臭氧-生物活性炭(O₃-BAC)技术是国内外应用较为广泛的饮用水净化深度处理工艺,近年来,砂滤池置于臭氧-生物活性炭工艺之后的工艺流程得到应用^[1] 。山东某水厂采用了臭氧-上向流生物活性炭池-砂滤的深度处理工艺,上向流生物活性炭池运行方式具有处理效率较高且水头损失低的特点,与后置的砂滤池串联运行可以降低出水浊度和微生物泄漏风险^[[2] 。国内对前置砂滤-臭氧-生物活性炭工艺的运行积累了一些经验^[3] ,但关于臭氧-上向流生物活性炭-砂滤工艺长期运行效果及浊度影响的研究和报道较少,本文结合水厂实际生产运行,对该问题进行探讨。

　　 水厂工艺流程见图1。

　　 试验取样时间历时一年(为9月到第2年的9月),水温为2~28℃,pH为7.9~8.5。生产运行进水量为20万m³/d,三级臭氧投加比为3∶1∶1,停留时间为15 min,活性炭池采用上向流运行,炭层高度约为3m,滤速约为8m/h。

　　 取样期间由于高密度沉淀池进行运行优化调整,所以沉淀池出水浊度较高且变化较大,造成臭氧接触池进水浊度在1.75~7.50NTU变化,具体变化如图2所示。

　　 主要针对试验期间沉淀池出水浊度变化大的状况,分析臭氧-生物活性炭-砂滤组合工艺各单元对有机物的去除效果以及溴酸盐的形成风险。

　　 试验期间组合工艺对COD_Mn、UV₂₅₄及TOC的去除效果(各单元进出水值及去除率)如图3~图8所示。

　　 图3和图4反映的是不同进水浊度下组合工艺对COD_Mn的去除效果。从图3来看,臭氧进水中COD_Mn保持在2.04~3.22 mg/L,出水COD_Mn在0.55~1.89mg/L,各个单元对COD_Mn均有一定的去除效果,组合工艺出水COD_Mn平均为1.25mg/L。从图4可看出,进水浊度的变化对组合工艺影响不大,组合工艺对COD_Mn的去除效果随温度变化较大,冬季气温较低,活性炭及石英砂表面微生物新陈代谢减慢,活性降低,去除率较低,砂滤无明显去除效果,总去除率在25%左右。夏季随着温度的升高,微生物作用增强,活性炭及砂滤去除率升高,总去除率回升至60%以上。

　　 从图5来看,臭氧进水UV₂₅₄为0.038~0.050cm^-1,组合工艺出水UV₂₅₄为0.006~0.029cm^-1,平均为0.017cm^-1。臭氧对UV₂₅₄的去除效果最明显^[4] ,活性炭出水和砂滤出水中UV₂₅₄基本一致,砂滤对UV₂₅₄无明显去除效果。组合工艺对UV₂₅₄的去除效果随温度变化较大,冬季气温较低,总去除率在26%左右。3月份之后总去除率稳定在60%左右。

　　 试验期间组合工艺对TOC的去除效果见图7和图8。由图7可知,臭氧进水与出水TOC含量基本不变,保持在2.01~2.67mg/L,组合工艺出水TOC平均为1.54mg/L。生物活性炭对TOC的去除效果较为明显,但也受温度变化的影响,2月去除率最低达到13.0%,随着温度的升高,去除率逐步稳定在35%左右,说明生物活性炭附着更多微生物,有利于TOC的去除^[5] 。砂滤对TOC去除效果不明显,组合工艺总去除率冬季最低为13.7%,7月份高达50.0%。

　　 在进行试验的一年中,有约一半时间臭氧接触池的进水浊度大于2.0 NTU,在10月至12月期间,臭氧池进水浊度在3.0~7.5NTU。臭氧池进水浊度小于4 NTU时,组合工艺出水COD_Mn、UV₂₅₄和TOC的平均含量分别为1.25 mg/L、0.017cm^-1、1.54mg/L;在高密度沉淀池进行参数优化期间,臭氧池进水浊度出现了大于4NTU(最高7.5NTU)的情况,此阶段组合工艺出水水质仍比较稳定,COD_Mn、UV₂₅₄和TOC平均含量分别为1.34mg/L、0.015cm^-1、1.47mg/L,砂滤池出水浊度在0.14~0.27NTU,活性炭池与砂滤池的运行及反冲洗周期也未受到浊度变化的影响。组合工艺对有机物去除率的变化趋势并没有同浊度的变化呈现相关的规律性,有机物去除率的变化趋势同季节(温度)变化规律一致。说明组合工艺对COD_Mn、UV₂₅₄及TOC的去除效果基本没有受到进水浊度变化的影响,影响组合工艺去除效率的主要因素是温度。

　　 长期运行结果显示,臭氧池进水浊度在4NTU以下变化时,不会引起臭氧-生物活性炭-后置砂滤工艺各指标的去除率的变化,即使在短时间内浊度出现4~7.5NTU的变化,仍然可以维持较好的处理效果,说明这种工艺具有较好抵抗浊度冲击的能力。

　　 当水中含有一定量的溴离子(Br^-)时,臭氧化过程中可能会生成可致癌的臭氧化副产物溴酸盐^[6,7],溴酸盐的生成风险与控制越来越成为人们关注的焦点。引黄水库水含有溴离子,因此,该水厂深度处理工艺设计采用了在臭氧池投加H₂O₂的O₃/H₂O₂高级氧化技术以控制溴酸盐的产生^[8] ,实际运行中根据需要投加H₂O₂。试验期间水厂运行采用仅投加臭氧(臭氧投加量为1mg/L)而不投加H₂O₂的氧化模式。经过对水厂进出水的长期检测,进水中Br^-含量在80~110μg/L,在未投加过氧化氢、臭氧投加量为1mg/L时,经过臭氧-生物活性炭-砂滤组合工艺处理后,出水中溴酸盐的含量均低于5μg/L。这可能有两方面的原因:1臭氧的投加量少,不足以生成较多的溴酸盐,这与张怡然预臭氧化消毒副产物生成特性和控制技术研究结论一致^[9] ,其研究发现,在初始臭氧浓度为1.048mg/L,反应时间在5min与10min的预臭氧化出水中虽然检测到溴酸盐的生成,但生成量均较小;2引黄水库水中含有适量的氨氮(0.20 mg/L左右),Br^-臭氧氧化过程中生成的次溴酸迅速与氨反应生成一溴氨,一溴氨再被臭氧缓慢氧化分解出Br^-[10] ,氨阻断了Br^-由次溴酸生成溴酸盐的反应途径,使得溴酸盐的生成量减少。同时,水中天然有机物对臭氧的竞争作用也会减小溴酸盐生成量^[11] 。因此,经过长期运行,水厂运行中虽然没有投加H₂O₂,但组合工艺出水溴酸盐含量低,符合国家水质标准的要求。

　　 (1)沉淀池出水浊度在3.0~7.5NTU的条件下,浊度变化对组合工艺的运行基本没有影响,臭氧-生物活性炭-砂滤组合工艺可以承受此范围的浊度变化冲击。臭氧进水浊度小于4NTU时,组合工艺出水中COD_Mn、UV₂₅₄和TOC的含量分别为1.25mg/L、0.017cm^-1和1.54 mg/L,满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。

　　 (2)长期运行结果显示,组合工艺对有机物的去除效果随季节变化,冬季去除率较低,较高的温度有利于水中有机污染物的去除。其中冬季期间对COD_Mn、UV₂₅₄和TOC的总去除率分别为25%、26%和14%,夏季分别为60%、60%和50%。

　　 (3)在臭氧投加量为1 mg/L、没有投加H₂O₂的氧化模式下,组合工艺出水溴酸盐浓度长期均低于5μg/L,符合国家水质标准的要求。