我们都知道，时至今日， 饮用水安全保障的首要目标仍是去除和灭活原水中的病原微生物。 为了确保饮用水处理工艺对病原微生物的有效去除和灭活，需要 将多种处理工艺单元和管理手段进行串联和组合 ，这就是饮用水处理的 “多级屏障” 理念。

以隐孢子虫的去除或灭活为例（隐孢子虫的危害可参考“   清华大学&给水排水 | 饮用水水质指标及处理技术科普：浊度  ”），比如，对于每升水中含有1~3个隐孢子虫的水源水，美国环保署要求99.999%以上的去除率，也就是每10万升（即100立方米）出厂水中隐孢子虫的浓度需不高于3个。在工艺选择和运行管理上，我们可以采用水源地保护、“混凝/絮凝/沉淀/过滤”常规处理工艺、深度降浊技术及臭氧消毒这四级屏障来对隐孢子虫进行控制。研究表明，这四级屏障对隐孢子虫可以分别实现不低于68.4%、99.9%、68.4%和90%的去除或灭活。

在这里展示两种去除率计算方法：

按最低去除率计算，出厂水中隐孢子虫的浓度计算结果为：3个/L × (1-68.4%) × (1-99.9%) × (1-68.4%) × (1-90%)  = 3个/L × (1-99.999%) = 3个/100,000 L。这个计算看起来有点复杂，需要花点时间。

如果用对数，乘法变成加法，就简单多了。因为-log(1-68.4%) = 0.5，-log(1-90%) =1.0，-log(1-99.9%) =3.0，加起来这四级屏障的总去除/灭活率计算就成为 0.5 + 3 + 0.5 + 1 = 5 log，对应的去除率百分数是99.999%，即5个9。用对数加和计算在饮用水处理病原微生物控制率的计算方面具有既简便又直观的优点。美国环保署在微生物去除和灭活标准上，一般采用对数去除数，比如1个log 或5个log。

饮用水处理多级屏障理念的核心是分散风险 ，通过增加屏障的数量来保障整个工艺系统去除各类病原微生物的高可靠性，而不是简单地对某个工艺单元进行冗余设计。 举例来说，假定对某种病原微生物的总去除率要求为5 log。可以设计由单一工艺单元组成的水处理工艺流程（图1，工艺流程A），在运行正常的情况下其单独工作即可实现5 log的去除。因此，在理论上是不需要再与其它处理单元进行串联组合的。但是，任何工艺单元都不可能全时高效率无故障地工作。假设任一工艺单元都有1%的失效可能性，其对病原微生物的对数去除率只能达到其理想值的一半，那么对工艺流程A，一常年365天当中总共会有3.65天（365×1%），对病原微生物的去除率仅有2.5 log。在这种情况下，供水有很高的病原微生物致病风险。更科学合理的作法是采用多级屏障理念，将总共5 log的病原微生物去除进行切分，如切分为一个3 log、一个1 log和两个0.5 log（图1，工艺流程B）。这时，虽然同样是每个工艺单元具有1%的失效概率，但一常年365天当中，总共仅有0.037天对病原微生物的去除仅有3 log或以下，而仅有3.61天对病原微生物的去除是在3 log至4 log之间。 由此可知，采用多级屏障理念进行工艺设计，病原微生物的泄漏风险将大幅降低。并且，屏障数目越多、每级屏障的去除率要求越平均，病原微生物的泄漏风险就越低。

图1. 饮用水处理多级屏障理念的核心是将病原微生物的去除率要求分摊到多个处理工艺单元或管理手段之中，以此降低病原微生物穿透风险。

受地域、季节和人类活动等因素的影响，原水中的病原微生物浓度可能差异极大，但为了确保公众饮水安全，处理目标必须同等严格。这以隐孢子虫的控制最为典型， 1993年发生在美国威斯康星州密尔沃基市的隐孢子虫病事件 便是代表。即使供水中的隐孢子虫浓度非常低，也可能存在致病风险。国外研究表明，当供水中隐孢子虫的浓度为1个/万升时，若生饮自来水，年均感染风险为17~60例/万人。这么低的隐孢子虫浓度很难准确测定，我国绝大部分水厂的出厂水中检不出隐孢子虫，也反映了这个道理。并且，对隐孢子虫进行检测耗时很长。因此，采用多级屏障理念进行水厂设计和运行极为必要，且非常有效。建议根据隐孢子虫在原水中的浓度以及致病风险，确定适宜的隐孢子虫对数去除率要求（不低于3 log）。

由 “混凝-絮凝-沉淀-过滤” 所组成的常规处理工艺是饮用水处理多级屏障的重要组成部分。原水经混凝预处理后，由沉淀和过滤可分别去除其中的一部分隐孢子虫等病原微生物。国外研究表明，采用常规工艺处理地表水，在过滤后（进清水池之前）若其浊度在绝大部分时间内（>95%）低于0.3 NTU且总不高于1 NTU，工艺对隐孢子虫的对数去除数可达3 log。

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如果水厂的每一滤格的滤后水浊度在绝大部分时间内（>95%）始终低于0.15 NTU，即所谓的“深度降浊”，那么常规工艺对隐孢子虫的对数去除数则可增加1 log达到4 log。当原水中的隐孢子虫浓度达到美国设定的最大值即>3个/升时，去除率要求为5.5 log，除了常规工艺（3 log）和深度降浊（每格滤池滤后水≤0.15 NTU）（1 log）外， 还要增加水源地保护（0.5 log）和臭氧消毒（1 log） 来达到 5.5个log（99.9997%）的水质处理要求。由于对出厂水这样极低浓度范围内的隐孢子虫进行检测费时费力，美国并不要求水厂检测隐孢子虫浓度，而是通过浊度检测来快速判断常规工艺和深度降浊的去除效果，通过余臭氧浓度和消毒接触时间（CT值）来判断臭氧消毒的灭活效果。除臭氧外，也可以采用紫外或者二氧化氯消毒，或者超滤膜过滤，来实现对隐孢子虫的额外去除率要求。（相关阅读：   清华大学&给水排水 | 饮用水水质指标及处理技术科普：饮用水消毒  ）

城乡安全供水是基本民生保障，饮用水处理“多级屏障理念”需要深入到供水行业所有从业人员之心。一些水厂对低浊度原水的处理，虽然设计上采用了常规处理工艺，但在运行中却不投加或少投加混凝剂，这显然大幅降低了这一级屏障对“两虫”、病毒等病原微生物的去除作用。一些水厂为了控制消毒副产物的生成，降低消毒剂的投量和余氯浓度，这会显著削弱消毒这一屏障对贾第鞭毛虫、病毒、军团菌等病原微生物的灭活效果。 这些都是极不推荐的作法。 在未来，随着国家对供水微生物致病风险的进一步重视以及各级政府逐步推行龙头水直饮，对“两虫”、肠道病毒等强致病性微生物的去除率要求必将趋严，“多级屏障理念”必将愈显重要。

• 将多种处理工艺单元和管理手段进行串联和组合，这就是饮用水处理的“多级屏障”理念。每一级屏障都应尽量发挥该级屏障的作用，各级屏障对数去除率之和应达到总去除率要求。

• 饮用水处理多级屏障理念的核心是分散风险，通过增加屏障的数量来保障整个工艺系统去除各类病原微生物的高可靠性，而不是简单地对某个工艺单元进行冗余设计。

• 采用多级屏障理念进行工艺设计，病原微生物的泄漏风险将大幅降低。并且，屏障数目越多、每级屏障的去除率要求越平均，病原微生物的泄漏风险就越低。

• 未来，随着国家对供水微生物致病风险的进一步重视以及各级政府逐步推行龙头水直饮，对强致病性微生物的去除率要求必将趋严，“多级屏障理念”必将愈显重要。
  

编校：王祺、李新鑫

审核：张彬