● 稀释

● 氧化作用

● 植物与动物（水生生态系统净化）

（2）人工净化方法

● 大规模水净化方法：适用于公共供水系统、工业废水处理厂等大规模水处理场景。

● 小规模水净化方法：主要应用于家庭、小型社区或户外便携式设备等场合下的水净化需求。

大规模水净化方法：

大规模水净化的目标主要是将水净化至清洁、安全的标准。其净化处理方式取决于水源类型及其所需达到的质量标准。地下水（如井水和泉水）除需要进行消毒处理外，通常情况下无需其他特殊处理。另外，可以通过添加漂白粉或氯化石灰进行水净化，这种方法成本低廉、使用简便、效果可靠且安全性高。而地表水（包括河流、溪流、湖泊和水库水）往往浑浊并易受到污染，因此需要进行更为深入的处理。此类水源的净化通常遵循以下步骤：混凝、沉淀、过滤和消毒。

（1）储存处理

首先，从水源收集水，并将其储存在天然或人工建造的水库中。这种储存方式能够形成一个隔离污染的水源储备。在储存阶段，水体本身会发生一定程度的自我净化。理想的储存时间为10-14天，在此期间，主要通过以下三种方式进行自然净化：

● 物理净化： 储存过程中，由于重力作用，约90%的悬浮物沉降到水底，从而改善水质，降低浑浊度。这一过程有利于光线穿透，减轻了后续过滤环节的压力。

● 化学净化： 在储存过程中，水体会发生一些化学变化。借助溶解氧，好氧细菌能氧化水中的有机物质，进而减少游离氨含量，增加硝酸盐含量。

● 生物净化： 因为抗生素效应和氧化作用，水体中的细菌数量显著减少。在储存河流水后的前5-7天内，总细菌数可能会下降高达90%，这是储存的一大关键优势。最佳的储存期大约为10-14天。

然而，长期储存水会导致诸如藻类等植物性生长增多，这不仅会使水体产生不良气味和颜色，还会影响水质。因此，尽管短期适度储存有助于净化，但需注意控制储存时间，防止不利影响。

（2）过滤法

过滤是历史最为悠久且广泛应用的水净化技术，通常作为水净化过程的第二阶段。水通过由沙层和活性炭组成的过滤层，以去除更小的颗粒物。采用过滤法后，细菌含量可降低98%-99%，浑浊度可从50PPM降至5PPM，使水体变为清澈透明。

● 慢速砂滤（生物过滤）： 慢速砂滤成本较低，设计简单，占用空间较小。该技术于1804年首次在苏格兰和后来的伦敦被用于水处理。如今，慢速砂滤在全球范围内得到了广泛应用，被认为是净化水的标准认可程序。其滤床占地面积较大，过滤速率约为100-400L/m²/h，砂粒直径尺寸为0.2-0.3mm。预处理包括沉淀，然后通过刮除来清洁滤床，不需要预先储存水。

慢速砂滤机制如下：

◆ 沉降：上清液作为沉淀池，可沉降颗粒沉积在砂面。

◆ 机械筛分：不能穿过砂粒间隙的颗粒被截留。

◆ 黏附：悬浮在砂粒表面的颗粒通过黏附作用被生物膜层捕获。

◆ 生物膜层内的生化过程：消除有机物，阻挡细菌，将铵态氮氧化成硝酸盐，并将可溶性铁、锰化合物转化为不溶性的氢氧化物，吸附在砂粒表面。

慢速砂滤的优势：

◆ 构建简单，操作方便。

◆ 建设成本低于快速砂滤。

◆ 物理、化学和细菌学质量极高，可有效去除99.8%-99.9%的细菌，大肠杆菌可减少99.9%，总体细菌计数减少99.99%。

● 快速砂滤（机械过滤）： 快速砂滤技术于1885年首次在美国安装使用，至今已在包括发展中国家在内的世界各地广受欢迎。过滤速率为4000-7500L/m²/h，砂粒直径尺寸为0.4-0.7mm。预处理包括混凝和沉淀，反冲洗有助于清洁过滤器，但需要预先储存水。细菌去除率约为98%-99%。快速砂滤器有两种类型：重力型（如帕特森滤器）和压力型（如坎迪滤器）。

快速砂滤净化水的过程分为五个步骤：

◆ 混凝： 向水中加入铁或铝盐（如聚合物、硫酸铝、硫酸铁或氯化铁）等正电荷物质作为混凝剂。这些混凝剂可去除水中的杂质和其他颗粒。

◆ 快速混合： 经过混凝剂处理后，水在“混合室”中剧烈搅拌几分钟，确保混凝剂完全分散于水中。

◆ 絮凝： 处理过的水在絮凝室中通过桨叶缓慢温和地搅拌约30分钟，形成厚密的白色絮状沉淀——铝氢氧化物，它会缠绕捕捉所有悬浮颗粒和细菌。絮状沉淀的直径越大，沉降速度越快。

◆ 沉淀： 絮凝后的水被转移到沉淀池中静置2-6小时，使得细菌和杂质在重力作用下下沉。沉淀物（污泥）与絮状物一起沉积在池底，需定期清除而不影响沉淀池功能。

◆ 过滤： 经过处理的水进入过滤过程，采用慢速砂滤或生物过滤器。快速砂滤器的不同组件包括预处理部分、过滤箱（包含上清液、砂床和底层排水系统）以及过滤控制阀。混凝过程中未能通过沉淀去除的絮状物会在砂床上被截留，并形成类似Zoogleal层的粘滑层，吸收或阻挡水中的微生物。随着水通过过滤器，有机物质如氨会被氧化，细菌和悬浮颗粒会堵塞过滤器。当絮状层过厚时，需通过空气泡或水流反冲洗清洁过滤器。

快速砂滤的优势：

◆ 可直接使用原水。

◆ 不需要预先储存水。

◆ 过滤床占用空间最小。

◆ 虽然初期投入较高，但从长远看将更具经济效益。

◆ 过滤速度快，比慢速砂滤快40至50倍。

◆ 过滤器易于清洁。

◆ 功能操作更为灵活。

（3）消毒/氯化

消毒标准应满足以下要求：应在特定时间内有效地消灭病原微生物，同时不对水质属性（如pH值、温度等）产生改变。不应对人体有害，且不会改变水的颜色。应具有可消费性。成本低且易于使用。应留下一定残余浓度以防止重新污染。应能快速检测并在小浓度范围内采用简单技术测定。

● 氯化消毒： 在大规模水净化中，常采用氯作为消毒剂，形式包括氯气、氯胺或次氯酸盐。其中，氯气因其成本低、效率高、反应迅速且易于使用而受到青睐，但对眼睛有害且有毒性。帕特森氯计量器是一种用于测量、控制并向水中添加氯气的仪器。氯化消毒是水净化的最佳方法之一，可以杀灭水中的大部分病原细菌，但对芽孢、某些病毒无效。氯化还可以氧化锰、硫化氢和铁，并有助于消除某些产生异味的成分，提高水质口感，抑制藻类生长，控制酸性和粘液生物的凝聚，同时保持残余消毒效果。

氯化消毒原理： 氯化前，水必须清澈、无浑浊。浑浊的水会影响氯化的效果。需要估算添加氯的量，并确保游离氯至少接触1小时以有效杀灭细菌和病毒。常规氯化浓度不足以杀死芽孢、原生动物囊肿或蠕虫卵，除非在较高剂量下。推荐的最低游离氯浓度为0.5mg/L，持续1小时。在储存和输送过程中，游离氯残余提供了对抗微生物污染的安全保障。残留氯的检测方法包括邻联甲苯胺试验（OT）和邻联甲苯胺胂酸试验（OTA）。

氯化消毒的优点：

◆ 成本较低

◆ 使用简便

◆ 几乎能杀灭所有细菌污染物

氯化消毒的缺点：

◆ 形成的卤代化合物可能具有致癌性

● 臭氧消毒： 臭氧是一种强效的氧化剂和杀菌剂，在欧洲和加拿大等地曾被使用。臭氧没有残余消毒效果，通常与氯化结合使用。

● 其他消毒剂：

◆ 紫外线消毒： 英国曾采用的一种消毒方法，成本较高，要求水质清澈，无残余消毒效果，且水通过连接处理厂和水龙头的管道时无法继续杀死细菌/病原体。

◆ 氯胺： 氯与氨结合形成的氯胺，消毒效果较氯稍弱。

● 膜分离过程： 膜分离技术已成为可靠饮用水生产的重要选择方案，主要分为高压过程和低压过程。

◆ 高压过程：

反渗透： 一种较为昂贵和先进的脱盐系统，利用压力迫使盐水溶液通过半透膜，允许溶剂（水）通过但阻止溶质（溶解的盐）通过。水分子从高浓度盐区域流向低浓度盐区域。反渗透膜孔径小于0.002微米，不允许单价离子和分子量大于50道尔顿的有机物通过。反渗透脱盐主要用于将咸水和海水转化为可饮用水，供应给居民区。

纳滤： 纳滤膜结构相对疏松，因此制水速度较快且能耗较低。纳滤允许单价离子（如钠或钾）通过，但不通过大量的二价离子（如钙和镁）。纳滤膜孔径约为0.001-0.01微米，对应分子量截留范围在100至1000道尔顿之间。这些特性使得纳滤膜能在部分去除溶解离子的同时，有效去除微生物、有机物、胶体粒子和悬浮固体，成为饮用水处理中针对多种目标污染物的有效手段。

高压过程优点：易于自动化且体积紧凑，广谱去除各类水质杂质，保证优良水质，能适应不同原水水质，对形成颜色的有机化合物有良好的去除效果。

◆ 低压过程： 包括超滤和微滤

超滤： 不允许有机分子通过，分子量上限一般为800道尔顿。超滤膜孔径为0.002-0.03微米。

微滤： 能有效去除大于0.05微米的颗粒。微滤膜孔径为0.01-12微米，常与混凝工艺结合使用，用于水处理。

图2、水净化步骤（来源： https://microbenotes.com/water-purification/）

小型规模水净化方法：

● 家庭用水净化

◆ 煮沸法： 煮沸是家庭用途中适宜的水净化方式。将水煮沸10-20分钟几乎可以杀死所有微生物，包括细菌、芽孢、囊肿和卵，同时通过去除二氧化碳并沉淀碳酸钙来降低暂时硬度。煮沸后的水味道会有所变化，但可实现杀菌和无害化。尽管煮沸是一种优秀的净水技术，但它并不能提供长期抵御微生物污染的保护。为了防止储存期间再次污染，应在同一容器内保存已消毒的水。

◆ 化学消毒：

漂白粉：漂白粉又称氯化石灰（CaOCl₂），是一种白色无定形粉末，带有强烈的氯气味，但不稳定。它价格低廉、易于使用、可靠且安全。新鲜漂白粉含有约33%的“有效氯”。暴露在空气、光和潮湿环境下会迅速失去氯含量，当与石灰混合时能保持其强度，因此也被称为“稳定型漂白剂”。漂白粉应储存在密闭容器中，并置于阴暗、干燥和凉爽的地方。可使用5%的溶液，剂量为每升水加3-6滴，接触时间半小时。

氯溶液：漂白粉可用于制备氯溶液。可通过混合含25%有效氯的4公斤漂白粉制备5%的氯溶液。一滴该溶液可消毒1升水。市场上也有各种浓度的现成氯溶液出售，但在暴露于空气、光和潮湿环境或长时间储存后会失去氯含量。

氯片：市场上售卖的哈拉宗片剂适合小批量水的消毒。一片0.5克的药片可消毒20升水。

高浓度次氯酸钙（HTH）/过氯酸：这种钙化合物——高强度次氯酸钙含有60%-70%的有效氯。每克可以消毒1升水，比漂白粉更稳定，储存过程中损耗较小。

碘：碘也是水消毒的一种方法。对于每一升水，加入2滴2%的碘乙醇溶液即可完成消毒（即每升水加2滴2%溶液）。碘消毒需20至30分钟的接触时间才有效。但由于成本较高及可能影响甲状腺功能等生理活性问题，碘不太可能广泛用于城市供水系统的消毒。

高锰酸钾：高锰酸钾是一种强氧化剂，但作为水消毒剂效果不佳。近年来不再推荐使用高锰酸钾消毒水体，虽然它可以杀死霍乱弧菌，但对许多其他微生物的杀灭效果有限。此外，高锰酸钾会使水变色、变味，仅需少量就能使水呈现粉红色。

◆ 过滤法：小型水体净化可以通过陶瓷过滤器实现，例如巴斯德·尚贝尔过滤器、伯克菲尔德过滤器和卡塔丁过滤器。过滤器的核心部分是由瓷器或硅藻土制成的过滤烛芯，能够吸附细菌和杂质，但不能过滤掉能穿过滤芯的病毒。

● 井水消毒 在农村地区，井水是主要水源。在霍乱、肠胃炎等疾病流行时期，有必要对井水进行消毒。

◆ 添加漂白粉： 对井水进行消毒最有效且成本较低的方法是使用漂白粉。每1000升水使用2.5克漂白粉进行消毒，经过1小时接触时间后即可饮用。建议晚上对井水进行消毒，早上取水饮用。

总结：

水净化是一项关乎全球公共卫生的重要任务，涵盖了自然净化和人工净化两大类别。大规模水净化方法，特别是针对地表水和地下水，采用了储存处理、过滤法和消毒/氯化等关键技术。其中，慢速和快速砂滤技术分别以其经济实用和高效的特点去除水中杂质；氯化消毒则因成本效益高、操作简易而在全球广泛应用，尽管存在潜在的副产品问题，但仍是最主流的消毒方式。同时，现代膜分离技术如反渗透和纳滤为高品质饮用水提供了新的解决方案。另一方面，小规模水净化主要面向家庭和农村地区，常用方法包括煮沸、化学消毒和简单的过滤装置。煮沸是最基础的家庭水处理方式，能有效杀灭大多数微生物，而化学消毒剂如漂白粉、氯溶液、氯片和碘等均能不同程度地实现水体净化。陶瓷过滤器则是小规模过滤技术的代表，适用于去除细菌等杂质。总的来说，无论是大规模还是小规模的水净化方法，都在不断优化和发展中，共同致力于提供安全、清洁的水资源，保障人类的生活需求和身体健康。

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