水

随着欧洲和文明世界其他地区人口的增长，他们的水源受到越来越多的污染。在许多城市，作为饮用水的主要来源的河流被污水严重污染，类似于开放的污水池。霍乱、伤寒和许多其他水传播疾病造成了损失。 1800 年，英国的威廉·克鲁克尚克 (William Cruikshank) 证明小剂量的氯可以杀死水中的细菌。到 1890 年代，一些城市发现通过沙床缓慢过滤水也可以显着降低疾病的发生率。公众对安全饮用水的呼声如此高涨，以至于到 1900 年代初，美国的大多数主要城市都安装了某种水处理系统。

即使进行了水处理，随着越来越多的工业废物流入国家的河流和湖泊，水污染仍然是一个严重的问题。随着铅、砷、杀虫剂和其他化学品对健康的不利影响逐渐为人所知，美国联邦政府不得不通过 1948 年的《水污染控制法》。这是第一个定义和规范水质的综合立法。紧随其后的是一系列越来越严格的要求，最终形成了现行的环境保护署 (EPA) 水质标准。除了联邦标准外，大多数州都有自己的水质法，有些州的法律比EPA规定的更严格。

水的种类

纯净水是一种几乎不存在的实体。大多数水中含有不同数量的溶解矿物质和盐，以及大量悬浮颗粒，如淤泥和微观有机物质。不同类型的水根据这些杂质的存在与否进行分类。

自来水或市政用水经过了一系列处理，以杀死有害细菌、去除沉积物和消除异味。由于各种原因，它也可能添加了一种或多种化学物质。

硬水含有大量的钙和镁盐。这会导致肥皂形成凝乳。硬水又分为暂时硬水和永久硬水。暂时的硬水含有钙和/或镁的碳酸氢盐，当水被加热时，它们会发生反应，形成一种称为水垢的硬质物质。水垢会堵塞热水器和管道，并在炊具上留下沉积物。永久硬水含有钙和/或镁的硫酸盐、氯化物或硝酸盐，它们不受加热影响。尽管“低”的定义各不相同，但软水​​中的钙和镁盐含量相对较低。术语“软化水”是指已通过化学方法去除了足够多的盐以避免形成肥皂凝块的硬水。它的氯化钠含量很高。

如果水中含有大量溶解的矿物质，则称为矿泉水。矿泉水可分为五个主要类别：盐水、碱性、铁质、含硫和饮用水。盐水含有大量的硫酸钠或硫酸镁或氯化钠。碱性水含有高浓度的盐，使其 pH 值在约 7.2-9.5 的范围内，其中 7 的 pH 值是中性的，而 14 的 pH 值是强碱性的。含铁的水富含铁，这使它呈锈色。含硫水含有丰富的硫化合物，并以其臭鸡蛋味而著称。饮用水的矿物质含量低于百万分之 500，最常被装瓶并作为特种饮用水出售。

碳酸水、苏打水和苏打水都含有溶解的二氧化碳。这可以在存在石灰石或其他碳酸盐岩的地方自然发生，或者可以在压力下人工添加二氧化碳。

泉水和自流水的区别仅在于它们从地下自然流出，无需钻孔或抽水。否则，它们与其他来源的水没有什么不同。

蒸馏水已通过蒸发-冷凝过程净化，该过程可去除大部分（但不是全部）杂质。去离子水已通过离子交换过程净化，该过程可去除正离子（如钙和钠）和负离子（如氯化物和碳酸氢盐）。它有时被称为软化水。净化水是经过碳过滤、蒸馏、去离子、反渗透、紫外线消毒或这些过程的某种组合以去除几乎所有矿物质和化学元素的市政用水，无论是好的还是坏的。

原材料

一个水分子由两个氢原子与一个氧原子结合而成。化学符号是H 2 O。水通常在溶液或悬浮液中还含有多种有机和无机物质。

在处理市政系统用水的过程中，可能会添加多种化学品。这些包括消毒剂，如氯、氯胺或臭氧；混凝剂，如硫酸铝、氯化铁和各种有机聚合物；酸度中和剂，如烧碱或石灰；和化学物质，以各种氟化物的形式帮助预防蛀牙。

治疗过程

具体的水处理工艺取决于预期的应用。一些水，比如用来灌溉庄稼的水， 没有得到任何处理。其他水，例如用于制造药物的水，是高度纯化的。

以下是用于处理市政用水以分配给家庭和企业的一系列典型操作。

收集

• 1 大多数市政用水有两个来源：地下水和地表水。大多数地下水是通过在称为含水层的地下含水层中钻孔而抽取的。一些地下水以泉水的形式自然上升。地表水是通过在大坝后面蓄水的河流来抽取的。流入河流的周边地区称为分水岭。在许多情况下，流域的进入和使用受到限制，以防止径流水受到污染。
• 2 水从井或大坝通过敞开的运河或封闭的管道输送到水处理厂。在某些情况下，供水靠近市政当局。在其他情况下，水必须运输数百英里 (km) 才能到达目的地。有时，水会储存在沿途的中间水库中，以确保始终有足够的供应来满足城市不断变化的需求。

消毒

• 3 在一些水处理厂，水最初通过与一系列腔室中富含臭氧的空气接触进行消毒。这一步被欧洲的大多数工厂使用，但在美国只有少数工厂使用。臭氧 (03) 是由压缩空气通过高压电弧形成的。这会导致空气中的一些氧 (02) 分子分裂成两半并重新附着在其他氧分子上以形成臭氧。臭氧可有效杀死大多数细菌并破坏导致令人不快的味道和气味的化合物。然而，它的寿命相对较短，并且在储存和分配过程中不会留在水中以保护它。为此，在处理过程结束时向水中添加少量氯或氯胺。

混凝/絮凝

• 4 然后水通过闪蒸混合器，在那里被称为凝结剂的化学物质迅速与水混合。凝结剂改变水中任何悬浮颗粒周围的电荷，使它们相互吸引并聚集在一起或凝结。
• 5 水缓慢地通过一系列腔室，在那里它被旋流轻轻混合。随着水的混合，带电粒子继续相互碰撞并形成更大的粒子，称为絮状物。

解决

• 6 水流入沉淀池或沉淀池，在那里重絮沉到底部。一些沉降池有两层，可使其容量翻倍。沉淀到底部的材料用类似水池真空的装置从盆中抽真空，然后沉积在固料盆中。来自过滤器（步骤 7）的捕集材料也被添加到固体容纳盆中。这些结合的材料通过重力增稠器，然后通过压榨机挤出大部分水。剩余的固体被装入卡车并运往垃圾填埋场进行处置。

过滤

• 7 部分清洁过的水会穿过几层沙子和煤粉，这些沙子和煤粉会捕获残留在水中的任何非常小的颗粒。在那些不使用臭氧作为初始消毒剂的水处理厂中，一些有害生物也以这种方式被捕获。过滤层会定期进行反冲洗以去除截留的材料。

吸附

• 8 在一些工厂中，水会通过活性炭颗粒床。水中的化学污染物通过称为碳吸附的过程粘附在木炭表面。

充气

• 9 在某些水中含有不希望的铁和锰或某些溶解气体的地区，水从大水池喷入空气中以对其进行曝气。当水与空气混合时，它会吸收氧气，从而导致一些污染物沉淀下来。其他污染物通过蒸发去除。

氟化

• 10 在一些水处理厂中，会在水中添加氟利昂化合物以帮助防止蛀牙。氟化物天然存在于某些供水系统中，不需要额外的量。过去，加氟一直是一个备受争议的话题，并不是每个城市都会在水中添加氟化物。

中和

• 11 可能会在水中添加其他化学品，以帮助减少管道和卫生设备的腐蚀。这是通过添加受控量的某些化学品来将 pH 值调节到中性水平来实现的。

分发

• 12 当水离开处理厂时，它会接受小剂量的氯或氯胺以杀死任何可能进入分配系统的有害细菌。如果工厂不使用臭氧作为初始消毒剂，则会向水中添加大量氯或氯胺。
• 13 水离开工厂后，通常储存在有盖的水箱或蓄水池中，以防止受到污染。在一些地区，这些储存设施位于比周围地形更高的海拔处，水被泵入水箱或水库。这个升高的储存位置提供了必要的压力，使城市内的水管和管道有足够的流量。在其他情况下，水储存在地面设施中，压力由按需运行的电动泵提供。

质量控制

联邦和州水质标准为水中可能存在的 90 多种有机、无机、微生物和放射性物质设定了最高污染水平。这些标准进一步分为一级标准，涵盖可能对人体有害的材料，以及二级标准，涵盖可能影响审美品质（如味道、气味和外观）的材料和特性。一个典型的水区每年可能对供水进行 50,000 多次化学和细菌分析，以确保达到标准。

未来

预计未来公众对安全饮用水的关注将导致更严格的水质标准。具有讽刺意味的是，最近关注的问题之一不是外部污染，而是一种常用的水消毒物质——氯的影响。过去 30 年的研究表明，氯会与水中的有机物质形成某些化合物。最常见的化合物称为三卤甲烷，或 THM，长期摄入或吸入后有 10,000 分之一的致癌风险。使用氯的一种替代方法是氯胺，它是氨和氯的混合物，不容易形成 THM。许多水处理厂已经改用氯胺。其他替代消毒剂包括臭氧、紫外线、二氧化氯以及称为过氧酮的臭氧和过氧化氢的混合物。