臭氧-生物活性炭工藝處理飲用水研究進(jìn)展

許 兵，李 珂，劉 佳，成小翔，梁金浩，杜建成

(1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250118)

隨著我國(guó)工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)廢水排放量的增加，原水中污染物的濃度也隨之增高，部分地區(qū)的供水水源遭受不同程度的微污染[1]?！?020年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[2]數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)水資源水質(zhì)狀況總體較優(yōu)，但仍有部分河流及湖泊(水庫(kù))處于微污染狀態(tài)，如遼河流域、海河流域、淮河及松花江部分水系、太湖等，主要污染物為化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷等，并且在色度、嗅味等感官性指標(biāo)上較為突出。而隨著新版《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)的發(fā)布，人們對(duì)于生活飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步提高[3]。

面對(duì)國(guó)內(nèi)部分水資源的微污染狀況及嚴(yán)格的飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)處理工藝存在嚴(yán)重的不足及缺陷，選擇合理的深度處理工藝將成為未來(lái)給水行業(yè)的主流趨勢(shì)。臭氧-生物活性炭(O3-BAC)深度處理工藝由于O3的高效氧化作用及BAC的物理吸附、生物降解作用，與常規(guī)處理相結(jié)合處理微污染水源，不僅能夠有效地控制色度和嗅味，而且具備去除多種有機(jī)化合物的能力，已被證明能夠提供高質(zhì)量的飲用水[4]。本文在該工藝對(duì)特定污染物去除機(jī)理、影響因素、問(wèn)題控制方面進(jìn)行了分析總結(jié)，介紹了最新的研究進(jìn)展，并對(duì)今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 工藝對(duì)特定污染物去除機(jī)理

飲用水安全是國(guó)內(nèi)乃至全球關(guān)注的重要問(wèn)題，高品質(zhì)飲用水將是人類不斷追求的目標(biāo)。新版《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》在修訂過(guò)程中進(jìn)一步關(guān)注了嗅味、氨氮、藻類、有機(jī)物、消毒副產(chǎn)物(DBPs)及新興污染物等，而相較于常規(guī)工藝及其他飲用水深度處理工藝，O3-BAC工藝對(duì)以上特定污染物的去除表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，下文將對(duì)其去除機(jī)理進(jìn)行闡述。

1.1 嗅味

嗅味是消費(fèi)者關(guān)注的主要問(wèn)題，近年來(lái)嗅味事故的發(fā)生甚至導(dǎo)致公眾恐慌，使此類問(wèn)題成為水廠的一個(gè)重要問(wèn)題。O3及其產(chǎn)生的羥基自由基(·OH)能夠破壞嗅味物質(zhì)的不飽和鍵，并且經(jīng)過(guò)BAC的過(guò)濾，能夠有效地去除嗅味。Guo等[5]研究認(rèn)為，O3和BAC均能去除嗅味強(qiáng)度為6～6.7、6～7.5、4～5的化糞味、霉味、化學(xué)嗅味，而強(qiáng)度為3.3～4.8、2.3～5.8的青草味、魚(yú)腥味需在BAC階段才可以被去除，另外，沉降及臭氧化過(guò)程可能會(huì)造成嗅味化合物濃度的增加，并且臭氧化還會(huì)產(chǎn)生醛類等新的嗅味化合物，因此，在運(yùn)行過(guò)程中需提高警惕。若常規(guī)處理前有預(yù)臭氧工藝，則砂濾過(guò)程也能去除部分嗅味，并且與BAC階段呈現(xiàn)出功能互補(bǔ)關(guān)系[6]。2-甲基異莰醇(2-MIB)和土臭素(GSM)是水中最常見(jiàn)的致霉味物質(zhì)，但近年來(lái)新型的致嗅味化合物在水環(huán)境中不斷被檢測(cè)出來(lái)，如黃浦江中二惡烷、二氧戊環(huán)等致化糞味/化學(xué)嗅味的化合物[7]，對(duì)于新出現(xiàn)的致不同類型嗅味化合物的檢測(cè)及去除效果將是今后的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1.2 氨氮

圖1 貫涇港水廠二期工程工藝流程[9]Fig.1 Process Flow of the Second Phase Project of Guanjinggang WTP[9]

1.3 藻類

高藻原水中的藻類會(huì)散發(fā)強(qiáng)烈的嗅味，并引起水質(zhì)安全問(wèn)題，目前已經(jīng)受到了水廠的廣泛關(guān)注。O3及其產(chǎn)生的·OH能夠氧化藻類，通過(guò)滅活細(xì)胞及礦化能力可以有效地減少藻類的出水含量及微囊藻毒素的釋放，并且預(yù)臭氧的投加能夠加強(qiáng)其混凝去除效果。近年來(lái)，隨著膜過(guò)濾技術(shù)的興起，超濾在處理高藻原水中表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。劉坤喬等[11]采用混凝/超濾-O3-BAC(CUF-O3-BAC)一體化工藝處理太湖高藻原水，組合工藝對(duì)藻密度和葉綠素a的平均去除率為99.39%和98.75%，相較于其他工藝在處理高藻水方面表現(xiàn)出更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。超濾(UF)置于O3-BAC工藝之前可提高膜的利用率并防止BAC池堵塞，并且在線混凝能夠延緩運(yùn)行過(guò)程中的膜污染問(wèn)題，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.4 有機(jī)物

O3-BAC工藝中O3的作用并不是徹底氧化分解有機(jī)物，而是將大分子難降解的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成小分子可生物降解的溶解性有機(jī)碳(BDOC)及可同化有機(jī)碳(AOC)，提高有機(jī)物的可生物降解性，通過(guò)BAC的物理吸附和生物降解作用進(jìn)一步被去除[12]。沈愷樂(lè)等[13]對(duì)浙江省某水廠對(duì)東太湖微污染原水的處理情況進(jìn)行了研究，表明O3-BAC工藝對(duì)CODMn、UV254、溶解性有機(jī)碳(DOC)和溶解性有機(jī)物(DOM)有明顯的去除效果，去除率分別為13.40%～19.86%、27.27%～56.25%、13.41%～27.82%和33.11%，解決了常規(guī)處理后有機(jī)物超標(biāo)的問(wèn)題。

1.5 DBPs前體物

飲用水氯消毒會(huì)與天然有機(jī)物(NOM)反應(yīng)產(chǎn)生DBPs，且多種DBPs具有致癌性，而常規(guī)處理對(duì)DBPs前體物的去除效果并不理想。O3-BAC工藝中O3可以將高分子量有機(jī)物氧化為低分子量有機(jī)物，并通過(guò)BAC過(guò)濾可以提高氮前體物和有機(jī)碳的去除率。對(duì)于某些前體物，包括部分含氮消毒副產(chǎn)物(N-DBPs)前體物，臭氧化過(guò)程中可能會(huì)促進(jìn)其生成，但它改變了前體物的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)并增加了含氮有機(jī)化合物的生物降解性，這些DBPs前體物會(huì)通過(guò)后續(xù)的BAC過(guò)濾過(guò)程得到較好的降解，突出了O3和BAC的協(xié)同作用[14]。但過(guò)高的O3濃度會(huì)導(dǎo)致微生物釋放可溶性微生物產(chǎn)物(SMPs)和蛋白質(zhì)等有機(jī)物，成為除NOM以外的新DBPs前體物[15]。

需要注意的是，由于前體物的不同化學(xué)性質(zhì)、微生物的不同生物降解能力及其釋放的SMPs的作用等，O3-BAC工藝對(duì)于不同DBPs前體物的去除效果可能存在較大差異。例如Chen等[16]利用上向流生物活性炭(UBAC)過(guò)濾器對(duì)二氯乙腈(DCAN)前體物的去除率為22.5%～34.1%，而對(duì)二氯乙酰胺(DCAcAm)前體物的去除率僅為9.3%～19.1%。此外，臭氧化過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生新的DBPs，如可與溶解性有機(jī)氮反應(yīng)產(chǎn)生N-亞硝基二甲胺(NDMA)，但產(chǎn)率較低，并且臭氧化及后續(xù)的BAC吸附已被證明可降低其前體物濃度以抑制其在氯胺消毒過(guò)程中的產(chǎn)生[17]。目前，關(guān)于O3-BAC對(duì)DBPs前體物的去除效果，關(guān)注點(diǎn)應(yīng)在新興的、不受監(jiān)管的DBPs上，尤其是某些致毒性較大的N-DBPs。

1.6 新興污染物

隨著社會(huì)水平的發(fā)展，水源中頻繁檢測(cè)出持久性有機(jī)污染物(POPs)、內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、抗生素及微塑料等新興污染物。其中POPs主要包括全氟/多氟烷基物質(zhì)(PFASs)等，EDCs包括農(nóng)藥、重金屬物質(zhì)等。新興污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康存在潛在的毒性風(fēng)險(xiǎn)，但由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，常規(guī)工藝對(duì)其處理能力非常有限，而O3-BAC工藝對(duì)新興污染物具有一定的去除效果。表1對(duì)比了O3-BAC工藝對(duì)各類新興污染物的去除機(jī)理及特點(diǎn)。

表1 O3-BAC工藝對(duì)各類新興污染物的去除機(jī)理及特點(diǎn)Tab.1 Mechanism and Characteristics of O3-BAC Process for Various Emerging Pollutants Removal

2 工藝影響因素

O3-BAC工藝的具體凈水效果受多種因素影響，主要包括溫度、O3投加方案、BAC性能及工藝形式等，下文將重點(diǎn)進(jìn)行論述。除此之外，O3接觸裝置、炭濾池結(jié)構(gòu)、水質(zhì)情況等也是影響工藝處理效果的重要因素，針對(duì)不同情況，水廠需根據(jù)中試試驗(yàn)選擇合理的工藝參數(shù)、裝置材料及工藝形式。

2.1 溫度

溫度對(duì)有機(jī)物去除效果的影響并不明顯，主要體現(xiàn)在低溫時(shí)氨氮的去除上，這是由于硝化細(xì)菌相對(duì)于其他菌種對(duì)溫度表現(xiàn)出更強(qiáng)的敏感性。Jantarakasem等[23]以BAC在O3水介質(zhì)中的體積氨氮去除率(VARR)為指標(biāo)，研究表明VARR在20、15、10、5 ℃時(shí)的值分別降低到25 ℃時(shí)的58%、50%、20%、11%，因此，需關(guān)注季節(jié)性氣溫變化對(duì)氨氮去除率帶來(lái)的影響。此外，通過(guò)對(duì)活性炭進(jìn)行改性可提高其低溫下的氨氮去除率。Ren等[24]在10 ℃條件下發(fā)現(xiàn)負(fù)載鐵的生物活性炭(Fe/BAC)優(yōu)化了炭表面的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，增加了嗜冷菌和AOB的豐度，從而提高了低溫條件下氨氮的去除率。

2.2 O3投加方案

2.2.1 O3投加點(diǎn)

O3投加點(diǎn)通常分為預(yù)臭氧投加點(diǎn)和后臭氧投加點(diǎn)，其中預(yù)臭氧投加點(diǎn)設(shè)置在混凝工藝前，后臭氧投加點(diǎn)設(shè)置在BAC工藝前。Yang等[25]比較了預(yù)臭氧-BAC工藝和后臭氧-BAC工藝對(duì)污染物的去除效果，表明預(yù)臭氧-BAC工藝對(duì)CODMn、農(nóng)藥等的去除效果略低于后臭氧-BAC工藝，但在嗅味去除效果方面略優(yōu)，并產(chǎn)生較少的溴酸鹽。通常，預(yù)臭氧與后臭氧在工藝中聯(lián)合使用，后臭氧發(fā)揮主要作用，而預(yù)臭氧可以增強(qiáng)混凝效果、強(qiáng)化嗅味去除及提高BDOC的轉(zhuǎn)化率等[26]，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的O3投加點(diǎn)需根據(jù)原水水質(zhì)來(lái)確定。

2.2.2 O3投加量

O3投加量的影響主要體現(xiàn)在對(duì)有機(jī)物的氧化效果上，而不同指標(biāo)所需的最佳劑量往往存在差異。此外，剩余O3濃度對(duì)后續(xù)BAC吸附性能及微生物活性等也有一定影響。因此，實(shí)際投加量需根據(jù)綜合處理效果進(jìn)行評(píng)估。保持溶解的O3殘留量恒定是一種有效且可靠的劑量控制方案，傳統(tǒng)的控制策略在發(fā)生強(qiáng)烈干擾時(shí)可能會(huì)降低控制性能。Niu等[27]提出了一種將模型預(yù)測(cè)控制(MPC)方法與擾動(dòng)觀測(cè)器(DO)相結(jié)合的有效控制方法，DO用于估計(jì)擾動(dòng)和不確定性，然后使用估計(jì)值進(jìn)行前饋補(bǔ)償，可在臭氧化過(guò)程中顯著改進(jìn)干擾抑制。若僅投加O3對(duì)有機(jī)物氧化能力不足，可采用O3耦合其他高級(jí)氧化工藝，成小翔[28]利用O3-紫外-沸石/活性炭復(fù)合濾池工藝處理淮河微污染水，O3和紫外的協(xié)同作用加快了反應(yīng)速度并提高了有機(jī)物的去除效率。

2.3 BAC性能

2.3.1 BAC參數(shù)

BAC的炭齡、活性炭浸泡時(shí)間、炭床停留時(shí)間等參數(shù)是影響水質(zhì)凈化效果的重要因素。炭齡是影響B(tài)AC吸附性能的重要因素，炭齡越低吸附能力越強(qiáng)。通過(guò)延長(zhǎng)前期活性炭的浸泡時(shí)間，有利于盡快降低出水pH及渾濁度，并減少洗炭次數(shù)[29]。此外，炭床停留時(shí)間對(duì)有機(jī)物的去除有較大影響，隨著停留時(shí)間的增加，有機(jī)物的去除率表現(xiàn)出先增大后趨于平穩(wěn)不變的趨勢(shì)[30]。因此，合理確定BAC的各種工藝參數(shù)，可以顯著提高系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率及出水質(zhì)量。

2.3.2 BAC更換及再生

BAC上微生物對(duì)污染物的降解作用能夠延長(zhǎng)活性炭的生命周期，但隨著使用年限的增加，部分BAC的凈水效果減弱，需進(jìn)行更換或再生。針對(duì)失效BAC的判定依據(jù)，可采用碘值作為基本判定參數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度作為限制性參數(shù)，生物量和生物活性作為輔助參數(shù)，具體數(shù)值需根據(jù)水廠實(shí)際情況予以確定[31]。

若采用更換方式，則需重點(diǎn)考慮更換時(shí)間節(jié)點(diǎn)、更換比例及操作方法等因素對(duì)更換后實(shí)際運(yùn)行效果的影響[32]。BAC更換過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但產(chǎn)生的大量固體廢棄物難以處理，并引起環(huán)境、安全等一系列問(wèn)題，因此，再生技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。相較于熱再生、化學(xué)再生等方式，超聲波再生方式能夠有效地恢復(fù)BAC的比表面積和孔容，并通過(guò)改變生物膜結(jié)構(gòu)提高生物降解性能，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和前景[33]。

2.3.3 BAC替代產(chǎn)物

近年來(lái),生物離子交換樹(shù)脂(BIEX)因其卓越的性能逐漸興起，由于附著微生物對(duì)污染物的降解，BIEX可通過(guò)離子交換連續(xù)去除DOM而不需經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行化學(xué)再生[34]。表2對(duì)BIEX和BAC的性能進(jìn)行了比較。對(duì)于某些原水，BIEX在特定條件下可以替代BAC以提高飲用水處理效果。除BIEX外，生物沸石、生物活性焦及其他吸附材料也可在相應(yīng)的水質(zhì)場(chǎng)合下與BAC進(jìn)行性能比較，并根據(jù)綜合效果判斷其能否作為BAC的替代產(chǎn)物。

表2 BIEX和BAC的性能比較Tab.2 Performance Comparison of BIEX and BAC

2.4 工藝形式

根據(jù)BAC池中的水流方向及其相對(duì)砂濾池的位置，通常將O3-BAC工藝分為前置上向流、后置下向流及中置上向流，其中后置下向流是傳統(tǒng)的工藝形式。表3簡(jiǎn)單歸納了3種工藝形式的優(yōu)缺點(diǎn)。

表3 不同工藝形式優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.3 Comparison of Advantages and Disadvantages of Different Processes

3 工藝問(wèn)題控制

由于O3投加等因素，O3-BAC工藝在運(yùn)行過(guò)程中難免存在某些問(wèn)題，包括微生物泄漏、溴酸鹽生成等。目前，關(guān)于飲用水深度處理工藝，膜過(guò)濾、光催化氧化等也都各有利弊。因此，針對(duì)該工藝的弊端，應(yīng)積極尋找合理、高效的控制措施，并且在控制過(guò)程中需兼顧水質(zhì)變化及經(jīng)濟(jì)成本等問(wèn)題。

3.1 微生物泄漏

O3的投加在一定程度上能夠降低微生物的多樣性及豐度，但會(huì)使水中AOC、BDOC濃度及溶解氧含量迅速增加，因此，在活性炭表面和孔隙中會(huì)孳生大量細(xì)菌及無(wú)脊椎動(dòng)物等，并可能發(fā)生泄漏導(dǎo)致出水微生物指標(biāo)超出限值。研究[43]表明，BAC池中常見(jiàn)的細(xì)菌門包括變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門、藍(lán)細(xì)菌門和浮霉菌門等，并存在輪蟲(chóng)、線蟲(chóng)、劍水蚤等無(wú)脊椎動(dòng)物。此外，供水系統(tǒng)中機(jī)會(huì)性病原體(OPs)的泄漏和擴(kuò)散已成為一個(gè)新的令人關(guān)注的領(lǐng)域[43]。針對(duì)微生物泄漏問(wèn)題，目前已有多種控制措施。

3.1.1 優(yōu)化工藝形式

嘉興市南郊水廠一期工程采用前置式BAC工藝，利用砂濾池對(duì)微生物進(jìn)一步截留，運(yùn)行過(guò)程中出水水質(zhì)穩(wěn)定，未出現(xiàn)微生物泄漏情況[44]。廣州北部水廠采用常規(guī)處理結(jié)合O3-BAC-UF工藝，UF有效去除了包括隱孢子蟲(chóng)、賈第鞭毛蟲(chóng)、細(xì)菌和病毒等在內(nèi)的微生物，并且總體加氯量比同水源的常規(guī)水廠減少約1 mg/L，降低了DBPs的生成，保障了飲用水的安全性，工藝流程如圖2所示[45]。此外，可設(shè)計(jì)其他工藝形式以控制微生物泄漏。

圖2 廣州北部水廠工藝流程[45]Fig.2 Process Flow of Guangzhou North WTP[45]

3.1.2 增設(shè)砂墊層

若采用下流式BAC工藝，可在BAC池下方增設(shè)砂墊層以增加對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物的截留效果，具體效果受砂墊層石英砂粒徑及厚度、濾池濾速等因素影響。由于砂墊層的截留限值，無(wú)脊椎動(dòng)物會(huì)隨著時(shí)間的增加積累滲透，需要定期進(jìn)行反沖洗，并且通過(guò)對(duì)反沖洗方式的優(yōu)化，可以控制炭砂混層及濾池跑炭現(xiàn)象[46]。相較于中置式工藝增設(shè)砂濾池，增設(shè)砂墊層可以節(jié)省投資及占地面積，但對(duì)微生物的截留效果還有待研究。

3.1.3 優(yōu)化活性炭性能

(1)優(yōu)化工藝參數(shù)

活性炭的比表面積、總孔容及粒徑是影響無(wú)脊椎動(dòng)物滲漏的主要因素。比表面積和總孔體積越小，在活性炭上生長(zhǎng)并穿透炭層的無(wú)脊椎動(dòng)物數(shù)量就越少；粒徑越小，無(wú)脊椎動(dòng)物越難以穿透炭層，但粒徑的選擇需結(jié)合考慮反沖洗情況下被沖走的影響[47]。通過(guò)對(duì)活性炭進(jìn)行反沖洗，并選擇合適的反沖洗強(qiáng)度、方式、周期等參數(shù)，能夠去除表面積累老化的生物膜從而降低微生物泄漏量，并且必要時(shí)可采取干池法反沖洗進(jìn)行應(yīng)急處理[48]。

(2)更換活性炭類型

不同制造原料的活性炭對(duì)微生物泄漏的控制能力可能不同。Xing等[49]研究發(fā)現(xiàn)，新興的椰子殼活性炭(CAC)能夠使微生物胞外聚合物(EPS)表現(xiàn)出優(yōu)異特性，包括更強(qiáng)的黏度、更快的絮凝效率、更高的機(jī)械穩(wěn)定性、更多具有長(zhǎng)碳骨架的多糖及細(xì)菌細(xì)胞的結(jié)合位點(diǎn)等。因此，CAC表面形成大范圍致密且相互連接的生物膜，對(duì)微生物絮體和代謝物表現(xiàn)出一定的結(jié)合作用并降低了其泄漏量，并且EPS與CAC的強(qiáng)相互作用增強(qiáng)了生物膜中微生物細(xì)胞外的電子轉(zhuǎn)移及代謝活性。

(3)金屬改性活性炭

研究[50-51]表明，使用Cu、Ag等金屬物質(zhì)改性的活性炭，對(duì)于微生物的大量生長(zhǎng)具有一定程度的抑制效果。然而，金屬物質(zhì)的添加將存在溶出風(fēng)險(xiǎn)，并且會(huì)刺激微生物分泌大量的EPS，表現(xiàn)出較弱的絮凝效率和疏水性，使氯與EPS之間的化學(xué)反應(yīng)更加活躍從而造成DBPs的急劇增加[51]。由于不能同時(shí)保證水質(zhì)的化學(xué)和微生物安全，使用類似金屬物質(zhì)改性活性炭的方案仍存在爭(zhēng)議。

3.1.4 投加化學(xué)物質(zhì)

通常，化學(xué)滅殺、強(qiáng)化消毒等是水廠常用的措施，但消殺劑的大量使用會(huì)影響B(tài)AC的孔結(jié)構(gòu)及生物氧化性，并增加DBPs的生成。Xing等[52]發(fā)現(xiàn)在O3工藝前向水中投加磷酸鹽可以破壞EPS的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)并降低其疏水性，抑制微生物的聚集并削弱它們的抗氯能力，從而控制OPs等致病菌的流出。此外，磷酸鹽使水中懸浮的EPS總量減少，降低了DBPs的生成，但出水總磷濃度會(huì)隨之升高。因此，無(wú)論投加何種化學(xué)物質(zhì)，均需關(guān)注其對(duì)水質(zhì)帶來(lái)的變化。

3.2 溴酸鹽生成

3.2.1 優(yōu)化O3投加方案

3.2.2 投加H2O2

H2O2的投加量需根據(jù)H2O2/O3的值進(jìn)行確定。H2O2/O3的值受Br-濃度、有機(jī)物含量等因素影響。此外，投加H2O2能夠增強(qiáng)對(duì)嗅味、有機(jī)物的去除[55]，但會(huì)影響三鹵甲烷前體物的去除效果[56]，并造成醛類物質(zhì)濃度的升高[57]。因此，考慮到原水水質(zhì)的不同，合理的H2O2/O3值需要根據(jù)中試試驗(yàn)做進(jìn)一步判斷，一般將H2O2/O3控制在0.5～1.0。

3.2.3 投加NH3、Cl2-NH3、NH3-Cl2

3.2.4 催化臭氧化

3.2.5 其他措施

3.3 其他問(wèn)題

3.3.1 抗生素耐藥菌(ARB)及耐藥基因增加

O3-BAC工藝運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)造成水中ARB的顯著增加。Bai等[61]研究認(rèn)為，抗生素耐藥基因(ARGs)在BAC生物膜中不同菌種之間的轉(zhuǎn)移，是導(dǎo)致更多細(xì)菌獲得抗生素抗性的主要原因。因此，O3-BAC工藝并不比傳統(tǒng)的混凝+沉淀工藝更適合去除ARGs，并且氯消毒過(guò)程不再是對(duì)抗ARB和ARGs的最后一道防線，這突出了對(duì)新型高效水凈化技術(shù)的需求。

3.3.2 出水pH降低

由于O3氧化生成有機(jī)酸、微生物代謝過(guò)程釋放CO2，并且BAC使用過(guò)程中官能團(tuán)數(shù)會(huì)減少而影響其酸堿緩沖效果，出水pH可能降低，如果原水堿度不足則會(huì)變成酸性。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中常采用多點(diǎn)加堿的方式。Lu等[62]開(kāi)發(fā)了一種調(diào)節(jié)pH的新方法：先將活性炭在氫氧化鈉溶液中浸泡改性，使其pH達(dá)到理想值，然后在砂濾器進(jìn)水中投加石灰，將進(jìn)水的pH控制在一定值，該方法已在中試試驗(yàn)和自來(lái)水廠得到了證實(shí)。

3.3.3 耦合膜過(guò)濾工藝中膜污染

O3-BAC耦合膜過(guò)濾是水廠中常見(jiàn)的工藝類型，用于防止微生物泄漏及實(shí)現(xiàn)更高效的水質(zhì)凈化等。并且O3-BAC預(yù)處理可減少DOC的低表觀分子量部分并增加DOM的平均斯托克斯半徑，因此，膜結(jié)垢主要是餅層形成而不是孔堵塞，從而使穩(wěn)定通量更高[63]。然而，BAC減少了有助于減輕膜污染的殘留O3、釋放了SMPs，并且O3對(duì)BAC生物膜和吸附組分的化學(xué)氧化作用產(chǎn)生了污垢[64-65]，因此，需采取措施控制BAC造成的膜污染。

Yu等[66]提出了O3+UF+H2O2的方案，即在UF前用0.4 mg/L的 O3預(yù)處理，并用8 mg/L的H2O2反沖洗來(lái)殺滅附著在膜表面的細(xì)菌。Aryai等[67]研究認(rèn)為，將磁性離子交換樹(shù)脂(MIEX)與BAC聯(lián)合使用進(jìn)行納濾膜過(guò)濾前的預(yù)處理，MIEX可有效減少水中的高分子量污染物，并且按MIEX-BAC順序組合可使膜穩(wěn)定通量更高。此外，O3/陶瓷膜-BAC工藝將臭氧化和膜過(guò)濾結(jié)合到一個(gè)反應(yīng)器里，有助于減輕膜污染及降低BAC負(fù)荷，并且陶瓷膜由于其優(yōu)越的物理和化學(xué)穩(wěn)定性可以抵抗O3氧化及清洗劑的清洗，但將膜過(guò)濾前置需判斷微生物泄漏風(fēng)險(xiǎn)。該一體化工藝因出水水質(zhì)穩(wěn)定、抗污染能力強(qiáng)、占地面積小，可用于農(nóng)村分散供水。圖3為某農(nóng)村全自動(dòng)化飲用水處理系統(tǒng)工藝流程[68]。

圖3 某農(nóng)村全自動(dòng)化飲用水處理系統(tǒng)工藝流程[68]Fig.3 Process Flow of a Rural Fully Automated Drinking Water Treatment System[68]

4 結(jié)語(yǔ)

(1)O3-BAC工藝對(duì)于污染物的去除機(jī)理主要?dú)w結(jié)于臭氧化、BAC吸附及生物降解作用，工藝對(duì)不同污染物的去除機(jī)理可能存在顯著差異。因此，研究工藝對(duì)特定污染物的具體去除機(jī)理，并通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行條件提高去除效果，將是O3-BAC工藝面對(duì)新興污染物治理背景下的重點(diǎn)研究方向。

(2)O3-BAC工藝運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題不可避免，未來(lái)仍需不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并優(yōu)化控制措施。通過(guò)投加化學(xué)物質(zhì)對(duì)工藝進(jìn)行改善的方案，如改良活性炭性能及控制溴酸鹽生成等，需考慮到其對(duì)微生物及水質(zhì)帶來(lái)的負(fù)面影響，因此，尋找實(shí)現(xiàn)最佳效果的平衡點(diǎn)至關(guān)重要。

(3)O3-BAC耦合膜過(guò)濾組合工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)的進(jìn)一步凈化，并且隨著UF膜經(jīng)濟(jì)成本降低，具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，膜過(guò)濾的位置及工藝形式需根據(jù)水源水質(zhì)、重點(diǎn)污染物的去除、出水指標(biāo)及其他因素來(lái)確定，切勿生搬硬套。

(4)隨著B(niǎo)IEX等產(chǎn)物的興起，BAC的發(fā)展將面臨巨大挑戰(zhàn)，可作為微生物載體的新型吸附材料的制備及BAC的改性增強(qiáng)將是今后的研究熱點(diǎn)。另外，若對(duì)它們進(jìn)行性能比較，應(yīng)重點(diǎn)圍繞重點(diǎn)污染物去除、運(yùn)行穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)成本等方面。新材料將有可能在特定條件下成為BAC的替代產(chǎn)物。