本书从生活饮用水卫生标准反思和水垢问题出发，总结分析了饮用水水垢对人体健康的威胁，并阐述了两者之间的关联；介绍了水垢产生原理、过程、影响因素和水垢相关指标检测方法及设备，提出了水垢的形态及其影响因素和控制方法；从水垢控制需求出发，总结分析了传统软化工艺原理与技术、化学结晶循环造粒流化床及生物诱导软化工艺原理与技术。基于水垢控制机制和原生钙镁保留需求，着重论述了酸碱平衡曝气水垢控制工艺原理与技术，针对我国地下及地表水源水介绍了以酸碱平衡曝气工艺为核心的水垢控制技术与设备，及其实际应用效果。 本书可供城镇供水设施建设、运行及维护等相关市政工程技术人员和研究人员参考，也可作为市政工程和环境工程专业研究生教材及高级技术人员培训的参考用书。

第1章生活饮用水卫生标准与水垢
　　随着全球淡水资源的短缺，21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源短缺已不仅仅是资源问题，更成为关系国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。水资源短缺的同时也不断促进生活饮用水处理技术的发展。人类对水本身的认识和饮用水的处理技术得到不断改进，对饮用水水质的要求也在不断提高。世界卫生组织（WHO）、美国、欧盟、日本等国家或组织率先对饮用水卫生标准进行制定和修改。我国生活饮用水卫生标准制定较晚，自中华人民共和国成立以来，人们逐步重视生活饮用水水质，随之根据我国饮用水技术发展特点颁布了一系列标准。
　　水质标准的不断发展和完善带来了新问题，并逐渐得到重视。如何规范适合开水的饮用水标准，居民龙头水的职责划分，开水饮用过程中水垢问题的检测和解决等，是我们亟须解决的问题。
　　既然水垢一直存在，那么水垢究竟如何检测？如何去除？误饮后对人们有何种健康风险？这已经成为现阶段饮用水卫生标准发展需要解决的问题。
　　1.1生活饮用水卫生标准制定原则和技术路线
　　1.1.1生活饮用水处理需求及水质要求
　　水是生命之源，广义的水资源是指水圈内的水量总体。由于海水难以直接利用，因此我们所说的水资源主要指陆地上的淡水资源。陆地上的淡水通过水循环不断更新、补充，满足人类生产、生活需要。
　　陆地上的淡水资源总量只占地球上水体总量的2.53%，大部分分布在南北两极地区的固体冰川。目前人类较容易利用的淡水资源主要是河流水、淡水湖泊水以及浅层地下水。这些淡水储量只占全部淡水量的0.3%，占全球总水量的7/105，即全球真正有效利用的淡水资源每年约有9000km3。
　　1.国内外水环境现状
　　全球淡水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡，约有65%的水资源集中在不到10个国家中，而占世界总人口40%的80个国家却严重缺水。预计到2025年，全世界缺水人口将达30亿，涉及的国家和地区达40多个（龚静怡，2005）。
　　我国属于缺水国家，人均水资源占有量严重不足，仅有2300m3，相当于世界人均水量的1/4，被列为世界上*贫水的13个国家之一。在全国668座建制市中，有400多座城市处于不同程度的缺水状态，其中130多座城市严重缺水（柳直，2020）。由于生活饮用水与人体健康有着不可分割的关系，因而饮用水作为水环境的核心部分受到越来越多的关注。我国饮用水水环境问题主要表现为以下两个方面。
　　（1）饮用水水源地减少
　　随着水环境治理政策力度的加大，污水治理已取得良好成效，但仍然有大量工业和生活废水未经处理直接排放，加剧水环境污染，致使大量水体无法作为饮用水水源地。2018年《华夏时报》曾报道，全国已有162个县级以上集中式饮用水水源地被撤销或拟撤销，占总量的5%左右。
　　（2）饮用水水源水质恶化
　　全国饮用水水源水质总体呈恶化趋势。《2018年中国水资源公报》显示，全国水质评价河流26.2万km，其中，Ⅳ～Ⅴ类、劣Ⅴ类水河长分别占评价河长的12.9%、5.5%；评价湖泊124个，未达到Ⅲ类水的湖泊占总数的75.0%；评价水库1129座，未达到Ⅲ类水的水库占总数的12.7%；评价水功能区6779个，不满足水域功能目标的2276个，占评价水功能区总数的33.6%；评价省界断面水质544个，未达到Ⅲ类水质断面比例为30.1%；评价1045个集中式饮用水水源地，全年水质合格率在80%及以上的水源地占评价总数的83.5%。这些污染水体大部分分布在城市附近，不仅加剧了城市水环境污染，还增加了正常供水的难度，对城市居民安全饮水产生严重威胁。
　　2.生活饮用水处理技术发展历程
　　随着社会经济的快速发展，人们对水安全的认识越来越深入，对生活饮用水的要求也越来越严格。2022年，国家卫生健康委员会在进一步修改《生活饮用水卫生标准》（2006年版）的基础上，制定了《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2022），该标准对多项水质指标做了修改，对生活饮用水处理工艺技术不断革新提出要求，将于2023年4月1日起实施。
　　（1）第一代水处理工艺20世纪以前，居民饮用水卫生安全得不到保障，致使水介烈性细菌性传染病（如霍乱、痢疾、伤寒等）流行，极大地危害了人体健康。为阻止疾病传播，20世纪初，人们研发出了混凝、沉淀、过滤、氯消毒工艺。从河流取水后，进入澄清工艺，即混凝、沉淀和过滤，水中杂质通过加药，形成大颗粒的絮凝体，而后经沉淀池进行矾花与水的重力分离，再进入滤池，使细微残余的杂质颗粒物和部分大分子有机物过滤掉，滤后水采用加氯消毒。其主要去除对象为水中悬浮物、胶体，还可杀灭水中绝大部分细菌和病毒，保证基本的饮用水生物安全性，这一工艺使流行性传染病得到控制，称之为第一代水处理工艺。
　　（2）第二代水处理工艺
　　20世纪70年代，由于水环境污染，在城市饮用水中发现了种类众多的对人体有毒害作用的微量有机污染物。Rook（1974）及Bellar和Lichtenberg（1974）在1974年发现饮用水加氯消毒可以产生三卤甲烷（THMs），人们对消毒副产物（DBPs）的成分进行了大量的研究，发现了DBPs包括三卤甲烷、卤乙酸（HAAs）、卤代酮类（HKs）等一系列化合物，其种类高达几百种，绝大部分对人体有害（林辉和刘建平，2004）。此外，在水处理过程中投加的一些氧化剂，也会生成一些有毒害的氧化物、有机物和复合型污染物，长期饮用这些物质能够致癌，不利于人体健康，而常规工艺又对其不能有效地去除和控制，由此发展出第二代水处理工艺。
　　第二代水处理工艺是在常规工艺上新增预处理工艺和深度处理工艺。预处理工艺通常是指在常规处理工艺前采用适当的物理、化学和生物的处理方法，对水中的污染物进行初级去除，同时使常规处理更好地发挥作用，减轻常规处理和深度处理的负担，发挥水处理工艺的整体作用。深度处理工艺能够对水中微量的影响水质安全的杂质起到很好的减量效果。深度处理工艺包含砂滤技术、活性炭吸附技术、离子交换软化技术等，可以使水中作为氯化消毒副产物前体物的天然有机物和微量有机污染物得到有效去除，大大提高饮用水的化学安全性。
　　（3）第三代水处理工艺
　　20世纪末，由于水环境污染的加剧，以及水质检测技术的发展，又发现了许多新的水质问题，如两虫（贾第鞭毛虫和隐孢子虫）、藻类污染加剧及臭味、藻毒素、水质生物稳定性差、高氨氮和内分泌干扰物等问题。为此，世界各国都对饮用水制定了更多和更严格的水质卫生标准。第二代工艺对两虫、水蚤、藻类不能完全去除，对高氨氮（氨氮含量>2～3mg/L）水体的处理难以达到水质标准（0.5mg/L）要求，并且水源中复杂的有毒有机化合物等新型污染物的种类和含量不断增加，饮用水安全问题凸显。
　　为应对此类问题，发展出第三代水处理工艺。第三代水处理工艺以膜过滤为核心技术，能够有效地提高水质生物安全性和化学安全性。如超滤膜的孔径只有几纳米，原则上可将水中所有微生物、有机物和有害化学物质截留下来，提高水质安全性（李圭白和杨艳玲，2007）。
　　生活饮用水处理工艺不断改进，是社会发展的必然趋势。随着我国城市化进程加快，要使居民生活饮用水健康安全，不仅要注重给水厂处理工艺的提标改造，还需要对饮用水水质进一步提出明确要求，制定或修订更加完善和全面的生活饮用水卫生标准。
　　1.1.2生活饮用水卫生标准制定原则
　　生活饮用水卫生标准是从保护人群身体健康和提高人们生活质量出发，对饮用水中与人群健康相关的各种因素，以法律形式做量值规定，以及规定为实现量值所做的有关行为规范，经国家有关部门批准，以一定形式发布的法定卫生标准（王琳琳和陆阳，2019）。生活饮用水卫生标准的制定，不仅要考虑水的理化性质对人体健康的影响，还要考虑国家或地区的经济发展情况，按照一定的制定原则严格把控。
　　1.国际生活饮用水卫生标准制定原则
　　当前国际上有权威性、代表性的生活饮用水卫生标准主要有世界卫生组织（WHO）制定的《饮用水水质准则》、美国国家环境保护局（简称美国环保局，USEPA）制定的《美国饮用水水质标准》、欧盟（EC）制定的《饮用水水质指令》和日本饮用水水质标准等。不同地区用户所需求水质不同，各个国家或组织制定生活饮用水卫生标准时的原则也不尽相同，以世界卫生组织和美国环保局为例（American Water Works Association and Edzwald，2011）：
　　（1）世界卫生组织
　　2004年，世界卫生组织出版的《饮用水水质准则》第三版（第一次增补本），明确表示《饮用水水质准则》的总体考虑和制定原则是：必须对所有人提供令人满意（即充足、安全及容易得到）的饮用水；控制水中有害成分，确保饮用水的供水安全；充分考虑现行和拟发布的与水、卫生和地方政府相关的法律法规，并评估制定和实施相关规章的能力；对水质安全（即在某特定环境下可接受的风险水平）的判断，需从社会整体来考虑；应不断努力使饮用水质量达到尽可能高的水平。
　　（2）美国环保局
　　美国的饮用水标准分为两类：国家一级饮用水法规（NPDWR或一级标准）和国家二级饮用水法规（国家饮用水法规或二级标准）。美国环保局建议水系统遵守二级标准，但不强制要求水系统遵守（氟化物二级标准超标所需的公告除外）。但是，各州可以选择采用它们认为可执行的标准。美国环保局设定了*大污染目标水平（MCLG）。*大污染目标水平在不会对人的健康造成已知或预期的不利影响的前提下，规定了饮用水中污染物的*大含量。但*大污染目标水平只考虑公共卫生，而不考虑检测和处理技术的限制。
　　2.我国生活饮用水卫生标准制定原则
　　自中华人民共和国成立后，我国社会经济快速发展，科学技术水平显著提高，生活饮用水卫生标准的制定原则也在不断扩充和完善，我国生活饮用水卫生标准制定共经历了三个阶段。
　　（1）第一阶段1954年5月卫生部首次颁布了《自来水水质暂行标准》，1959年又向全国颁发《生活饮用水卫生规程》，1976年修订改名为《生活饮用水卫生标准（试行）》（TJ20—76）（张宁吓，2010）。由于生活饮用水卫生标准制定涉及的学科和部门广泛，在标准制定过程中还存在一些困难，如标准制定进度缓慢、部分送审标准质量不高、标准研制经费不足等。为应对挑战，必须遵循以下几方面的制定原则：
　　1）处理好标准制定中的轻重缓急。生活饮用水卫生标准是人体健康的重要保障，应当根据社会需要，判断不同板块和指标的轻重缓急，井然有序地进行制定。
　　2）把采取国际指标和国外先进标准作为重要方向。对于国际指标和国外先进标准，应结合我国国情适当采用，以利于加快标准制定进程。
　　3）进一步理顺标准制定的协调工作。标准制定离不开各个部门的通力合作，协调好部门之间的关系，有助于完善标准内容，加快颁发速度。
　　（2）第二阶段
　　1985年我国颁布实施《生活饮用水卫生标准》（GB5479—85），此后16年一直沿用，随着工业发展和社会进步，该标准无法满足社会需求。2001年，卫生部发布实施《生活饮用水卫生规范》，其制定原则如下：
　　1）尽量与世界接轨。以世界卫生组织《饮用水水质准则》（1993年版和1998年补充版）为接轨的主要依据，参考美国、日本、欧盟等国家和组织的饮用水标准，尽量把《饮用水水质准则》中具有可行检测方法的指标列入我国的《生活饮用水卫生规范》。
　　2）符合国情，有可操作性。为便于实施，将饮用水水质指标分为常规检测项目和非常规检测项目。
　　3）对原标准中水质指标的修订。根据存在问题及发展趋势，对原标准中某些指标进行修改。
　　（3）第三阶段
　　2006年12月29日，卫生部、国家标准化管理委员会第12号文件，批准发布《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006），

目录
第1章　生活饮用水卫生标准与水垢　1　
1.1　生活饮用水卫生标准制定原则和技术路线　1　
1.1.1　生活饮用水处理需求及水质要求　1　
1.1.2　生活饮用水卫生标准制定原则　4　
1.1.3　生活饮用水卫生标准的制定过程　6　
1.1.4　生活饮用水卫生标准的发展　9　
1.2　当前国内外饮用水卫生标准　14　
1.2.1　世界卫生组织《饮用水水质准则》　14　
1.2.2　《美国饮用水水质标准》　16　
1.2.3　欧盟《饮用水水质指令》　18　
1.2.4　我国《生活饮用水卫生标准》　20　
1.2.5　我国饮用水卫生标准的特点　21　
1.3　基于供水和饮水方式的水质标准反思　25　
1.3.1　水质执行标准的变迁　26　
1.3.2　物权矛盾问题　27　
1.3.3　水垢问题的反思　27　
1.4　国内饮用开水传统下的水垢问题　29　
1.4.1　国内饮用开水的历史　29　
1.4.2　饮用开水的好处　30　
1.4.3　国内水垢问题的普遍性及其相关联的水质指标　30　
1.4.4　水垢危害及用户对水垢问题的质疑　32　
参考文献　33　
第2章　烧水水垢与居民健康的关联　35　
2.1　水垢与健康关联的由来与历史　35　
2.1.1　水垢的形成　35　
2.1.2　水垢与健康的关系　36　
2.2　饮用水硬度与健康的动物实验研究　38　
2.2.1　饮用水硬度对心血管的影响　39　
2.2.2　饮用水硬度对骨骼的影响　41　
2.2.3　饮用水硬度对心肾相关指标的影响　43　
2.3　饮用水硬度与健康的流行病学调查研究　46　
2.3.1　饮用水硬度对心血管疾病的影响　46　
2.3.2　饮用水硬度对骨质疏松的影响　47　
2.3.3　饮用水硬度对尿路结石的影响　48　
2.3.4　饮用水硬度对人体健康其他方面的影响　49　
2.4　水垢硬度和健康的关联性及差异性分析　49　
2.4.1　水垢硬度和健康的关联性　49　
2.4.2　水垢硬度和健康的差异性　51　
参考文献　52　
第3章　水垢产生原理、形态及指标检测　54　
3.1　水垢产生的原理、过程及影响因素　54　
3.1.1　烧水水垢产生原理　54　
3.1.2　管道和设备结垢原理　54　
3.1.3　水垢形成过程　56　
3.1.4　结垢程度影响因素　57　
3.2　水垢相关指标检测方法及设备　59　
3.2.1　水垢相关指标检测方法　59　
3.2.2　水垢检测设备　61　
3.3　水垢的形态及其影响因素　63　
3.3.1　常见的水垢形态　63　
3.3.2　温度对水垢形态的影响　63　
3.3.3　pH对水垢形态的影响　66　
3.3.4　器壁材料对水垢形态的影响　66　
3.4　水垢的控制方法　68　
3.4.1　管道水垢的控制方法　68　
3.4.2　饮用水水垢的控制方法　69　
参考文献　70　
第4章　传统软化工艺原理与技术　72　
4.1　石灰软化法　72　
4.1.1　工艺原理　72　
4.1.2　工艺研究现状与趋势　73　
4.1.3　应用实例　73　
4.2　离子交换软化法　76　
4.2.1　工艺原理　76　
4.2.2　工艺研究现状与趋势　76　
4.2.3　应用实例　77　
4.3　纳滤软化工艺　79　
4.3.1　工艺原理　79　
4.3.2　工艺研究现状与趋势　79　
4.3.3　应用实例　80　
4.4　反渗透软化工艺　82　
4.4.1　工艺原理　83　
4.4.2　工艺研究现状与趋势　83　
4.4.3　应用实例　83　
4.5　电渗析软化工艺　86　
4.5.1　工艺原理　86　
4.5.2　工艺研究现状与趋势　87　
4.5.3　应用实例　87　
4.6　复配药剂软化法　88　
4.6.1　工艺原理　88　
4.6.2　研究现状与发展趋势　89　
参考文献　89　
第5章　化学结晶循环造粒流化床工艺原理与技术　91　
5.1　化学结晶软化工艺概述　91　
5.1.1　结晶基础理论　91　
5.1.2　碳酸钙结晶理论与过程　91　
5.1.3　结晶动力学研究　94　
5.1.4　研究进展与应用　94　
5.2　化学结晶循环造粒流化床技术研发　97　
5.3　化学结晶循环造粒流化床水质软化工程应用　98　
5.3.1　应用概况　98　
5.3.2　应用案例　99　
参考文献　101　
第6章　生物诱导软化工艺原理与技术　103　
6.1　生物矿化细菌的特性研究　103　
6.1.1　生物矿化细菌的分离及鉴定　103　
6.1.2　生物矿化的环境影响因素　104　
6.1.3　生物矿化细菌的生长特性　110　
6.1.4　生物矿化细菌对实际水体的处理效果　112　
6.2　生物诱导同步去除硬度和重金属工艺与应用　114　
6.2.1　生物诱导同步去除硬度和重金属理论基础　114　
6.2.2　生物诱导同步去除硬度和重金属工艺技术　115　
6.2.3　生物诱导同步去除硬度和重金属工艺应用　124　
6.3　生物法去除暂时硬度工艺与应用　125　
6.3.1　生物法去除暂时硬度理论基础　125　
6.3.2　生物法去除暂时硬度工艺技术　127　
6.3.3　生物法去除暂时硬度工艺应用　128　
参考文献　129　
第7章　基于酸碱平衡曝气水垢控制工艺原理与技术　130　
7.1　结垢成因及控制路径分析　130　
7.2　水中碳酸的形态及转化　132　
7.3　曝气吹脱机理及应用研究　134　
7.4　加酸量模型　137　
7.4.1　加酸量计算模型的建立　137　
7.4.2　加酸量模型的简化　143　
7.5　曝气脱除水中CO2的策略优化与模型研究　145　
7.5.1　曝气吹脱策略的建立与优化　145　
7.5.2　曝气吹脱模型的建立与优化　153　
7.6　新型酸性阻垢剂研发　170　
参考文献　178　
第8章　地下水源水垢控制技术与设备　179　
8.1　概况介绍　179　
8.2　工艺技术的研究与应用　180　
8.2.1　供水系统前端除垢工艺——深层曝气水垢去除工艺装置　180　
8.2.2　供水系统终端除垢工艺　190　
8.2.3　针对硬度超标原水开发的控垢工艺　199　
参考文献　212　
第9章　地表水源水垢控制技术与设备　213　
9.1　地表水水质情况　213　
9.1.1　地表水源水垢问题　214　
9.1.2　常规净水工艺及其局限性　215　
9.2　浊垢同步去除工艺与设备研发　217　
9.2.1　工艺设计　217　
9.2.2　浊垢同除设备的研发　218　
9.2.3　地表水处理过程　219　
9.2.4　设备反冲洗过程　220　
9.2.5　中试处理效果　220　
9.3　地表水水垢问题处理方案　225　
9.3.1　有机结合曝气单元的地表水浊垢同除设备　225　
9.3.2　大型饮用水水垢去除工艺及构筑物　227　
参考文献　230