对大部分人来说，拧开水龙头便有清澈的自来水哗哗流出是一件很自然的事。不过你有没有想过，自来水究竟是怎么来的，而日常生活产生的污水又到哪里去了？
这一切都跟水的净化有关系。今天，笔者就从自身研究的角度给大家说一说这些问题。
图片来源：veer图库
从水厂到你家，
自来水要经过这些关卡
自来水的净化工艺是一场从源头到水龙头的“水质保卫战”，其目的是将来自天然水源（如江河、湖泊、地下水等）的原水中的杂质、有害物质去除，使其达到饮用水标准。
我国对饮用水水源有着严格的国家标准规范，并非所有地表水体都符合自来水取水要求。为保障饮水安全，各地会依法划定饮用水水源保护区，例如北京市的主要饮用水源就来自水质优良的密云水库、永定河和潮白河等保护区。
相较于地表水，地下水源具有更广泛的分布优势。由于地下水在渗透过程中会经过土壤层和含水层的天然过滤，水质通常更为洁净稳定。因此，在地下水环境保护良好的地区，经过科学评估和适当处理后，可直接开采地下水作为生活饮用水源。
大规模获取的原水往往含有泥沙、微生物、溶解性物质等杂质，因此后续的净化工序至关重要。
原水进入水厂后，首先会进入絮凝池。在这个阶段，通过添加絮凝剂（如聚合氯化铝、硫酸铝、三氯化铁、聚丙烯酰胺等），原水中的细小颗粒会聚集成较大的絮状物，当絮团的密度大于水时发生沉淀。
无机絮凝剂会在水里形成氢氧化物，其本身溶解性不好，且可通过电中和、吸附架桥及絮体的卷扫作用使胶体凝聚；有机絮凝剂通常含有长的疏水碳链和丰富荷正电基团（水中大部分杂质是带负电荷的），也能起到电中和与吸附架桥的作用。
絮凝后进入沉淀池（有的水厂絮凝和沉淀同时进行，称为澄清池），去除大部分泥沙和悬浮物，沉淀后的水变得相对清澈，但仍然含有许多看不见的微生物和溶解性杂质。
絮凝原理图（图片来源：作者绘制）
澄清后的水会进入过滤池。过滤池通常由多层不同粒径的滤料（如石英砂、活性炭等）组成。水在通过这些滤料时，滤料通过尺寸效应（类似筛子的原理）拦截水中的细小颗粒、细菌、病毒等微生物，进一步净化水质。活性炭滤料还能吸附水中的异味和部分有机物，让水的味道更加清新。如果因为天气原因，过度繁殖的藻类被细菌厌氧降解产生了硫醚类物质，那就要考虑增加活性炭滤料了。
过滤后的水虽然已经相对干净，但仍然可能残留少量微生物。为了确保饮用水的卫生安全，水厂会在水中加入适量的消毒剂，如氯气、二氧化氯或臭氧。这些消毒剂能够杀死水中的细菌、病毒和寄生虫。为了避免在管网输送中细菌等的繁殖，一般出厂水中余氯含量应≥0.3mg/L，管网末梢水中余氯含量应≥0.05mg/L。保持管网末梢水中一定的余氯含量，可以确保水在到达用户家中时仍然具有杀菌能力，防止水质在最后输送环节中恶化。大家可能会闻到自来水中的“氯味”，但只要浓度符合国家标准，就不会对人体有伤害，何况残留的那么一丁点氯很不稳定，极易挥发和分解，水烧开后就基本不会有残留。
在输送过程中，水压的控制和管网的维护也非常重要，以确保水质不受二次污染，并且能够稳定供应。值得注意的是，自来水中的离子组成会对管道的腐蚀产生显著影响，改变净化工艺导致的离子组成变化需要密切关注。因此，稳定的水净化和供应至关重要，因为一旦停水，管道内的水长时间不流动，就会与管壁发生反应，形成沉积物。当再次来水时，强水流会冲刷这些沉积物，使其随着水流出，导致水质变浑浊（改变水压也会产生这种后果）。此时需要先打开水龙头，待出水清澈即可。
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自来水净化工艺（图片来源：作者绘制）
自然因素对自来水净化工艺的影响
暂时不讨论人为因素，上述净化效果会不会受到非人为因素的影响呢？答案是肯定的，比如洪水和气候的波动都会造成影响。洪水可能会导致原水水质下降或者破坏水厂的处理设施；气温变化同样会影响原水水质，比如温度会影响细菌和藻类的繁殖。
具体来说，高温促使藻类过度繁殖，大量藻类的呼吸及死亡分解会急剧消耗水体溶解氧，溶解氧耗竭形成缺氧/厌氧环境，此时厌氧微生物分解藻类等来源的含硫有机物，直接产生具有强烈异味的硫醚类物质（即使浓度很低，闻起来也像臭鸡蛋、烂洋葱或烂菜叶的味道），成为自来水异味的主要来源。活性炭吸附或者强氧化剂分解异味物质均可解决该问题，而冬季的低温会降低混凝沉淀对悬浮物和杂质的去除效率。
水中的藻类（图片来源：veer图库）
一般来说，水厂会有应急预案，比如加强水质检测、调整处理工艺（增加絮凝剂和活性炭用量、强化消毒等），大多数情况下仍能保障出水达到国家饮用水标准。如果上述因素影响过于严重，超出水厂的设计处理能力和应急能力，可能会出现短暂的水质波动，此时应该采取应急措施保证居民饮用水安全。
家用净水器，有必要安装么？
如今在家中安装净水器的人越来越多，有人也在疑惑，既然自来水经过了多重净化处理，还有必要安装吗？
笔者的看法是：安与不安，更多的是个人选择。
我们从小就被教育“自来水烧开才能喝”，这一方面是高温杀菌保证安全，另一个方面是煮沸也是一种净化工艺。
自来水中碳酸盐的溶解度随温度上升而下降；高温导致水中酸性气体逸出pH上升，碱性较弱的碳酸氢根受热转变为碱性相对较强的碳酸根，生成溶解度更低的碳酸钙和氢氧化镁；一些有机物或者细菌在煮沸后变性絮凝沉淀。如果你是把自来水烧开了喝，无论装不装净水器，在水质安全上都没啥好担心的。
图片来源：veer图库
不过，这些烧开水产生的沉淀可能会影响你的感官感受，也会导致热水壶结垢。如果有条件，安装反渗透膜净水器可以获得纯净水，在保证出水口不受污染时可作为直饮水，烧开时也可以避免产生沉淀和结垢。
注：反渗透膜是一种高分子聚合物薄膜，可以拦截除了水分子以外的几乎所有的杂质，获得纯净水。
在挑净水器时，不用买贵的，合格产品即可。因为家用的反渗透膜已经完全国产化了，某些性能已经超越进口产品（傲骄的表情），品质和价格已经卷出海外了。
任何事物都有两面性，净水器的使用尽管会提高饮用水品质（拦截了易结垢的钙、镁等硬度离子），但也会产生浪费。这是由于受到自来水中盐离子渗透压的限制（水透过膜而盐不透过，膜两侧就存在盐浓度差，就需要施加压力克服盐浓度差产生的渗透压），不可避免会产生一部分无法透过膜的“浓水”（含盐量高），这部分水通常占总进水的25%-50%，直接排放到下水道必然产生水浪费。当然，如果能收集这部分“浓水”冲厕所是可以的。
既然讲到了冲厕所，生活里产生的污水到底是怎么处理的呢？
市政污水处理跟自来水净化有哪些异同？
我们用过后排放的水会通过城市管网进入污水处理厂，经过严格处理后重新回归自然，实现水资源的循环，以维持生态平衡。自来水净化和市政污水处理在去除杂质的原理上有其共同点，又因为水质差别和出水标准不一有着工艺上的显著差异。
与自来水净化不同，市政污水处理是为了将城市生活污水和部分工业废水中的污染物去除，使其达到排放标准，减少对自然水体的污染。如果污水直接进入水体，里面的有机物、重金属和病原体等污染物会使水体变黑、发臭，透明度降低，水质恶化；大量有机物会造成藻类或其他浮游生物过度生长，形成水华或赤潮，藻类死亡后分解会消耗大量溶解氧，导致水体缺氧，鱼类和其他水生生物窒息死亡。
水体富营养化易导致蓝藻等藻类爆发
（图片来源：veer图库）
污水通过管网进入污水处理厂后，首先会经过格栅。格栅是一种带有缝隙的金属装置，用于拦截污水中较大的漂浮物和固体垃圾。经过格栅后的污水会进入沉砂池，通过水流速度的控制，使污水中的泥沙等重颗粒物质沉淀下来。
下一步主要是去除污水中的可溶有机污染物，通常采用生物处理法，利用微生物的新陈代谢作用来分解污水中的有机物。传统的生物法称为活性污泥法。在曝气池中，污水与活性污泥（含有大量微生物的絮状物）充分混合。通过向水中曝气（通入空气），为微生物提供氧气，使其能够分解污水中的有机物，将其转化为二氧化碳、水和胞外代谢物。但是这种方法占地面积大，剩余污泥处理成本高，产水水质不稳定。
膜生物反应器（MBR）技术可以解决这些问题，其核心原理是利用微滤或超滤膜将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留，不仅活性污泥可以在反应器内停留较长时间，减少剩余污泥产量，而且出水品质更高，减少了后续化学品的使用量。由于可以直接将膜浸没在反应池中，并减少沉淀池，该新工艺占地面积大幅减少。
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以膜生物反应器为核心的污水处理工艺图
（图片来源：作者绘制）
为了进一步提高水质，达到更高的排放标准或实现中水回用，污水还需要经过深度处理。深度处理方法就类似自来水处理工艺了，如果采用纳滤或反渗透膜技术，产水甚至可以直接饮用（比如新加坡，这样的饮用水会标明是再生水）。在不是特别缺水的地方，污水处理通常是达到标准后排放到自然水体中，或者用于城市绿化、道路喷洒等非饮用水用途，实现水资源的循环利用。
总之，自来水和污水净化工艺都离不开澄清、过滤和消毒几个步骤，但由于污水中有机物含量更高更难去除，所以增加了成本更低的生物降解。
结语
水，是生命之源，更是城市运转的血脉。从水源保护到层层净化，从管网输送到千家万户，这不仅是现代文明的体现，更是关乎每个人健康的基础民生。
作者简介
罗建泉，中国科学院过程工程研究所研究员，博导，中国科学院大学岗位教授，长期从事生物反应与分离纯化特别是膜分离研究。
来源：科学大院
编辑：小咕咕
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