净水技术|非洲饮用水水质和天然絮凝剂应用现状，你知多少？
小编导读
本文来自同济大学王洪涛老师课题组的研究，带领大家走进迷一样的非洲，为大家介绍非洲的饮用水水质现状和几种广泛使用的天然絮凝剂。
非洲是世界第二大洲，约占全球陆地总面积的20.4%，有54个国家和地区。至2013年，非洲人口约为11亿，城镇化水平约为40.0%，远低于很多发达国家水平。随着经济的快速发展，工业和城镇化进程不断加快，非洲的环境问题日益加剧：植被覆盖率不断下降，水土严重流失，土地退化，河流湖泊水质恶化。由于缺乏配套的污水处理设施，非洲大部分国家的工业废水（尤其是采矿废水）、生活污水和农业污水直接排放到环境中，污染水体，影响饮用水水源地水质。
（图片源自网络）
受非洲气候的影响，饮用水一直是影响非洲居民生活的一个重要问题。非洲地区在旱季严重缺水，雨季降水相对丰沛，但水的浊度极高，可达5000 NTU以上。非洲地表水大肠菌群污染严重。此外，非洲水体受到砷、铬、铅等重金属，以及硫丹、DDT等农药及化肥污染。然而，由于供水和卫生设施缺乏，非洲部分居民仍在将这些水作为直接饮用水，部分地区供水率不足20%。由于缺乏安全饮用水而导致的疾病正严重威胁着非洲儿童乃至成人的健康。
饮用水不洁会直接或间接导致肺炎、腹泻、疟疾、嗜眠症、登革热和血吸虫病等疾病，致使平均每天约有2500个非洲儿童死亡。根据WHO统计数据，2013年，非洲儿童死亡人数约为290万，占世界死亡儿童的46%左右。其中，约有47.3万死于肺炎，30万死于腹泻，44.3万死于疟疾。
缺乏安全饮用水的非洲居民，往往会采用当地的一些天然混凝剂对原水进行简单处理。例如，在苏丹、埃塞俄比亚、肯尼亚等地区，居民使用磨碎的辣木种子或本地粘土净化饮用水；在埃塞俄比亚，有些地区的居民使用树根、树叶或土壤净化高浊度水；在乍得和尼日利亚，部分居民使用木灰作为混凝剂处理饮用水。本文通过实地调研和考察，对非洲饮用水水质现状进行了分析和概括，并对非洲居民广泛使用的天然絮凝剂进行了介绍和前景分析。
(a)微生物指标 (b)无机物指标
图1 肯尼亚某市饮用水水质检测结果 (a)微生物指标；(b)无机物指标
(a)物理指标 (b)化学指标（平均值）
图2 埃塞俄比亚某市饮用水水质检测结果 (a)物理指标；(b)化学指标（平均值）
(a)物理指标 (b)化学指标
图3 加纳全国饮用水水质超标指标 (a)物理指标；(b)化学指标
图1、图2、图3分别给出了肯尼亚、埃塞俄比亚和加纳三个国家部分地区的饮用水水质状况。表1列出了世界卫生组织（WHO）、肯尼亚和埃塞俄比亚的饮用水水质标准中的部分指标。
如图1所示，水样中微生物指标和无机物指标超标严重。即使是经过处理的自来水，水中的菌落总数、氟化物、铁、铬、铅等重金属也存在严重的超标现象。市场出售的瓶装水中大肠菌群以及铁、铬、铅等重金属污染物含量也超出标准。居民直接取用的未经处理的河水、雨水和溪水的水质则更差，生活用水非常不安全。图2中的瓶装水和地下水都是埃塞俄比亚居民直接使用的生活用水，其浊度以及重金属等各项指标都存在不同程度的超标现象。尤其是有些地区的As、Pb等毒性较大的重金属超标严重。图3中列举的加纳饮用水超标的指标项，表明加纳的饮用水存在浊度、重金属超标等问题，尤其是As、Pb等毒性较大的重金属。
表1 WHO、肯尼亚和埃塞俄比亚部分饮用水标准
|
标准 |
WHO |
肯尼亚 |
埃塞俄比亚 |
|
|
微生物指标（CFU·mL-1） |
菌落总数 |
- |
20 |
- |
|
大肠杆菌 |
0 |
0 |
0 |
|
|
无机物指标 (mg·L-1) |
硝酸盐 |
50 |
10 |
50 |
|
氟化物 |
1.5 |
1.5 |
3.0 |
|
|
Cu |
2.0 |
0.1 |
5.0 |
|
|
Fe |
0.3 |
0.3 |
0.4 |
|
|
Cd |
0.003 |
0.005 |
0.003 |
|
|
Pb |
0.01 |
0.5 |
0.02 |
|
|
As |
0.01 |
- |
0.01 |
|
|
Zn |
- |
- |
6.0 |
|
|
B |
2.4 |
- |
0.3 |
|
|
常规指标 |
浊度（NTU） |
1 |
- |
5 |
|
pH |
6.5-8.5 |
6.5-8.5 |
6.5-8.5 |
|
目前，非洲集中式饮用水处理的主要方法为混凝法，使用的化学药剂主要是硫酸铝。当进水浊度较高时，部分水厂会采用聚合物药剂进行处理，如南非有些国家使用聚合硫酸铝或聚二甲基二烯丙基氯化铵。非洲大部分水厂采用的处理工艺为传统工艺流程，如图4所示。出水pH调节一般使用纯碱，普遍采用的消毒剂为氯或次氯酸钙。
图4 内罗毕市某饮用水厂水处理工艺流程图
但是，非洲自来水厂水处理仍然存在一系列问题：
水处理工艺一般采用传统的混凝-沉淀-过滤-消毒工艺，对水中污染物的去除能力有限，处理出水中仍然存在重金属超标等一系列问题；
受原水水质影响，实际出水pH一般偏低；
受原水水质影响，出水色度偏高；
非洲很多国家虽然饮用水标准严格，但执行力度较差；
出水检测指标有限。以埃塞俄比亚为例。该国饮用水水质标准的指标项数远少于中国和WHO的饮用水指标数量（表2），尤其缺乏化学指标。
表2 埃塞俄比亚、中国以及WHO饮用水标准指标项数比较
|
指标 |
埃塞俄比亚 |
中国 |
WHO |
|
微生物指标数 |
4 |
6 |
28 |
|
化学指标数 |
31 |
74 |
90 |
|
感官指标数 放射性指标数 饮用水消毒剂指标数 |
19 2 - |
20 2 4 |
26 3 14 |
非洲地区雨季和旱季水质差异较大。例如，内罗毕天然水体的浊度在旱季时约为3 NTU左右，而雨季的水体浊度可达到5000 NTU。青尼罗河和尼罗河的浊度在雨季可分别达到7275 NTU和6275 NTU。在缺乏水处理设施的情况下，本地天然絮凝剂在非洲居民的生活里扮演着重要的角色。
非洲居民使用的天然絮凝剂种类繁多，其中辣木絮凝剂和粘土絮凝剂是使用最为广泛的两种絮凝剂。
辣木絮凝剂是在非洲广泛应用的一种天然絮凝剂，在苏丹、埃塞俄比亚、布基纳法索、加纳、卢旺达、塞内加尔以及赞比亚等国家被广泛使用。辣木种子成熟后，经过去壳、破碎和研磨处理后即可得到家用水处理絮凝剂，由于辣木种子中含有阳离子型蛋白质，所以其具有一定的絮凝功能。Ali等研究表明，辣木种子对中等浊度（60 NTU）和高浊度（630 NTU）水的去除效果较好，其浊度平均去除率可达到84.9%，总悬浮物去除率可达到92.8%，但是总有机物指标较原水增加了80.0%。Ndabigengesere等通过对比研究发现，去壳辣木絮凝剂最佳用量约为50 mg/L，与铝盐絮凝剂的浊度去除效率相差不大，去除率约为90%。另外，Moa Megersa等研究表明，辣木絮凝剂有一定的杀菌消毒的效果。Annette Olsen等研究发现辣木絮凝剂处理后的饮用水其尾蚴去除率可达90%左右；Suleyman A. Muyibi发现辣木絮凝剂对降低水体硬度也具有一定的效果，混凝后静置2小时，水的硬度也下降60%-70%。是目前世界上研究较多的一类天然絮凝剂。
粘土也是非洲广泛应用的天然絮凝剂之一，在埃塞俄比亚、苏丹、坦桑尼亚等国家有广泛应用。非洲地区用于水处理的粘土絮凝剂种类很多，因地域特点不同其用途也有所差异。在埃塞俄比亚高氟地区，人们使用从亚的斯亚贝巴附近的高原地区采集的粘土处理高氟饮用水。当使用剂量为100 g/L时，水体中的氟含量可由15 mg/L降至< 1 mg/L，低于WHO标准（1.5 mg/L）；饮用水氟污染问题在坦桑尼亚尤为突出，坦桑尼亚的塔波拉、希尼安拉、多多马、辛吉达、阿鲁沙、乞力马扎罗、穆索玛、马尼亚拉、姆贝亚和鲁克瓦等地区均为高氟地区。Othman O. C研究表明，用100 g/L的土壤净化含氟废水，其氟浓度可由4.59 mg/L降到1.1 mg/L，低于WHO标准（1.5mg/L）。水体浊度较高的地区则使用粘土作为混凝剂降低水体浊度；也有些地区的居民用粘土作填料制作重金属过滤吸附装置。Eyasu Tarekegn等研究发现，埃塞俄比亚某些地区使用粘土絮凝剂可以获得较好的水处理效果，浊度去除率可达到90.0%，处理出水浊度可满足其国家标准（<5 NTU）。总有机碳（TOC）去除率甚微，最高为21.3%左右，原水中TOC含量较低时甚至起反作用。此外，这两种土壤混凝剂的使用剂量，大约为5 g/L。苏丹尼罗河流域部分居民也使用当地两种粘土作为混凝剂，其使用剂量一般为300 mg/L~ 400 mg/L，这两种粘土絮凝剂的浊度去除率可达到87.3%以上，TOC去除率在20.0%-30.0%之间，总悬浮物去除率可达68.1%以上。Annette Olsen等研究发现苏丹农村地区使用的膨润土天然絮凝剂处理后的饮用水其尾蚴去除率可达90%左右。
除以上几种广泛应用的天然混凝剂外，树根、树叶、种子、草、骨炭等也被用作饮用水处理。如埃塞俄比亚有些居民使用Guluf树根净化饮用水，其主要作用是降低水体浊度和色度；也有些居民使用Sar草处理饮用水。苏丹许多地方居民使用压碎或切碎的Maerua pseudopetalosa树根净化饮用水。在乍得北方和尼日利亚北方的部分村庄，当地居民使用木灰作为絮凝剂处理饮用水。还有些地区的非洲居民则使用动物骨炭做净水剂，其对重金属具有显著的去除效果。近年来，除直接投加的形式外，天然絮凝剂又有了一些新的使用方法。如将粘土，木屑做成滤器，用以去除浊度和致病微生物。骨炭滤器是在粘土滤器后发展起来的一种滤器，可去除水中的砷、铀等重金属，以及水中的有毒有害物质。
即使天然混凝剂的使用在一定程度上改善了非洲贫困地区居民的饮用水水质，但是，天然絮凝剂的使用仍然存在一些的问题：
一般而言，天然絮凝剂使用剂量远远大于化学药剂的使用剂量。如前所述，辣木絮凝剂使用的一般剂量约为50 mg/L-400 mg/L，粘土的使用剂量则可高达5g/L。当粘土用于处理含氟饮用水时，其剂量甚至可高达100 g/L。
天然絮凝剂的絮凝效果一般差于化学絮凝剂，处理的饮用水很难达到标准。如粘土絮凝剂处理的饮用水，浊度降到5 NTU以下需要静置的时间至少在10个小时以上。辣木絮凝剂处理后的饮用水其浊度一般也在10 NTU左右。此外，天然絮凝剂对于水体中有机污染物、重金属和微生物的去除效果一般较差。
研究表明，当原水中有机物含量较低（TOC<3 mg/L）时，辣木，树根，树叶，种子，粘土等絮凝剂处理后的饮用水中有机物含量一般会有所上升。粘土等天然絮凝剂处理出水的细菌菌落总数甚至有可能增加。如：经埃塞俄比亚两种粘土A和B处理后的饮用水，其细菌菌落总数由原来的<30 CFU/mL分别增加至31 CFU/mL和84 CFU/mL。
目前，非洲居民对天然絮凝剂的使用方法基本依靠经验判断，对絮凝剂的安全性了解甚少。而且，居民对絮凝剂净水效果的判断大多数只依据口感、色度、浊度等指标进行简单判断。对天然絮凝剂的净水效果，以及可能引入的新污染物缺乏科学的定性和定量研究。因而，天然絮凝剂的科学使用方法和安全性需要进一步的科学研究。
随着非洲人口的不断增加、城市化和工业化进程的不断加快，非洲水质进一步恶化，而供水管网等城市基础设施发展远远落后于工业发展。因而，饮用水问题将是未来几年影响非洲居民身体健康的重要因素。天然絮凝剂在非洲饮用水处理中长期被当地居民使用，对浊度、色度有一定的去除效果，但是存在使用剂量大、净水效果差、缺乏科学理论指导等一系列问题。然而，受到经济发展的限制，短时间内天然絮凝剂的使用仍将扮演重要角色。为了更好的提高水质，可以将天然絮凝剂进行简单加工或联合使用。但是，要完全保证饮用水水质安全，最重要的还是完善供水设施。
本文原标题为《非洲部分地区饮用水水质及天然絮凝剂应用现状》，发表在《净水技术》2017年第六期，阅读原文可登陆中国知网http://www.cnki.net/KCMS/detail/31.1513.TQ.20170623.1445.006.html进行下载。