臭氧/生物活性炭（O3/BAC）通常采用混凝-沉淀-砂濾作為前處理，形成常規(guī)-臭氧/生物活性炭深度處理工藝。混凝、沉淀和砂濾去除了部分有機(jī)物，這些有機(jī)物也可被后續(xù)的活性炭吸附，從而減輕了活性炭的負(fù)擔(dān)，延長了更換周期，降低了制水成本。將常規(guī)工藝作為前處理導(dǎo)致工藝流程較長，不僅占地面積大，運(yùn)行管理也較為復(fù)雜。縮短工藝流程，即短流程是今后工藝改進(jìn)的方向。采用超濾替代常規(guī)工藝作為前處理不僅可以大大縮短工藝流程，還可最大限度地去除藻類，防止藻類被臭氧氧化破裂而釋放胞內(nèi)物質(zhì)（嗅味物質(zhì)和藻毒素）。
有研究表明，在沒有砂濾情況下，活性炭去除有機(jī)物的效果與有砂濾的相當(dāng)。但是，如果沒有砂濾作為活性炭的前處理，勢必對沉淀池的運(yùn)行管理提出更高的要求，且活性炭穩(wěn)定運(yùn)行的不確定性增加。此外，僅取消砂濾對縮短工藝流程的作用有限。殷琪等發(fā)現(xiàn)，超濾-O3/BAC工藝對濁度和藻類的去除效果優(yōu)于常規(guī)-O3/BAC，但對有機(jī)物的去除效果相當(dāng)。劉坤喬等研究表明，超濾-O3/BAC工藝去除CODMn的效果優(yōu)于常規(guī)-O3/BAC。因此，超濾-O3/BAC去除有機(jī)物的效果還需進(jìn)一步確定。此外，為保障供水安全性，也有必要研究該工藝對微量有機(jī)物如可生物同化有機(jī)碳（AOC）、生物可降解溶解性有機(jī)碳（BDOC）等的去除效果。
1、材料與方法
1.1 工藝流程
常規(guī)-臭氧/生物活性炭工藝流程見圖1（a）。處理水量為0.88m3/h，混凝采用三段式機(jī)械攪拌，攪拌槳線速度分別為0.5、0.2、0.1m/s。混凝劑采用聚合氯化鋁，投加量為50mg/L。斜管沉淀池的負(fù)荷為7m3（/m2·h），沉淀時(shí)間為1.5h。砂濾柱高為1.5m，直徑為0.4m，濾速為7m/h。臭氧投加量為1mg/L，臭氧接觸時(shí)間為15min。活性炭柱高為2m，直徑為0.4m，炭層厚為1.8m，濾速為7m/h，空塔接觸時(shí)間為12min。超濾-臭氧/生物活性炭的工藝流程見圖1（b）。臭氧接觸柱和活性炭柱均高為1.8m、直徑為0.2m，材質(zhì)為聚乙烯（PE）。內(nèi)壓式聚醚砜超濾膜面積為6.5m2，采用直接過濾和在線混凝。混凝劑投加量為4mg/L（以Al3+計(jì)）。
1.2 原水水質(zhì)
試驗(yàn)原水為東太湖水，其水質(zhì)如表1所示。
1.3 分析方法
AOC：將測試純種熒光單細(xì)胞菌P17和螺旋菌NOX先后接入待測水樣中進(jìn)行培養(yǎng)，使其生長達(dá)到穩(wěn)定期即最大濃度。采用平板涂布法對菌落計(jì)數(shù)，根據(jù)兩種試驗(yàn)菌株在標(biāo)準(zhǔn)濃度乙酸碳溶液中的產(chǎn)率，用活菌數(shù)和產(chǎn)率來計(jì)算水樣中的AOC濃度。
BDOC：將待測水樣用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至DOC為5mg/L，然后用活性生物砂法曝氣10d，采用TOC-VCPH有機(jī)碳測定儀分別測定原水和活性生物砂處理出水的DOC，其差值為BDOC。
消毒副產(chǎn)物：向待測水樣中投加2mg/L氯，反應(yīng)24h后提取，而后采用安捷倫8890A氣相色譜儀測定三鹵乙酸和鹵乙酸濃度。
三維熒光光譜（EEMs）：采用日立F7100熒光光譜儀，激發(fā)光源為氙燈，激發(fā)波長（λEx）為200~400nm，發(fā)射波長（λEm）為250~550nm，激發(fā)與發(fā)射狹縫寬度分別為10、2nm，掃描速度為12000nm/min。
2、結(jié)果與討論
2.1 對污染物的去除效果
兩種O3/BAC工藝對污染物的去除效果見圖2。
在超濾-臭氧/生物活性炭工藝中，葉綠素a的去除主要由超濾完成，去除率接近90%；而在常規(guī)臭氧/生物活性炭工藝中主要由混凝沉淀完成，去除率不足80%。對于藻類的去除，兩種工藝也呈現(xiàn)出相似的趨勢。常規(guī)工藝對TOC、CODMn、UV254的去除效果均優(yōu)于超濾，但采用超濾作為前處理的臭氧/生物活性炭的去除效果卻優(yōu)于采用常規(guī)工藝作為預(yù)處理的去除效果。一般而言，當(dāng)前處理去除有機(jī)物的效果下降時(shí)，進(jìn)入活性炭的有機(jī)負(fù)荷會(huì)增加，活性炭的去除效果也相應(yīng)得到提升。由于超濾去除有機(jī)物的效果低于常規(guī)工藝，導(dǎo)致了后續(xù)活性炭去除效果的提升，但提升效果遠(yuǎn)超預(yù)期。例如TOC，常規(guī)前處理的活性炭去除率為39%，而超濾前處理的高達(dá)70%，UV254也呈現(xiàn)類似的情況。由此可見，采用超濾前處理的活性炭去除有機(jī)物的效果遠(yuǎn)高于有機(jī)負(fù)荷增加所導(dǎo)致的去除增量。
2.2 AOC和BDOC的去除
兩種O3/BAC工藝去除AOC的效果見圖3。
由圖3（a）可知，常規(guī)-臭氧/生物活性炭的預(yù)臭氧和后臭氧均造成了AOC的大幅增加，盡管活性炭能有效去除AOC，但仍導(dǎo)致出水濃度增加，甚至超過了原水。對于超濾-臭氧/生物活性炭而言，超濾可有效去除AOC，去除率高達(dá)80%。太湖原水中的AOC與其濁度高度相關(guān)，這是由于濁度物質(zhì)多為藻類，而藻源性有機(jī)物是AOC的前體物。盡管后續(xù)臭氧大幅提高了AOC，但系統(tǒng)出水AOC濃度仍遠(yuǎn)低于常規(guī)-臭氧/生物活性炭出水。兩種O3/BAC工藝對BDOC的去除效果見圖4。
由圖4（a）可知，常規(guī)-O3/BAC工藝的預(yù)臭氧造成BDOC大幅增加，這是由于臭氧氧化使藻細(xì)胞破裂，導(dǎo)致了胞內(nèi)有機(jī)物釋放。后臭氧也會(huì)造成BDOC的增加。混凝沉淀和砂濾對BDOC的去除效果明顯，活性炭對其也有較好的去除效果。對于超濾-O3/BAC工藝，超濾也可有效去除BDOC，這是由于超濾有效截留了藻類的緣故。盡管后續(xù)的臭氧導(dǎo)致BDOC大幅增加，但活性炭去除效果優(yōu)異，出水BDOC明顯低于常規(guī)前處理的BDOC。圖4還表明，常規(guī)工藝對BDOC的去除效果優(yōu)于超濾，但超濾前處理的O3/BAC工藝去除效果更優(yōu)。就BDOC總?cè)コ识裕瑸V-O3/BAC工藝為84.7%，優(yōu)于常規(guī)-O3/BAC工藝（64.2%）。由此可見，超濾-O3/BAC工藝有利于控制AOC和BDOC，原因在于超濾有效去除了它們的前體物。
2.3 消毒副產(chǎn)物前體物的去除
2.3.1 三鹵甲烷
兩種臭氧/生物活性炭工藝沿程三鹵甲烷濃度的變化如圖5所示。
對于原水而言，三氯甲烷和二氯一溴甲烷濃度最高，其次為一氯二溴甲烷，三溴甲烷最低。在常規(guī)-臭氧/生物活性炭工藝中，除了預(yù)臭氧單元出水的三鹵甲烷濃度有所下降外，混凝沉淀、砂濾和后臭氧出水的三鹵甲烷濃度均與原水的相似，活性炭單元?jiǎng)t可以大幅降低其濃度。圖5（b）表明，經(jīng)過超濾處理后三鹵甲烷濃度略微上升，經(jīng)臭氧氧化處理后下降，活性炭出水的則大幅下降，并明顯低于常規(guī)前處理的活性炭出水。這說明，采用超濾前處理的臭氧/生物活性炭工藝去除三鹵甲烷的效果明顯優(yōu)于常規(guī)前處理的臭氧/生物活性炭工藝。
BIF反映了溴代消毒副產(chǎn)物在三鹵甲烷中所占比例。測定顯示，對于常規(guī)-臭氧/生物活性炭工藝而言，原水以及預(yù)臭氧、混凝沉淀、砂濾、后臭氧、活性炭出水的BIF分別為0.817、0.867、0.913、0.924、0.959和1.255；而在超濾-臭氧/生物活性炭工藝中，原水以及超濾、臭氧、活性炭出水的BIF分別為0.817、0.880、1.083和1.200。可見，BIF均隨著兩種工藝的流程而增加，但超濾-臭氧/生物活性炭出水的BIF低于常規(guī)-臭氧/生物活性炭的，說明前者更有利于去除溴代消毒副產(chǎn)物。
2.3.2 鹵乙酸
兩種臭氧/生物活性炭工藝沿程鹵乙酸濃度的變化如圖6所示。
圖6（a）表明，預(yù)臭氧和混凝沉淀使鹵乙酸濃度升高，砂濾、后臭氧和活性炭出水濃度則下降。圖6（b）表明，經(jīng)過超濾和臭氧處理后鹵乙酸濃度升高，活性炭則可以大幅降低鹵乙酸濃度，并低于常規(guī)前處理的活性炭出水鹵乙酸濃度。常規(guī)工藝的預(yù)臭氧氧化導(dǎo)致藻細(xì)胞破裂，鹵乙酸的前體物增加；而超濾前處理有效截留藻類，去除前體物，因而超濾-臭氧/生物活性炭去除鹵乙酸的效果優(yōu)于常規(guī)臭氧/生物活性炭工藝。
2.4 三維熒光平行因子分析
三維熒光平行因子分析顯示，太湖水有3個(gè)熒光因子組分，其中，組分1（C1）有2個(gè)熒光響應(yīng)，位于λEx/λEm為226/336和276/320nm處，分別代表類色氨酸和類酪氨酸類物質(zhì)；組分2（C2）的熒光響應(yīng)位于238/348nm處，反映的是類色氨酸類物質(zhì)；組分3（C3）的熒光響應(yīng)位于250/410nm處，反映的是陸源腐殖酸類物質(zhì)。兩種O3-BAC工藝中熒光組分最大強(qiáng)度（Fmax）的沿程變化如圖7所示。
原水中的組分1和組分2的Fmax強(qiáng)烈，而組分3微弱，表明太湖水中的有機(jī)物來自于水生類（如藻類），主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成。常規(guī)工藝中組分1和組分2的Fmax幾乎沒有變化，但組分3的呈下降趨勢，后臭氧導(dǎo)致3個(gè)組分的Fmax均大幅下降，再經(jīng)活性炭處理后僅略微下降。圖7（b）表明，超濾和臭氧對組分1和組分2幾乎沒有影響，組分3也僅略微下降，但經(jīng)過活性炭處理后3個(gè)組分的Fmax均大幅下降，且均低于采用常規(guī)前處理的活性炭。這說明常規(guī)工藝對蛋白質(zhì)類的去除效果極為有限，但可有效去除腐殖酸類有機(jī)物；臭氧/生物活性炭可有效去除蛋白質(zhì)類和腐殖酸類有機(jī)物。超濾作為前處理可有效提升活性炭對蛋白質(zhì)和腐殖酸的去除效果。
3、結(jié)論
①超濾-臭氧/生物活性炭聯(lián)用工藝對濁度、藻類、有機(jī)物（包括CODMn、總有機(jī)碳、UV254以及蛋白質(zhì)、腐殖酸等熒光類物質(zhì)）的去除效果明顯優(yōu)于常規(guī)-臭氧/生物活性炭工藝。
②超濾-臭氧/生物活性炭工藝出水中的AOC和BDOC濃度遠(yuǎn)低于常規(guī)-臭氧/生物活性炭工藝出水，這是由于超濾能夠最大限度地去除它們的前體物（如藻類有機(jī)物）；此外，超濾-臭氧/生物活性炭工藝出水加氯后三鹵甲烷和鹵乙酸生成濃度亦明顯低于后者，表明其對消毒副產(chǎn)物前體物的去除效果更優(yōu)，這與二者對有機(jī)物的去除規(guī)律一致。
③當(dāng)前超濾工藝制水成本已顯著降低（與常規(guī)工藝相當(dāng)），超濾可替代常規(guī)工藝作為臭氧/生物活性炭工藝的預(yù)處理，在未來飲用水處理工藝更新改造中具有良好的應(yīng)用前景。（來源：同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，浙江科技大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院）
