城市水廠BAC/UF 工藝和臭氧/BAC工藝對比

邱曉瑩

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

1 引言

隨著人們對飲用水水質要求的提高，深度處理工藝應用越來越廣泛，活性炭/超濾（BAC/UF）和臭氧/活性炭（臭氧/BAC）是目前應用廣泛的2 種主流的深度處理工藝[1]。生物活性炭可有效去除水中的有機物、顆粒物、氨氮和微污染物，但在其運行過程中可能積累致病性細菌和病毒，降低了飲用水的安全性[2]。超濾膜有很好的分離功能，可有效去除水中的顆粒物，提高飲用水的微生物安全性，但超濾對溶解性有機物和氨氮的去除效果較差。臭氧可提高水中的溶解氧，從而提高BAC 對有機物和氨氮的去除率，尤其是其對UV254①UV254 nm：有機物在254 nm 波長紫外光下的吸光度，反映水中天然存在的腐殖質類大分子有機物以及含碳碳雙鍵和羰基的芳香族化合物的多少。有較好的去除作用，但臭氧可能會影響BAC 內微生物的活性，導致BAC 出水亞硝酸鹽積累。目前，關于2 種飲用水深度處理工藝的優缺點、使用條件以及針對的目標污染物對比研究較少，使得在城市水廠設計時，深度處理工藝的選擇成為難題之一。

本文通過對生產中BAC/UF 和臭氧/BAC 工藝的水中有機物、濁度、顆粒數、微生物以及微污染物嗅味物質等各項指標進行對比，總結2 種工藝的優缺點，為今后城市水廠設計過程中工藝的選取提供參考依據。

2 材料與方法

2.1 工藝背景

以BAC/UF 工藝為深度處理工藝的南方水廠A。水源由江水、水庫水組成，主要存在嗅味、有機物等污染問題。另外，當地常年氣溫較高，微生物滋生較嚴重，因此，微生物安全問題也需要妥善解決。該水廠設計規模4×104m3/d，采用混凝/斜管沉淀/BAC/UF 處理工藝，混凝劑投加量為1.2 mg/L，活性炭濾池采用破碎活性炭，每天進行水沖，每24 d 進行1 次氣、水三階段反沖；超濾膜為PVDF 中空纖維膜，采用壓力式死端過濾模式，膜組件反沖洗周期為75 m in，反沖時間5 m in。

同地區以臭氧/BAC 為深度處理工藝的水廠B。設計規模5×105m3/d，采用混凝/沉淀/砂濾/臭氧/BAC 處理工藝，主臭氧投加量為1～2 mg/L，活性炭濾池采用柱狀炭，炭層高度2 m，空床接觸時間12 m in，采用氣、水二階段反沖方式，反沖洗周期48 h。

2.2 實驗方法

定期采集A、B 水廠工藝的進水和出水，分析理化指標、有機物指標、微量污染物指標和微生物指標。采集2 種工藝的活性炭樣品，進行微生物高通量測序，分析2 種工藝活性炭中微生物群落結構的差異。同時，采集BAC/UF 工藝中的BAC進水和出水以及膜出水中的微生物樣品，進行高通量測序，分析BAC 進水、BAC 和BAC 出水中微生物的差異。

3 結果與討論

3.1 有機物指標

2 個水廠的原水TOC（總有機碳）基本維持在1.7 mg/L，2個水廠之間并無明顯差異，A 水廠和B 水廠對TOC 的平均去除率分別為41.8%和45.3%，A、B 水廠的BAC 池出水TOC 平均為1.24 mg/L 和0.92 mg/L。A 水廠和B 水廠的原水UV254區別較大，B 水廠UV254 顯著高于A 水廠，分別平均約為0.039 cm-1和0.060 cm-1，兩水廠UV254的平均去除率為56.5%和80.6%，出廠水UV254分別約為0.017 cm-1和0.012 cm-1。綜上，采用臭氧/BAC 工藝的B 水廠對TOC 和UV254的去除效果優于采用BAC/UF 工藝的A 水廠，特別是臭氧/BAC 對UV254的控制顯著BAC/UF。

3.2 顆粒物指標

A、B 兩水廠均可使濁度降低99%以上，處理后濁度平均為0.05 和0.09，深度處理工藝可以很好地控制濁度。

A 水廠出水顆粒物含量約為19 個/m L，遠低于B 水廠的67 個/m L，膜工藝可有效去除顆粒物[3]。由圖1 可知，超濾膜出水顆粒數與BAC 池出水顆粒數沒有顯著相關性，當BAC 出水顆粒數高達900 個時，膜出水顆粒數仍小于50 個/m L。圖2顯示，經過臭氧氧化后，顆粒數增加了約24%，投加臭氧后TOC 降低，說明臭氧氧化了有機物，可能是臭氧氧化了大粒徑顆粒物，使其變成多的小粒徑顆粒物，導致顆粒數增大；經過BAC 池后顆粒數量增多了8%，可能是活性炭破碎后小粒徑炭、脫落的微生物以及穿透BAC 床的顆粒物進入水中，導致BAC 出水顆粒數增加。這些顆粒物中可能存在致病細菌和病毒，降低了飲用水的安全性[4]。對兩水廠出水細菌總數進行監測，A水廠出水未檢測到細菌，而B 水廠則出現過100 個/L 的情況。由長期生產數據可知，BAC/UF 工藝出水生物安全性高于臭氧/BAC 工藝，其主要原因是超濾膜對顆粒物有良好的去除效果，同時，BAC 床運行過程中可能出現微生物脫落泄漏等情況。

圖1 A水廠各工藝對顆粒數的影響

圖2 B水廠各工藝對顆粒數的影響

3.3 微生物指標

3.3.1 生物量

將BAC、BAC 進水、BAC 出水中的微生物利用0.22 μm濾膜過濾后提取總DNA，結果顯示，混凝沉淀/BAC 工藝中，活性炭中的微生物總DNA 量為0.06 μg/g 濕活性炭，對應的臭氧/BAC 工藝中，活性炭中的微生物總DNA 量為0.22 μg/g濕活性炭。臭氧/BAC 工藝中較高的微生物總DNA 量與臭氧有關。臭氧一方面氧化了有機物，提高了生物的可生化性，另一方面，臭氧的投加過程提高了BAC 進水的溶解氧，而飲用水處理中的微生物多為好氧微生物，因此，有利于BAC中微生物的繁殖。BAC 出水的微生物總DNA 量（0.28 μg/L）顯著低于進水（0.68 μg/L），說明BAC 過濾可截留相當一部分微生物。

3.3.2 生物分類組成

分析兩水廠BAC/UF 和臭氧/BAC 工藝中BAC 和進出水中門級別的微生物分類學組成。總共確定了32 個門中的微生物，其中BAC/UF 工藝中BAC、臭氧/BAC 工藝中BAC、進水、出水中分別發現了27 個、28 個、22 個和20 個門的微生物。BAC 中的微生物種類明顯高于進出水，說明微生物在BAC 中具有富集作用。

3.4 微污染物指標

3.4.1 嗅味物質

土臭素和二甲基異莰醇是目前報道最多的引起飲用水嗅味物質。其均為飽和環叔醇類物質，是放線菌和藍綠藻的二級代謝物,具有揮發性。對兩水廠的2-M IB（2-甲基異茨醇）和GSM（土臭素）進行檢測，發現GSM 均低于檢出限（10 ng/L），2-M IB 含量偏高，故兩水廠土霉味的主要來源是2-M IB。Lalezar 等發現，GSM 在水中的溶解度低于2-M IB，活性炭對GSM 的吸附量遠高于2-M IB[5]。圖3 為A 水廠和B 水廠各流程出水2-M IB 的含量。A 水廠采用BAC-UF 工藝，混凝沉淀可去除部分2-M IB，但是經過BAC 池處理后2-M IB 有所增加，根據A 水廠BAC 池進出水以及BAC 微生物分類組成，其BAC 池中存在的藻類和放線菌可能產生嗅味物質，超濾膜對2-M IB 有一定的去除作用，對2-M IB 的去除原理主要是吸附作用[6]。B 水廠BAC 池出水2-M IB 減少，可能是活性炭吸附作用和炭池中微生物的分解作用。綜上，臭氧/BAC 深度處理工藝對嗅味物質的去除效果較好。

圖3 A水廠和B水廠各工藝對2-MI B的去除效果

4 結論

1）臭氧/BAC 對TOC 和UV254的去除效果優于BAC/UF，其對TOC 和UV254的去除率為45.3%和80.6%，高于BAC/UF的41.8%和56.5%。

2）BAC/UF 對顆粒物的處理效果優于臭氧/BAC，BAC/UF 工藝出水濁度均值0.04，平均顆粒數19 個/m L，低于臭氧/BAC 的0.09 和67 個/m L。

3）臭氧/BAC 工藝活性炭中的生物量高于混凝/沉淀/BAC工藝的生物量，且生物種類較多。

4）臭氧/BAC 對嗅味物質和二甲基異莰醇的去除效果優于BAC/UF。