表水常常含有耐氯病原体，如隐孢子虫或贾第鞭毛虫，这些病原体可能被引入井中，需要通过深度处理将其过滤或灭活。
苦咸水
广义地说，苦咸水比淡水咸。苦咸水总溶解固体(TDS)质量浓度大于500 mg/L，小于35 000 mg/L。然而，为了供水，通常首选中等浓度的水（即TDS质量浓度为1 000~10 000 mg/L）作为补充淡水水源的替代水源。
苦咸水需要使用反渗透(RO)或电渗析反向脱盐，以去除多余的盐度，使其可以饮用。然而，与海水淡化（见下一节“海水”）相比，苦咸水淡化需要较低的压力（100~300 PSI）和处理成本，淡水回收率较高（70%~90%）。这是因为RO中的压力要求是被淡化水所施加的渗透压的正比函数。TDS浓度越低，渗透压越低，淡化成本越低。
苦咸水可以作为表层水或地下水，这取决于一个地区的地理和地质条件。例如，在沿海地区，地下水经常受到海水的影响，可能是苦咸的。水质在苦咸地下水中通常是一致的，而在苦咸地表水中，由于天气和气候的影响，水质变化更大。
与淡水地表水相似，苦咸地表水含有中到高的浑浊度、病原体和溶解有机物，在使用RO淡化之前需要去除这些物质。因此，常规的混凝、絮凝、沉淀、过滤等预处理方法是解决苦咸地表水淡化问题的主要方法。低压膜过滤，如微滤(MF)和超滤(UF)常被用作RO前的过滤步骤。另一方面，苦咸水淡化除pH值调节和过滤外，在反渗透前几乎不需要预处理。
苦咸地表水和地下水都需要添加或掺入矿物作为后处理，以调节Langelier饱和指数(LSI)，降低腐蚀性；低（负）LSI的水具有侵蚀性/腐蚀性，而高（正）LSI的水具有结垢性。此外，空气吹脱法常被用作去除苦咸地下水中硫化氢的后处理。浓缩物的管理和处理是苦咸水淡化的固有挑战，尤其是对内陆公用事业而言。蒸发池、地表水排放、污水处理厂、深井注入、海水排放是典型的浓缩处理方法。
海水
如图1所示，海水构成了地球水资源的绝大部分，沿海地区很容易获得。然而，由于其高含盐量（TDS约为35 000 mg/L），它是最不受欢迎的饮用水来源。此外，内陆社区的可达性也很差，因为水源或成品水的运输需要大量的资本投资，以及管道、泵站和海水淡化设施的运营和维护费用。此外，高能量需求、水源水摄入和浓缩物排放而造成的潜在环境影响一直是各利益相关者之间争议的主要来源。
海水淡化是海水可饮用的必要条件。虽然在过去被普遍使用蒸馏法，但现代海水淡化工程使用RO过程。正如以前的“苦咸水”一节所讨论的，渗透压与待淡化水的盐度成正比。因此，与苦咸水相比，海水需要更高的压力（870~1 000 PSI）来淡化。此外，由于盐浓度较高，通常需要两道RO工艺——从第一道渗透到第二道处理——以降低产品水中的TDS浓度。
根据水源水质和取水口类型的不同，在RO前需要进行不同的预处理，如溶气气浮和介质过滤器等，以去除藻类和其他悬浮物。海水淡化中常见的污染物之一是硼，因为海水反渗透膜对它的截留率很差(<90%)。提高pH值和使用高硼截留膜可以改善硼的截留效果。与苦咸水淡化类似，在分配前需要适当的后处理来调整LSI和腐蚀性。
回用/再生水
经过处理的污废水是一种经常被忽视的、抗旱的地方水源。经过适当处理的城市污废水可以在许多应用中重复使用，包括各种非饮用水用途，如城市景观灌溉、农业灌溉、冷却水、工业用水、娱乐河流和湖泊，以及饮用水用途。许多公用事业公司已经将用于非饮用水再利用的中水输配系统纳入其供水组合，一些公用事业公司也在考虑计划间接或直接饮用水再利用（IPR/DPR）方案。许多地表水源已经受到污废水的影响，这被称为事实上的可饮用水回用。
污水处理厂的二级和三级处理出水水质可能会有很大的差异，主要表现在有机物和营养物的浓度方面。与其他水源相比，污废水含有更高浓度的微量有机化合物。此外，为了保证成品水的微生物质量，还需要进行适当的病原清除和消毒。因此，中水回用通常需要几种深度处理工艺的组合，包括MF/UF、膜生物反应器、RO、UV消毒、高级氧化工艺、臭氧和生物活性炭(BAC)过滤。
对水厂的生产运行人员来说，好消息是再生水的含盐量比苦咸水和海水低得多。再生水中典型的TDS质量浓度为500~1 000 mg/L。因此，中水RO比海水RO所需的能量更低，这使得饮用水回用比海水淡化更具经济吸引力。根据状态的不同，使用臭氧-生物活性炭的非RO饮用水再利用方案也是可行的。对于浓缩物处理方法有限的内陆地区饮用水再利用项目，非反渗透方案是可取的。除了微生物参数外，在处理过程中还需要密切监测几种受管制的污染物（如硝酸盐）和不受管制的污染物（如亚硝胺）。
采用深度水净化工艺可供再利用的饮用水的显著例子之一是德克萨斯州威奇托福尔斯市在2014年—2015年开发的紧急直接饮用水再利用DPR项目。为了应对一场历史性的干旱，该市利用现有的苦咸地表水淡化设施（柏树水处理厂）计划并实施了一个DPR系统，该设施已经具有MF、RO和UV功能。从河路污水处理厂修建12.3英里长的管道，将三级出水作为水源水引入柏树水处理厂，采用常规混凝、絮凝、沉淀、MF、RO等工艺处理再生水。经过高度净化的再生水被送到邻近的常规地表水处理厂，与原水混合，并进行常规处理，可生产12个月的饮用水。
目前美国没有关于饮用水再利用的联邦法规，但每个州都在制定或已经制定了自己的标准。事实上，很多州级的水再利用法规在过去的几年里一直在动态地发展。咨询地方和州机构，了解水回用条例的最新发展。此外，在加利福尼亚州、亚利桑那州和德克萨斯州有几个全面先进的IPR和DPR净水设施值得参观。
表3列出了一系列再生水用途和提高再生水质量所需的最低处理水平。由于州与州之间的监管差异，分类是说明性的，并不精确。如表3脚注中所列，消毒级别随回用需求而变化。消毒的类型，如氯化或紫外线辐射，也可以根据回用要求和被消毒的工艺水质而变化。
表3 按处理级别划分的再生水利用
深度处理二级出水的特点是浑浊度几乎与饮用水供应的浑浊度一样低。
注：
1可容许较低程度的消毒。
2可能需要更高级别的消毒。
3可能需要脱矿工艺。
4可能需要脱矿和活性炭工艺。
5可能需要营养去除和脱氯工艺。
水源水保护
一个总的原则是，应尽可能在接近污染源的地方处理和减轻水中污染物的风险。因此，水源水保护可以说是生产安全饮用水的预防性、多级屏障方法中最重要的因素。无论水源水的类型如何，适当控制可能进入水源的污染物种类，将大大提高最终产品的质量和可靠性，比在污染发生后再进行处理更具成本效益。不幸的是，水源水保护通常是一项困难的任务，因为通常涉及的区域很广，在其中发生的活动多种多样，而且管辖范围分散。
理想情况下，供水者将拥有整个流域或含水层上的土地，从而对影响水源的活动拥有完全控制权。然而，更复杂的安排往往占上风，在相互竞争的合法利益之间必须作出微妙的妥协。
在这种情况下，供水企业至少应对可能影响水源的活动类型保持高度了解，保持警惕的监测做法，投资于公众教育，与所有利益攸关方建立良好关系，并制定适当的纠正措施，及时应对任何不利事件或挑战，以保护消费者。在饮用水再利用的情况下，上述原则采取的形式是限制可向下水道排放的类型以及适当的监测和纠正行动。
水源知识驱动水厂生产运营
每种水源水类型都根据其特定的水质特性有其特定的水质指标。必须遵循这些规定，以满足标准限值要求。通过了解水源水的差异，水厂的生产运行人员应该更好地理解为什么会有这样的规定。
