20世紀(jì)以前，城市居民飲用水衛(wèi)生安全性得不到保障，致使水介烈性細(xì)菌性傳染病(如霍亂、痢疾、傷寒等)流行，對(duì)人們生命健康危害極大。20世紀(jì)初，研發(fā)出了混凝一沉淀一幣丈濾一氯消毒凈水工藝，稱為第一代城市飲用水凈化工藝。第一代工藝使水介烈性細(xì)菌性傳染病的流行得到有效控制，為人類社會(huì)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。美國(guó)工程院、科學(xué)院以及27個(gè)學(xué)會(huì)對(duì)20世紀(jì)曾就人類社會(huì)作出突出貢獻(xiàn)的工程技術(shù)進(jìn)行評(píng)選，在被推薦的105項(xiàng)工程技術(shù)中，城市集中供水及水質(zhì)凈化技術(shù)被列為第四(第一為電氣化、第二為汽車、第三為航空)。
20世紀(jì)中葉，發(fā)現(xiàn)r城市水介病毒性傳染病(肝炎、小兒脊椎灰質(zhì)炎等)的流行。研究表明，水中的病毒常附著在顆粒物上，只要將水中顆粒物盡量地去除，將水的濁度降至0.5NUT以下，再經(jīng)氯消毒，就可以控制病毒性傳染病的流行。從而，水的濁度已不再是一個(gè)感官性指標(biāo)，而是與水的微生物安全性相關(guān)的指標(biāo)，因此受到極大的重視，美國(guó)已將濁度止式列為水的微生物學(xué)指標(biāo)。由于對(duì)水的濁度提出嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，即要求對(duì)水源水進(jìn)行深度除蝕，進(jìn)一步推動(dòng)了第一代工藝的發(fā)展。
20世紀(jì)70年代，由于水環(huán)境污染，在城市飲用水中發(fā)現(xiàn)了種類眾多的對(duì)人體有毒害的微量有機(jī)污染物和氯化消毒副產(chǎn)物，而第一代工藝不能對(duì)其有效去除和控制，使水的化學(xué)安全性堪憂，某些水中微量有機(jī)污染物能使人致癌、致畸、致突變〔三致物)。用氯對(duì)水進(jìn)行消毒時(shí)，氯與水中的有機(jī)物(主要是天然有機(jī)物)作用，能生成下肉甲烷、鹵乙酸等氯化消毒副產(chǎn)物，其中大部分是對(duì)人體有毒害的二致物。在這個(gè)背景下研發(fā)出第二代城市飲用水凈化工藝，即在第一代工藝后而增加臭氧一活性炭深度處理工藝。第二代工藝能比較有效地去除和控制水中的有機(jī)污染物和氯化消毒副產(chǎn)物，使水的化學(xué)安全性得到提高。
20世紀(jì)末葉，水中發(fā)現(xiàn)了新的致病原生動(dòng)物—藍(lán)氏賈第蟲和隱袍子蟲〔“兩蟲”)，出現(xiàn)了藻類大量繁殖以及藻毒素、嗅味、水的生物穩(wěn)定性、有害水生生物—劍水蚤和紅蟲等重大微生物安全問題。
賈第蟲在自然界分布很廣，包括兩棲動(dòng)物、鳥類、哺乳動(dòng)物在內(nèi)的數(shù)十種動(dòng)物休內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了賈第蟲。環(huán)境水體中存在的是賈第蟲包囊，為卵形，長(zhǎng)為8一12μm，寬為7-10μm，具有很強(qiáng)的抗氯性，一口穿過濾池進(jìn)人飲用水中，便可使人致病。隱抱子蟲是寄生于哺乳動(dòng)物、鳥類和魚類胃腸道和呼吸道內(nèi)的球蟲，分布于世界各地，隱抱子蟲的感染是由于攝人其卵囊所致。隱泡子蟲卵囊為球形尺寸為4-6μm具有很強(qiáng)的抗氯性，一旦穿過濾池進(jìn)人飲用水中，便可使人致病。第一代工藝和第二代工藝都難以完全防止“兩蟲”進(jìn)人飲用水中，所以成為水業(yè)界高度關(guān)注的問題。
由于水環(huán)境污染加劇，導(dǎo)致湖、庫(kù)水休富營(yíng)養(yǎng)化，藻類大量滋生，藻含量可達(dá)上千萬(wàn)、甚至上億個(gè)/升。這樣高的藻含量，常會(huì)堵塞濾池，使水處理產(chǎn)生困難。第一代和第二代工藝難以將水中藻類徹底去除，即使除藻率達(dá)到99%，也有數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)個(gè)丫升的藻類穿過濾層進(jìn)人飲用水，進(jìn)而生成氯化消毒副產(chǎn)物、嗅味物質(zhì)，并成為細(xì)菌再繁殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。有的藻類(如藍(lán)綠藻等)能生成藻毒素，有的能產(chǎn)生嗅味物質(zhì)，使水的安全性和品質(zhì)下降。藻類問題已成為城市水廠普遍關(guān)注的難題。
近年來發(fā)現(xiàn)，城市水廠出廠水在輸配過程有微生物增殖現(xiàn)象，被認(rèn)為是生物不穩(wěn)定的水。在增殖的微生物中，有的是條件致病菌，如軍團(tuán)菌、氣單胞菌，以及綠膿桿菌、分枝桿菌等，從而使水的生物穩(wěn)定性成為一個(gè)重大的飲用水微牛物安全性問題。
劍水蚤是一種小型甲殼類動(dòng)物，體長(zhǎng)為1-2mm，以藻類為食，活動(dòng)能力很強(qiáng)，能穿透濾層，并且具有很強(qiáng)的抗氯性一般氯消毒難以將其殺死，故能進(jìn)人飲用水中。劍水蚤是能寄生在人體的麥地那龍線蟲的宿主。在湖、庫(kù)水體中，由于水體富營(yíng)養(yǎng)化而致藻類大量繁殖，為劍水蚤提供了充足的食物，而水體中以劍水蚤為食的負(fù)類又因捕撈過度等原因大量減少、導(dǎo)致劍水蚤大量繁殖，成為有待解決的一個(gè)問題。紅蟲是搖蚊幼蟲，有極強(qiáng)的抗氯性，甚至可在清水池中繁殆，它隨水進(jìn)人輸配管道，一旦由水龍頭中放出，會(huì)使人對(duì)飲水產(chǎn)生厭惡感。
近年來又發(fā)現(xiàn)第二代工藝中顆粒活性炭濾池出水中的細(xì)菌含量增多，細(xì)菌的抗氯性增強(qiáng)，并且出水中含有的細(xì)微炭粒會(huì)對(duì)細(xì)菌起到保護(hù)作用。此外，劍水蚤和紅蟲還能在活性炭濾層內(nèi)繁殖，使其在出水中增多。所以第二代工藝使水的化學(xué)安全性提高了，但同時(shí)卻使水的微生物安全性降低了。
綜上所述，20世紀(jì)末新出現(xiàn)的城市飲用水重大微生物安全問題，第一代和第二代土藝均已無法有效地解決，在這個(gè)背景下有待研發(fā)出更安全更有效的第三代城市飲用水凈化工藝。
第三代飲用水凈化工藝，不僅要有效和經(jīng)濟(jì)，并且還應(yīng)體現(xiàn)綠色工藝的理念。會(huì)造成二次污染的凈水技術(shù)已不符合環(huán)境保護(hù)的要求，將會(huì)逐步受到限制，因此研制開發(fā)新型綠色凈水技術(shù)是當(dāng)前凈水上藝的發(fā)展方向。
綠色凈水工藝要求在提高效率或優(yōu)化效果的同時(shí)，能夠提高資源和能源的利用率，減輕污染負(fù)荷，改善環(huán)境質(zhì)量。綠色凈水工藝應(yīng)其有下列特點(diǎn):
①綠色凈水工藝所使用的原材料，如凈水藥劑或膜本身是無毒無害的，制造原料也是無毒無害的，并且在制造過程中本身不產(chǎn)生有毒有害污染物；
②綠色凈水工藝在使用過程中要降低能耗、物耗，提高資源和能源的利用率；
③綠色凈水下藝在使用后，不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物，不會(huì)對(duì)飲用者的健康造成影響；
④綠色凈水工藝的產(chǎn)物，如沉淀池污泥等，易于處置，不會(huì)增加外環(huán)境的污染負(fù)荷。
膜是21世紀(jì)新材料中的一個(gè)增長(zhǎng)點(diǎn)，過去由于其價(jià)格高，故多用于小型水處理裝置中。近年來，隨著膜制造技術(shù)的快速發(fā)展，膜的性能不斷提高，價(jià)格逐漸降低，已達(dá)到可以與第一代工藝和第二代工藝競(jìng)爭(zhēng)的價(jià)位，因而國(guó)外將膜用于城市飲用水處理的水廠愈來愈多。
納濾、超濾和微濾都可用于城市飲用水處理。納濾能去除有機(jī)物和部分無機(jī)物，但能耗較高。微濾能去除“兩蟲”、藻類和水生生物，但不能完全去除細(xì)菌和病毒。超濾能將細(xì)菌、病毒、“兩蟲”、藻類、水生生物幾乎全部去除，是目前保障水的微生物安全性的最有效技術(shù)。在美、口等國(guó)，也優(yōu)先選擇超濾膜用于二城市水廠。
目前，世界卜采用膜濾的城市水廠正呈加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。在北關(guān)，采用超濾和微濾的城市水廠已發(fā)展到250余座，總處理水量從數(shù)萬(wàn)發(fā)展到110x104m/d。在日本，膜濾水廠產(chǎn)水能力已達(dá)400x104m/d。在新加坡，已建成產(chǎn)水量為27.5x104m/d的大Vu超濾水廠。全世界超濾水廠的總產(chǎn)水能力1997年為20x104m/d，2006年已發(fā)展到800x104m/d。
我國(guó)將膜濾用于城市水I一的起步較晚，且規(guī)模較小，迄今尚無1x104m/d以上規(guī)模的城市膜濾水廠。目前尚不能批量生產(chǎn)和供應(yīng)納濾膜，所以難以規(guī)模化地用于城市水廠。但我國(guó)現(xiàn)已能大量生產(chǎn)和供應(yīng)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的超濾膜和微濾膜，所以建設(shè)大型城市超濾水廠已成為可能。今后有待實(shí)現(xiàn)一次性突破，即建設(shè)一座(5一10)x104m/d規(guī)模的超濾水廠，積累設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、管理等方面的經(jīng)驗(yàn)，以便推廣。
超濾是綠色物理分離技術(shù)。超濾工藝可以取代以除濁和殺菌為目的的第一代工藝，因?yàn)榧词共换炷瑸V也能將水中的濁度降至0.1NTU以下，所以超濾可少用或甚至不用混凝劑，從而減少混凝藥劑對(duì)水質(zhì)的污染。
超濾能去除兒乎全部致病微生物，超濾出水水質(zhì)一般可達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)微生物指標(biāo)的要求，所以原則上沒有必要再對(duì)濾后水進(jìn)行殺菌消毒。當(dāng)然，還需向水中投加少量消毒劑，以保持一定的持續(xù)消毒能力以免水在輸配過程中受到二次污染。由于減少了消毒劑的用量，也顯著減少了消毒副產(chǎn)物的生成量，從而提高了水的化學(xué)安全性。
用超濾技術(shù)提高第一代工藝現(xiàn)有水廠的出水水質(zhì)和微生物安全性，也是國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的熱點(diǎn)課題。為了去除“兩蟲”及減少消毒副產(chǎn)物的生成量，口本有些水廠在第一代工藝之后再增加超濾工藝，美國(guó)一些水廠將第一代工藝中的砂濾池改造成超濾裝置，后者在不增加處理構(gòu)筑物的情況下，不但能使水廠出水水質(zhì)提高并且還能使水廠出水量顯著增加，是一個(gè)值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
此外，超濾技術(shù)還具有許多優(yōu)勢(shì)，例如膜裝置的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化有利于縮短水廠建設(shè)周期，實(shí)現(xiàn)水量需求與產(chǎn)能建設(shè)同步；節(jié)約土地資源，并使水廠建設(shè)向工廠化方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)水廠建設(shè)方式的重大革新等等。
超濾能十分有效地去除水中的顆粒物質(zhì)，特別是致病微生物，但對(duì)于水中小分子量有機(jī)污染物和溶解性有毒有害無機(jī)物(如氨氮、二價(jià)鐵、二價(jià)錳、砷、重金屬等)則難以去除，對(duì)于高濁度水也難以適應(yīng)，這時(shí)就需耍與相關(guān)水處理技術(shù)形成組合工藝，進(jìn)行膜前和膜后處理，以達(dá)到相應(yīng)的處理要求。
可以認(rèn)為，城市水廠的膜時(shí)代已經(jīng)到來，超濾將成為第三代城市飲用水凈化工藝的核心技術(shù)，它將是城市飲用水凈化工藝的一個(gè)新的發(fā)展方向。
