以臭氧生物活性炭为核心的工艺是目前我国饮用水深度处理的主流工艺。该主流工艺的流程多数采用预臭氧-混凝沉淀-砂滤-主臭氧-活性炭-消毒。预臭氧通常位于工艺的最前端, 它的作用通常认为是氧化有机物, 助凝以及除藻作用^[1,2,3,4]。但是, 预臭氧的作用可能并不仅限于此, 它是否会影响后续工艺如砂滤, 甚至活性炭, 鲜有报道涉及这方面的研究, 预臭氧的这种作用效果可以用“协同作用”来表述。以全流程的协同作用来看待以及优化预臭氧投加量非常值得研究, 协同作用可使处理工艺发挥最佳的处理效果。

　　 试验工艺流程为预臭氧-混凝沉淀-砂滤-主臭氧-活性炭, 试验规模为3 m³/h, 如图1所示。预臭氧接触反应柱内径0.22 m, 高度5.5 m, 接触时间4 min。臭氧发生器采用赛莱默公司的GSO10型臭氧发生器。机械混合池的有效容积为0.025 m³, 高度0.7 m, 反应时间30 s。絮凝池为穿孔旋流式, 有效容积1.152 m³, 絮凝时间20 min, 絮凝的平均速度梯度G=34.54 s^-1。斜管沉淀池的有效体积0.825 m³, 沉淀时间30 min。砂滤柱的内径0.7 m, 高度3.3 m, 砂滤层高度1.25 m, 滤速8 m/h。主臭氧接触反应柱尺寸与预臭氧相同, 臭氧接触反应时间12 min。活性炭柱的内径0.6 m, 高度4.8 m, 炭层高度2.4 m, 滤速10.6 m/h。

　　 浊度采用HACH2100P浊度仪, 高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾法, 总有机炭 (TOC) 采用岛津TOC-VCPH测定仪, 生物可降解有机物 (BDOC) 采用活性生物砂静态培养法测定^[5]。

　　 试验的原水采用太湖水, 试验期间的主要水质指标如表1所示。

　　 混凝剂采用聚氯化铝, 投加量为30 mg/L。主臭氧投加量为0.5 mg/L。改变预臭氧投加量0, 0.5 mg/L, 1.0 mg/L, 1.5 mg/L以及2.0 mg/L, 考察预臭氧对后续及深度工艺去除不同水质指标的效果。

　　 预臭氧对浊度的去除效果如图2所示。由图2可见, 预臭氧有明显的助凝作用, 当臭氧投加0.5 mg/L时, 混凝去除浊度的效果从没有预臭氧的69%提高至84%, 随着投加量的增加, 去除率缓慢下降, 但高于没有预臭氧的。预臭氧似乎对砂滤去除浊度没有帮助。

　　 预臭氧投加量的变化与后续的混凝以及砂滤去除DOC如图3所示。臭氧投加量的增加对混凝去除有机物似乎影响不大, 有机物去除率虽有波动, 但没有看到明显的增加趋势。但是, 砂滤去除有机物的效果却随着预臭氧投加量的增加而增加, 只是在投加量为2 mg/L时, 出现了下降。

　　 考察预臭氧投加量变化对BDOC的影响。当没有预臭氧时, 混凝和砂滤反而导致BDOC的增加。实施了预臭氧, 预臭氧出水的BDOC增加, 在投加量为1 mg/L时, BDOC达到了最高值, 随着投加量的继续增加, 预臭氧出水的BDOC有所下降。预臭氧明显有助于混凝去除BDOC。没有预臭氧时, 混凝沉淀不仅无法去除BDOC, 反而出现了负值。当投加量为0.5 mg/L时, 混凝去除BDOC的效果高达51%, 随着投加量增加到1 mg/L, 去除效果下降到42%, 随后出现波动。

　　 没有预臭氧时, 砂滤对BDOC没有任何的去除效果, 一旦实施了预臭氧, 砂滤便表现出了去除能力, 并随着预臭氧投加量的增加而增加。在投加量为1 mg/L时, 去除率高达42%, 随后下降。对于NBDOC, 混凝去除出现了较为剧烈的波动, 但无论是否投加臭氧以及改变臭氧投加量, 砂滤对NBDOC没有表现出任何去除作用, 甚至出现增加的现象。

　　 如果综合考虑预臭氧-混凝沉淀-砂滤去除有机物的效果, 可以发现对于不同的有机物, 最佳去除效果随着预臭氧投加量的变化而变化。对于BDOC, 预臭氧投加量为0.5 mg/L时, 去除效果最好, 高达50%;对于DOC和NBDOC, 预臭氧投加量为1.5 mg/L时, 去除效果最好, 分别为31%和32%。

　　 由此可见, 预臭氧能明显促进混凝去除BDOC, 不仅如此, 这种作用会继续延伸到砂滤, 使砂滤表现出良好的去除效果, 这与许多研究结果相似。然而石晶晶等人对长江水的试验研究发现, 随着预臭氧的投加量提高, 混凝去除BDOC的效果反而下降, 但砂滤去除效果增加^[6]。

　　 预臭氧投加量对常规工艺去除COD_Mn的作用和影响如图4所示。随着臭氧投加量的增加, 混凝和砂滤去除效果增加, 但砂滤的增加幅度明显高于混凝, 说明预臭氧可有效提升砂滤去除COD_Mn的效果。

　　 图5为不同的预臭氧投加量下的主臭氧和生物活性炭去除有机物效果, 主臭氧投加量为0.5 mg/L。由图5可见, 随着预臭氧投加量的增加, 主臭氧的DOC呈增加趋势, 但这没有影响到活性炭对DOC的去除。没有预臭氧时, 生物活性炭去除DOC效果为55%, 一旦有预臭氧, 处理效果提高到了61%, 在0.5～1.5 mg/L范围内, 去除效果基本保持不变, 但投加量增加至2 mg/L, 出现了下降。

　　 对于BDOC, 没有预臭氧时, 主臭氧后的BDOC最大, 但有预臭氧后, BDOC随之大幅下降, 然后随着投加量的增加而增加。没有预臭氧的情况下, 前面的混凝和砂滤不仅没有去除BDOC, 反而使其增加, 加之主臭氧的氧化作用, 导致进入活性炭的BDOC大大增加, 加重了活性炭的负担。由图5可见, 无预臭氧的情况下, 活性炭去除BDOC的效果较差, 一旦实施了预臭氧, 活性炭几乎去除所有BDOC, 随着预臭氧投加量的增加, 主臭氧后的BDOC逐渐增加, 活性炭仍然保持全部去除的效果, 但预臭氧投加量增至2 mg/L时, 活性炭的去除率下降。这说明活性炭去除效果与进入BDOC的量有密切关系, 而进入活性炭的BDOC又与预臭氧的投加量有关。

　　 预臭氧却造成活性炭去除COD_Mn效果的下降。从图6可明显看出, 预臭氧投加导致主臭氧的COD_Mn降低, 尽管主臭氧投加量不变。由此可见, 预臭氧导致活性炭去除效果的下降是主臭氧的COD_Mn降低的缘故。而其中的部分本应该为活性炭所承担, 预臭氧导致活性炭去除效果下降并非负面, 本应活性炭承担去除的部分为常规处理去除, 而这部分有机物多为非生物降解, 因而会有效延长活性炭的服务年限。

　　 预臭氧投加量对深度处理工艺去除有机物效果的影响如图7所示。预臭氧对常规处理和深度处理的影响是不同的。常规去除DOC的最佳投加量为1.5 mg/L, 而深度的为0.5 mg/L。对于整个工艺而言, 预臭氧的最佳投加量为1.5 mg/L。常规工艺反而起了决定性的作用。

　　 由图7可见, 预臭氧明显有利于去除BDOC, 预臭氧投加量在1～1.5 mg/L时, 去除效果最好, 可达84%。

　　 从图7可明显看出对于NBDOC, 常规处理与深度处理之间的互补关系。当常规去除NBDOC的效果下降时, 深度处理去除效果提高。生物活性炭去除NBDOC是依靠吸附去除的, 因此, 深度处理去除NBDOC的效果好, 对于活性炭的运行年限来说是不利的。由此可见, 提高常规处理去除NBDOC会减少生物活性炭去除, 这有利于延长活性炭的运行年限。总去除和深度去除的最佳预臭氧投加量为1.5 mg/L, 去除率分别为67%和32%。深度处理去除的最佳预臭氧投加量为0.5 mg/L, 去除率为53%。

　　 图8表明, 预臭氧提升了常规处理去除COD_Mn效果, 但降低了深度处理去除COD_Mn效果。就整体而言, 预臭氧提高了对COD_Mn的去除效果。

　　 太湖水的荧光响应区域如图9所示。将荧光响应区间分为T区、B区、C区和A区, T区反映微生物产物, B区反映蛋白质类, C区反映腐殖酸类以及A区反映富里酸类。各个荧光响应区域的强度如图10所示, B区的响应最为强烈, 其次为T区和A区, C区的响应最弱。

　　 预臭氧对荧光响应的影响如图11所示。对于常规处理部分 (预臭氧-混凝沉淀-砂滤) , 随着臭氧投加量的增加, A区和C区的荧光响应去除效果明显增加, 说明预臭氧可强化疏水性有机物的去除。对于B区和T区, 投加臭氧后, 去除率出现下降再缓慢上升的趋势, 表明预臭氧对蛋白质类有机物去除效果较差。深度处理 (后臭氧-活性炭) 去除荧光的效果随臭氧投加量的增加而下降, 对A区和C区的下降尤为明显。就整个工艺的去除荧光效果而言, 随着臭氧投加量的增加而下降。

　　 综上所述, 预臭氧不仅影响了混凝, 而且有效提升了砂滤的去除有机物效果。这可能是由于预臭氧大大增加了水中的溶解氧, 使砂滤变为生物砂滤池的缘故。这可从砂滤仅可去除BDOC, 而不可去除NBDOC的事实得到佐证。不仅如此, 预臭氧还对主臭氧生物活性炭产生很大的影响, 它降低了活性炭的去除有机物效果, 从积极意义上说, 它减轻了活性炭的负担, 这可能延长了活性炭的运行年限。从深度工艺的整体而言, 预臭氧提高了有机物的去除效果, 并存在最佳的投加量。由此可见, 预臭氧对后续的各个技术环节以及深度工艺的去除效果都产生了很大的影响, 它们之间存在“协同作用”, 此外, 它还可优化深度工艺去除有机物。预臭氧的协同作用必须从整个工艺上进行审视, 它启发我们从一个新的角度来重新认识预臭氧的作用, 并对进一步优化深度工艺提供有益的帮助。

　　 试验以太湖水为对象, 开展了预臭氧对深度工艺去除有机物的影响和作用研究, 结论如下:

　　 (1) 预臭氧有较好的助凝效果, 但对砂滤去除浊度没有帮助。

　　 (2) 预臭氧对混凝去除有机物的帮助不大, 但有助于砂滤去除BDOC。

　　 (3) 预臭氧提高进入生物活性炭的BDOC量, 提高活性炭去除BDOC的效果。

　　 (4) 预臭氧可以有效提高深度工艺去除有机物的效果, 特别是对BDOC的去除, 最佳预臭氧投加量为1.5 mg/L。

　　 (5) 三维荧光的分析表明, 预臭氧可提高常规工艺去除疏水性有机物的能力。