通常通過諸如湖泊，水庫或河流等地表水源進(jìn)行水處理的目的是通過生物，化學(xué)和物理過程的結(jié)合來去除污染物和生物，以確保飲用安全。其中一些發(fā)生在自然環(huán)境中，而其他一些發(fā)生在工程和建造的水處理廠中。工程化流程通常模仿或建立在自然流程之上。
水處理的歷史
當(dāng)今使用的水處理概念是在1700年代在歐洲開發(fā)的。1854年，倫敦爆發(fā)的霍亂與一口被污水污染的飲用水井有關(guān)。約翰·斯諾（John Snow）被認(rèn)為是這一發(fā)現(xiàn)。在美國開始使用氯消毒飲用水（1908年）的那一刻，歐洲也在使用氯，但是正在探索使用臭氧處理飲用水的可能性。美國公共衛(wèi)生服務(wù)局于1914年制定了美國第一條飲用水法規(guī)。美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）后來在1970年成立時(shí)承擔(dān)了這項(xiàng)任務(wù)?！栋踩嬘盟ā罚⊿DWA）成為法律在1974年進(jìn)行了修訂，并在1986年和1996年進(jìn)行了重大修訂。修訂反映了用于檢測(cè)較低水平污染物的分析方法的改進(jìn)以及用于評(píng)估處理廠性能的自動(dòng)監(jiān)控的改進(jìn)。修訂還開始解決平衡即時(shí)（急性）風(fēng)險(xiǎn)和長(zhǎng)期（慢性）風(fēng)險(xiǎn)的需求。這種風(fēng)險(xiǎn)平衡的一個(gè)例子是，需要對(duì)水進(jìn)行消毒以殺死病原體，以保護(hù)他們免受急性疾病的侵害，以及形成消毒副產(chǎn)品及其對(duì)慢性健康的影響。
美國繼續(xù)研究歐洲的水處理方法，特別是世界衛(wèi)生組織（WHO）制定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。盡管在分配制度及其運(yùn)作的處理方面，美國和歐洲之間在哲學(xué)上存在一些差異，但美國已從歐洲的經(jīng)驗(yàn)中受益。這種哲學(xué)上的差異是，歐洲水處理界并不認(rèn)為維持分配系統(tǒng)末端殘留的消毒劑是必要的公共衛(wèi)生保護(hù)措施。美國飲用水界認(rèn)為這是保護(hù)客戶和水系統(tǒng)免受細(xì)菌再生或再污染的重要一步。
美國水質(zhì)法規(guī)
EPA根據(jù)SDWA的要求，對(duì)美國的飲用水進(jìn)行監(jiān)管。EPA還對(duì)廢水進(jìn)行了監(jiān)管，但要遵守《清潔水法》（CWA）的要求。雨水和排入地表水中的水也受到CWA的監(jiān)管。
SDWA設(shè)置了飲用水必須滿足的最大污染物水平（MCL）和處理技術(shù)（TT），才被認(rèn)為可以安全使用
水循環(huán)
CWA和SDWA的要求不同，但相互關(guān)聯(lián)。考慮水循環(huán)和用水循環(huán)。水以降水的形式落到地球上。它自然地或通過人工雨水排水系統(tǒng)排入河流，湖泊和溪流。工業(yè)制造商和廢水處理廠排放 廢水 從它們的過程到湖泊和河流。根據(jù)CWA，這些設(shè)施的廢水必須滿足水質(zhì)限制。建立這些限制是為了保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)和下游用戶。供水者從湖泊和河流中取水，以供人類消費(fèi)和其他用途處理。水經(jīng)過處理后通過構(gòu)成配水系統(tǒng)的管道和存儲(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)輸送到客戶的水龍頭。用水后，將其輸送到廢水處理廠，并作為廢水排回到接收水體。如果在室外使用水，則該水會(huì)滲入地下或排入雨水系統(tǒng)，雨水系統(tǒng)可能會(huì)流到處理廠或直接流到河流，湖泊，或其他水域。隨著流向海洋的水蒸發(fā)，循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，
源水保護(hù)
源水保護(hù)，通常稱為“集水區(qū)保護(hù)”，是從源頭上減少或防止水污染，是污水處理廠建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本之間的折衷方案。這種保護(hù)并非總是可行的，但已被多個(gè)供水系統(tǒng)非常有效地實(shí)施。可使用高質(zhì)量水源的水系統(tǒng)可能不需要像質(zhì)量較差水源的系統(tǒng)那樣龐大的污水處理廠。如果可以通過限制靠近該源頭的人類活動(dòng)來保護(hù)高質(zhì)量的源頭（例如，隔離的自然區(qū)域中的水庫），則尤其如此。來自此類水源的水可能不需要沉降步驟，可能涉及的化學(xué)物質(zhì)較少或化學(xué)藥劑的劑量較小，
水處理過程
無論是在自然環(huán)境中還是在人工水處理廠中，水處理過程中都會(huì)發(fā)生幾個(gè)關(guān)鍵過程：稀釋，凝結(jié)和絮凝，沉降，過濾，消毒和其他化學(xué)處理。源水的質(zhì)量以及源水保護(hù)和管理的有效性直接關(guān)系到所需處理的復(fù)雜性。源水保護(hù)是水處理的第一步，其后是自然過程和工程過程。下圖顯示了水處理廠中的過程。
稀釋。 在工業(yè)化之前，河流和溪流的污染并不是一個(gè)嚴(yán)重的問題。廢物被釋放到水體中，但這種排放量不如今天的水平高。接收水足夠大，混合或滯留時(shí)間足夠長(zhǎng)，以至于污染物被稀釋到一定程度，從而減少了污染物的排放。
混凝和絮凝。 有時(shí)，在水處理期間需要濾除的顆粒非常小。這使得它們不太可能穩(wěn)定下來，也不太可能被過濾掉。將稱為凝結(jié)劑和/或助濾劑的化學(xué)物質(zhì)添加到水中，并混入（絮凝），以使細(xì)顆粒粘在一起，形成更大的顆粒，可以更好地沉降或更有效地將其過濾掉。根據(jù)水的微生物和化學(xué)組成，可以使用不同的化學(xué)物質(zhì)作為凝結(jié)劑。這兩個(gè)步驟的目的是提高其余處理過程的性能。
解決。 對(duì)于處理包含大量固體的水的設(shè)備，沉降或沉淀是常見的處理步驟。此過程減慢了池塘或盆地中水的流動(dòng)，因此較重的物品可能沉降到底部。如果水沒有充分減慢速度，這些項(xiàng)目將被帶到該過程的下一步，這是不希望的。對(duì)于處理污染非常嚴(yán)重的 原水的 工廠 ，沉降可以用作處理工廠的第一步（預(yù)先沉淀），也可以在凝結(jié)和絮凝步驟之后使用。
過濾。 在水處理中有幾種過濾方法。使用哪種類型的選擇通常取決于原水的質(zhì)量。正如過濾所暗示的那樣，水流經(jīng)去除顆粒，生物和/或污染物的材料。所使用的材料通常是粒狀介質(zhì)，例如沙子，碎無煙煤或活性炭。一些設(shè)施可對(duì)不同類型和大小的媒體進(jìn)行分層。隨著過濾介質(zhì)尺寸和類型的變化，設(shè)施也被設(shè)計(jì)為以不同的流速通過過濾介質(zhì)。傳統(tǒng)的過濾廠包括慢速砂過濾，高速率過濾和 硅藻土 過濾。
在1990年代末和2000年代初更廣泛使用的另一種過濾類型是膜過濾。它是通過迫使水通過膜屏障而發(fā)生的。膜就像高科技的咖啡過濾器。當(dāng)壓力下的水流過膜時(shí)，污染物和生物被捕獲在膜上，不允許通過。膜不適用于高度污染的源水，因?yàn)楣腆w物質(zhì)幾乎立即堵塞了膜。膜過濾在美國越來越多地用于特殊應(yīng)用，并且可以與其他類型的過濾結(jié)合使用。
消毒。 過濾和過濾前的步驟集中于物理去除水中的污染物。除了物理清除外，提供化學(xué)消毒仍然很重要。使用的消毒劑包括氯，氯胺（氯加氨水），臭氧，紫外線和二氧化氯。1908年，氯首次在美國的水處理廠中使用。
氯化的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)水通過管道流到水龍頭時(shí)，它可以繼續(xù)殺死細(xì)菌。其缺點(diǎn)是可能會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品消毒的可能性。水中過量的氯會(huì)與水中的有機(jī)物質(zhì)結(jié)合形成諸如三鹵甲烷的物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)引起肝臟，腎臟或中樞神經(jīng)系統(tǒng)問題，并且與一生中暴露于癌癥的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。
需要進(jìn)行消毒才能滅活（殺死）通過物理去除（過濾）步驟造成的細(xì)菌和病毒。病毒和 賈第鞭毛蟲 可被氯有效殺死。隨著時(shí)間的流逝，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些生物（例如 隱孢子蟲） 對(duì)氯具有抗性。 隱孢子蟲 在1993年引起了公眾的關(guān)注，當(dāng)時(shí)它在威斯康星州密爾沃基市使40萬人死亡，一百人喪生。很大程度上是由于這種恐慌，二十世紀(jì)初制定了新的或經(jīng)修訂的美國飲用水法規(guī)，該法規(guī)擴(kuò)大了水處理要求，專門用于解決 隱孢子蟲。 盡管氯對(duì) 隱孢子蟲無效 ，但 替代性消毒劑（如臭氧和紫外線）似乎確實(shí)能有效殺滅它。在歐洲，這兩種消毒劑通常未經(jīng)氯化即可用于殺死供水中的細(xì)菌。
SDWA的修正案要求對(duì)美國的所有飲用水源進(jìn)行過濾。在美國全國的某些地區(qū)，例如波士頓和西雅圖，水庫的水基本上不含有機(jī)物，而且市政當(dāng)局已經(jīng)制定了廣泛的流域保護(hù)和管理計(jì)劃，因此能夠避免過濾。
其他化學(xué)處理。 將化學(xué)藥品添加到飲用水中以調(diào)節(jié)其硬度或柔軟度， pH， 和堿度。酸性水會(huì)嚴(yán)重腐蝕與之接觸的管道和材料。添加氫氧化鈉可以降低腐蝕性，并延長(zhǎng)管道，儲(chǔ)罐和建筑管道系統(tǒng)的使用壽命。管道上也可能涂有化學(xué)物質(zhì)，以防止銅之類的金屬溶解在水中。此外，還使用化學(xué)藥品來減少舊鉛管和鉛焊銅供應(yīng)管中鉛的浸出。在許多社區(qū)中，經(jīng)常向水中添加氟化物，以改善年輕居民的牙齒健康。
地下水保護(hù)與處理
井口保護(hù)對(duì)于防止污染地下水供應(yīng)至關(guān)重要。地下水是從含水層中抽出的，就像一個(gè)被巖石和土壤層包圍的小型地下湖。來自地表的水流過巖石和土壤，到達(dá)含水層。地球自然提供了微觀病原體的過濾。它并不總是能提供足夠的保護(hù)，以抵御掉落在地面上的病毒或化學(xué)物質(zhì)。地下水通常含有較高濃度的金屬，例如鐵和錳，因?yàn)檫@些金屬天然存在于地球中。地下水也可能比地表水硬得多。與上面概述的過程類似的過程也用于處理地下水，除了過濾步驟通常集中在去除化學(xué)物質(zhì)或金屬而不是病原體上。一些地下水供應(yīng)根本沒有得到處理，而其他的則可能被過濾和消毒。與地表水一樣，水源的質(zhì)量決定了需要進(jìn)行哪些處理步驟。
監(jiān)管報(bào)告和公眾教育
美國的供水系統(tǒng)每月向州或聯(lián)邦監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交報(bào)告，總結(jié)處理廠的性能和采樣結(jié)果。美國大多數(shù)中型和大型供水系統(tǒng)的員工每天工作二十四小時(shí)。如果工廠出了點(diǎn)問題，則工廠操作員應(yīng)遵循以下程序來關(guān)閉工廠，切換到備用設(shè)備，調(diào)整化學(xué)劑量或收集其他樣品。州和聯(lián)邦法規(guī)規(guī)定了自來水廠運(yùn)營(yíng)商何時(shí)必須通知州或聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，這些要求已納入自來水廠的程序中。法規(guī)還規(guī)定了何時(shí)必須通知公眾。發(fā)現(xiàn)問題后（通常很可能通過電話和無線電），國家衛(wèi)生機(jī)構(gòu)和飲用水系統(tǒng)通常會(huì)聯(lián)合下達(dá)命令，將水燒開。有關(guān)常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)果存在問題或未能收集所需樣品的公告通常會(huì)在報(bào)紙上或通過自來水公司的年度水質(zhì)報(bào)告（也稱為消費(fèi)者信心報(bào)告）發(fā)布。從1998年開始要求所有水系統(tǒng)匯編和分發(fā)用戶友好的報(bào)告。該報(bào)告概述了水系統(tǒng)的活動(dòng)和對(duì)當(dāng)年法規(guī)的遵守情況，并確定了客戶參與或獲得更多收益的方式。信息。有關(guān)常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)果存在問題或未能收集所需樣品的公告通常會(huì)在報(bào)紙上或通過自來水公司的年度水質(zhì)報(bào)告（也稱為消費(fèi)者信心報(bào)告）發(fā)布。從1998年開始要求所有水系統(tǒng)匯編和分發(fā)用戶友好的報(bào)告。該報(bào)告概述了水系統(tǒng)的活動(dòng)和對(duì)當(dāng)年法規(guī)的遵守情況，并確定了客戶參與或獲得更多收益的方式。信息。有關(guān)常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)果存在問題或未能收集所需樣品的公告通常會(huì)在報(bào)紙上或通過自來水公司的年度水質(zhì)報(bào)告（也稱為消費(fèi)者信心報(bào)告）發(fā)布。從1998年開始要求所有水系統(tǒng)匯編和分發(fā)用戶友好的報(bào)告。該報(bào)告概述了水系統(tǒng)的活動(dòng)和對(duì)當(dāng)年法規(guī)的遵守情況，并確定了客戶參與或獲得更多收益的方式。信息。
