[摘要]本文介紹了國內(nèi)外在探討飲用水處理新工藝方面的情況，分析了臭氧—生物活性炭法的基本原理和作用，并提出了該方法在應用時所需注意的一些問題。
在水污染日益嚴重的今天，原水中有毒有害化學有機污染物含量正逐年上升，品種也正逐年增多，這給飲用水處理帶來了很大的困難。大量文獻表明，自來水廠傳統(tǒng)水處理工藝已不能有效地去除水中各種污染物，特別是溶解性有機物。為解決這一問題，國內(nèi)外研究了多項技術(shù)對其進行改進，其中臭氧—生物活性炭凈水工藝以其有效去除水中溶解性有機物和致突變物，出水潔凈而倍受矚目。
1、臭氧-生物活性炭聯(lián)用技術(shù)發(fā)展和應用現(xiàn)狀
臭氧-生物活性炭聯(lián)合使用較早是在1961年德國Dusseldorf市Amstaad水廠。從20世紀60年代以后，臭氧-生物活性炭技術(shù)已被歐洲、美國、加拿大、日本等發(fā)達國家廣泛的應用到污染水的深度處理中，并且對凈化飲用水水中各種污染物取得良好的效果；發(fā)展中國家應用廣泛的國家有以色列、南非、納米比亞等。此工藝對氨氮和總有機碳（TOC）的去除率分別為70%-90%和30%-75%，同時，對除草劑等其它有機碳的去除率也很高，并能有效改善水體中的葉霉嗅味。歐洲使用該工藝的水廠有70多個，其中有代表性的是瑞士的林格水廠、 德國的繆爾霍姆水廠、法國的盧昂拉夏佩勒水廠等。
該工藝在20世紀70年代傳入我國，并從80年代開始應用該項技術(shù)。該工藝不僅可以去除濁度、嗅味、色度和改善水質(zhì)口感，還可以去除難降解的和溶解性有機物，哈爾濱工業(yè)大學在這方面研究較系統(tǒng)。其中臭氧-生物活性炭法進行的處理飲用水的中試結(jié)果表明，進水高錳酸鹽指數(shù)在（3.6-6.8）mg/L，出水高錳酸鹽指數(shù)都低于2mg/L，去除率平均約為73%。對出水進行色質(zhì)聯(lián)機檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進水含有有機物120種，其中有5種三致物質(zhì)，但出水已去除了絕大部分的有機物和全部的三致物。
深圳自來水集團有限公司對臭氧化-生物活性炭工藝參數(shù)進行了較為細致的研究，上海自來水公司也對該工藝進行了中試研究，對各種水質(zhì)指標的改善，均取得了很好的效果。該工藝應用到工程實際的例子并不是很多，一般與傳統(tǒng)的凈水工藝配合使用，其中較有代表性的有1985年建成的北京市田村山凈水廠等10家。經(jīng)過長期運行，均出水穩(wěn)定，達到預期的飲用水處理的目的。
2、臭氧—生物活性炭技術(shù)的基本原理和作用
臭氧—生物活性炭工藝是將活性炭物理化學吸附、臭氧化學氧化、生物氧化降解及臭氧滅菌消毒四種技術(shù)合為一體的工藝。
2.1臭氧預氧化
利用臭氧預氧化作用，初步氧化分解水中的一部分簡單的有機物及其它還原性物質(zhì)，使之變?yōu)镃O2和H2O，以降低生物活性炭濾池的有機負荷，提高低量活性炭處理的平衡能力；同時，臭氧氧化能使水中難以生物降解的有機物轉(zhuǎn)化成可生物降解的有機物，減少大分子極性污染物，BOD濃度得到提高，所以提高了處理水的可生化性，分解后的小分子有機物，親水性得到提高，更容易被活性炭吸附和附著在活性炭上的細菌生物降解；臭氧化能夠改變有機物生色基團的結(jié)構(gòu)，形成的中間氧化物更易于活性炭吸附，強化了活性炭的脫色效能；臭氧化還能有效地減少UV260的吸收。
臭氧氧化后生成的氧氣，能在處理水中起到充氧作用，使生物活性炭濾池有充足的溶解氧（DO），補充了水中DO消耗，為附著于活性炭上的好氧菌和硝化菌提供生長的營養(yǎng)源，創(chuàng)造好氧菌生長的環(huán)境，使好氧微生物活動增強，提高了微生物增長潛力，加快生物氧化和硝化作用，延長了活性炭的使用壽命，加快了有機物的生物降解，從而提高了其對有機物的去除效果。
2.2生物活性炭
活性炭作為一種多孔物質(zhì)，能夠吸附水中濃度較低、其它方法難以去除的物質(zhì)，同時，還可以去除水中的濁度、嗅味、色度，改善水的口感，而且能夠有效地吸附合成洗滌劑、陰離子表面活性劑等活性物質(zhì)；活性炭還具有催化作用，催化氧化臭氧為羥基自由基，終生成氧氣，增加水中的溶解氧（DO）的濃度。活性炭空隙多，比表面積大，能夠迅速吸附水中的溶解性有機物，同時也能富集水中的微生物。粒狀活性炭吸附水中溶解有機物，但對一些揮發(fā)性較低，難以生物降解，分子量在10000以上的高分子有機物不易吸附去除，而且吸附性能還受有機物所帶官能團及分子結(jié)構(gòu)的影響。
利用臭氧電位高的特點，易將許多不易生物降解的有機物分解成許多更易生物降解的較小的或充氧較多的低分子有機物，從而改變了有機物的結(jié)構(gòu)形態(tài)和性質(zhì)，使其易被活性炭吸附去除，而被吸附的溶解性有機物也為維持炭床中微生物的生命活動提供營養(yǎng)源。同時，由于臭氧供氧充分，炭床中大量生長繁殖好氧菌，有足夠時間來生物降解所吸附的低分子有機物，這樣，也就在炭床中形成生物膜。該生物膜具有生物氧化降解和生物吸附的雙重作用，而活性炭孔隙中的有機物被分解后，經(jīng)過反沖洗，活性炭孔隙騰出吸附位置，恢復了對有機物與溶解氧的吸附能力。
活性炭對水中有機物的吸附和微生物的氧化分解是相繼發(fā)生的，微生物的氧化分解作用，使活性炭的吸附能力得到恢復，而活性炭的吸附作用又使微生物獲得豐富的養(yǎng)料和氧氣，兩者相互促進，形成相對穩(wěn)定狀態(tài)，得到穩(wěn)定的處理效果，從而大大地延長了活性炭的再生周期。
活性炭附著的硝化菌還可以轉(zhuǎn)化水中的氨氮化合物，降低水中的NH3-N的濃度，NH3-N去除率可達75%-96.7%。生物活性炭通過有效的去除水中有機物和嗅味，從而提高飲用水化學、微生物安全性，是自來水深度凈化的一個重要途徑。
2.3臭氧氧化和后氯化
臭氧的氧化性強于液氧，它破壞細菌體上的脫氫酶，干擾了細菌的呼吸作用，從而導致細菌的死亡。
臭氧的化學性質(zhì)不穩(wěn)定，不能在水中長期保留。為了保證水在運輸過程中不受污染，在后一步出水中，少量投加液氯或氯胺等有機物，由于有機污染物在臭氧—生物活性炭中已基本去除，生成的致突變性物質(zhì)較少，同時又可以減少消毒劑的投加量。
因此，臭氧—生物活性炭聯(lián)用工藝技術(shù)在飲用水處理中有其獨特的優(yōu)勢，而且各工藝緊密結(jié)合，互相促進，取得了多重效應。
3、臭氧—生物活性炭技術(shù)在應用中遇到的問題
臭氧—生物活性炭技術(shù)無論在試驗研究，還是在工程實際中，仍有一些機理性的問題沒有研究清楚，從而使設計出現(xiàn)問題，甚至產(chǎn)生誤差，影響對運行的管理和控制。主要表現(xiàn)有：
3.1不能用解析的方法計算出系統(tǒng)中存在的較佳良氧投量問題。較佳臭氧劑量是AOC的形成和BAC去除AOC的關(guān)鍵所在。一般認為決定臭氧較佳劑量的標準是GAC過濾器內(nèi)的較大BOM（或BOC）濃度。臭氧的投量會影響生物活性炭對有機物的吸附性能。但過高的投量或投量不足均會導致生物活性炭出水水質(zhì)下降。這說明進水水質(zhì)、臭氧量、生物活性炭吸附性能之間存在著適當配合的關(guān)系，有待于進一步研究。
3.2生物活性炭的運行效果受各種條件，如水溫、pH值、菌種的影響，效果不穩(wěn)定，特別是在掛膜的期間，由于生物膜沒有形成，處理效果欠佳，尋求活性炭生物膜的適宜生長條件，優(yōu)勢菌種的篩選、馴化等已成為此工藝的要點。由于水質(zhì)不同，活性炭顆粒度和其表面化學性及電子狀態(tài)以及其對細菌的附著等確切機理還有待于進一步研究，以便于更好的固定化生物活性炭，延長生物活性炭的壽命。
3.3臭氧化后，大分子有機化合物轉(zhuǎn)化成少部分不能被生物活性炭吸附和降解的小分子的臭氧化產(chǎn)物、生物活性炭上附著的微生物在代謝過程中產(chǎn)生的降解物和微生物本身進入水體中，這部分物質(zhì)對人體是否會產(chǎn)生某些危害在文獻中無報導，需進一步研究。
3.4不能建立系統(tǒng)模型以明確進水水質(zhì)，臭氧及生物活性炭裝置的停留時間、濾速、臭氧投加量和臭氧濃度之間存在著的關(guān)系。由于水質(zhì)不同，并不能形成一個準確的系統(tǒng)模型。同時對生物活性炭的再生機理、再生時間還不十分明確，還沒有形成統(tǒng)一的認識；對新的顆粒狀活性炭的如何進行固定化和對已經(jīng)吸附飽和活性炭如何使之再生，從而延長活性炭壽命有待于進一步研究。
4、結(jié)論
隨著飲用水源污染的日益加劇和飲用水質(zhì)標準的提高，作為一種先進的優(yōu)水質(zhì)、低能耗、沒有污染的綠色工業(yè)水處理技術(shù)，臭氧—生物活性炭技術(shù)在處理微污染的原水中有著其它處理方法無法比擬的優(yōu)越性，即有效地控制和消除水中微量有機物的污染和危害，延長活性炭的使用壽命，出水水質(zhì)提高，而且穩(wěn)定，易管理；而如何利用其優(yōu)越性，促進其工程實踐的廣泛應用，提高其的設計和運行控制水平，使其工藝設計更趨于較佳狀態(tài)，還有待于今后進行深入的研究。