2. 上海市金山区卫生和计划生育委员会监督所;
3. 上海金山海川给水有限公司
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随着我国工业化和城市化的迅速发展，水环境污染日益严重。黄浦江作为上海市集中供水主要水源之一，水体富营养化及有机物污染严重[1]，而常规水处理工艺对氨氮和有机污染物的去处效果不太理想[2]，监测发现生活饮用水中氨氮(以N计)和耗氧量是主要超标项目[3]。O3-BAC深度水处理工艺是在常规处理基础上增加了臭氧、活性炭处理工艺，是目前世界上公认的去除饮用水中有机污染物较为有效的水处理工艺之一。霍志刚等[4-6]对该工艺进行了中试实验研究，设备运行一个月内，对氨氮的去除率在65%以上，对耗氧量的去除率在40%~82%。为改善居民生活饮用水水质，上海市某水厂对制水工艺进行了升级改造，采用O3-BAC深度水处理工艺制水，新制水工艺系统于2014年5月正式投入运行。我们对该水厂水质进行多年的监测对比分析，为深度处理制水工艺的推广使用提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 调查对象上海市某水厂。
1.2 采样及检测方法选取对制水工艺进行升级改造的上海市某水厂作为研究对象，设立原水、出厂水监测点各1个。2011—2016年，按照《生活饮用水卫生标准检验方法》(GB/T 5750-2006)[7]的要求进行采样及检测，采样频次为每月1次，检测项目为氨氮、耗氧量。氨氮的测定采用水杨酸盐分光光度法(UV-6100S型双光束紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司)，耗氧量的测定采用酸性高锰酸钾滴定法。
1.3 评价方法依据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[8]对出厂水水质进行评价。
1.4 统计方法以常规水处理工艺期(2011年1月—2014年4月)为对照，比较分析O3-BAC深度水处理工艺(2014年5月—2016年12月)对水质的改善情况。应用SPSS 18.0软件，对数据进行统计分析，两种制水工艺下出厂水合格率的比较采用χ2检验，氨氮、耗氧量去除量的比较采用t检验。以P < 0.05为差异有统计学意义。
1.5 质量控制采样前先用水样荡洗采样器、容器和塞子(2~3) 次，水样注满容器，上部不留空间，并用H2SO4酸化至pH < 2，在2℃~5℃暗处冷藏保存，送检。样品检验采取单盲法，即检验者不被告知任何实验信息，以控制检验结果偏差。
2 结果 2.1 水厂基本情况该水厂臭氧—活性炭(O3-BAC)深度水处理工艺改造方案见图 1，黑线框内为原有制水工艺，灰线框内为新增工艺。
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| 图 1 水厂O3-BAC深度水处理工艺流程图 |
该水厂制水量为40×104 m3/d，臭氧发生器的臭氧制备能力为20 kg/h，臭氧投加量为(1.2~1.5) mg/L，前臭氧接触池水力停留时间约5.3 min，后臭氧接触池水力停留时间约15 min。BAC设计滤速为10 m/h，滤池反冲洗间隔为(3~6) d，其中夏季3 d，冬季6 d。
2.2 氨氮检测结果2014年4月之后原水氨氮浓度略有降低(t=1.879，P < 0.05)，出厂水中氨氮浓度由(0.41±0.09) mg/L下降至(0.20±0.02) mg/L(t=14.612，P < 0.01)。常规水处理工艺氨氮去除量为(0.23±0.02) mg/L、去除率为35.78%±33.45%，O3-BAC深度水处理工艺氨氮去除量为(0.38±0.06) mg/L、去除率为65.78%±17.37%，差异均有统计学意义(P < 0.01;表 1)。
| 制水工艺 | 原水/(NH 3-N mg/L) | 出厂水/(NH3-N mg/L) | 去除量/(NH3-N mg/L) | 去除率/% |
| 常规处理 | 0.65±0.19 | 0.41±0.09 | 0.23±0.02 | 35.78±33.45 |
| O3+BAC工艺 | 0.57±0.14 | 0.20±0.02 | 0.38±0.06 | 65.78±17.37 |
| t | 1.879 | 14.612 | 14.294 | 4.970 |
| P | < 0.05 | < 0.01 | < 0.01 | < 0.01 |
2.2 耗氧量检测结果
2014年4月前后，原水中耗氧量浓度下降(t=5.325，P < 0.01)，出厂水耗氧量浓度下降, (t=15，P < 0.01)。常规水处理工艺耗氧量去除率为36.47%±17.97%，O3-BAC深度水处理工艺耗氧量、去除率为53.75%±16.72%, 差异均有统计学意义(P < 0.01；表 2)。
| 制水工艺 | 原水/(O2mg/L) | 出厂水/(O2 mg/L) | 去除量/(O2mg/L) | 去除率/% |
| 常规处理 | 5.22±0.76 | 3.32±0.12 | 1.90±0.28 | 36.47±17.97 |
| O3+BAC工艺 | 4.37±0.17 | 2.06±0.07 | 2.39±0.09 | 53.75±16.72 |
| t | 5.325 | 15.349 | 8.194 | 4.639 |
| p | < 0.01 | < 0.01 | < 0.01 | < 0.01 |
2.3 改造前后出厂水合格率比较
常规水处理工艺出厂水氨氮合格率为37.5%，O3-BAC深度水处理工艺氨氮合格率为100%，差异有统计学意义(t=6.394，P=0.011)，常规水处理工艺出厂水耗氧量合格率为25.0%，O3-BAC深度水处理工艺耗氧量合格率为100%，差异有统计学意义(t=10.857，P=0.001；表 3)。
| 项目 | 常规处理 | O3-BAC工艺 | χ2 | P | ||||
| 样品数/份 | 合格数/份 | 合格率/% | 样品数/份 | 合格数/份 | 合格率/% | |||
| 氨氮 | 40 | 15 | 37.5 | 32 | 32 | 100.0 | 6.394 | 0.011 |
| 耗氧量 | 40 | 10 | 25.0 | 32 | 32 | 100.0 | 10.857 | 0.001 |
3 讨论
氨氮是水体被人畜粪便等含氮有机物污染后，在有氧条件下经微生物分解形成的中间产物，水中氨氮增高时，表示新近可能有人畜粪便污染。另外氨氮还来自化工、冶金、炼焦等工业废水中。2011年1月—2014年4月，上海某水厂采取常规水处理工艺期间出厂水氨氮合格率为37.5%，提示常规水处理工艺对氨氮的去除能力有限。耗氧量是指在一定条件下，强氧化剂氧化水中有机物所消耗的氧量，他是测定水体中有机物含量的间接指标，代表水体中可被氧化的有机物和还原性无机物的总量，耗氧量的意义在于指示饮用水受有机污染物污染的程度，为水处理效果提供简单、迅速的指标[9]。2011年1月—2014年4月，该水厂出厂水耗氧量合格率为25.0%，提示常规水处理工艺不能有效去除原水中有机物。
饮用水的常规处理工艺主要包括混凝、沉淀、过滤、消毒4个部分，去除的主要对象是水中胶体和细小悬浮物，对原水中氨氮、亚硝酸盐氮及影响出厂水生物稳定性的小分子有机物却无能为力。O3-BAC深度水处理工艺在常规处理基础上增加了臭氧、活性炭处理工艺，即在传统水处理工艺的基础上以预臭氧氧化代替预氯化，在快滤池后设置生物活性炭滤池或直接设置生物活性炭滤池和膜过滤分离。该工艺不仅可以去除浊度、臭味、色度及改善水质口感，还可以去除难降解、溶解性有机物，但设备投资较大，操作复杂。
本调查显示，上海某水厂O3-BAC深度水处理工艺运行32个月出厂水耗氧量的平均去除率为53.75%，比常规水处理高17.28%，耗氧量的合格率为100%，比常规水处理高75.0%，采用深度水处理工艺的出厂水耗氧量合格率较一般水处理工艺高[10-11]。王慧等[12]调查显示O3-BAC深度处理工艺运行12个月耗氧量平均去除率为58.77%，耗氧量去除效果优于常规处理，与本文结论一致。上海某水厂运行32个月出厂水氨氮平均去除率为65.78%，比常规处理工艺高30.0%，氨氮合格率100%，比常规水处理高62.5%，O3-BAC深度水处理工艺BAC滤池的生物过滤作用对饮用水源中氨氮有很好的硝化去除效果。维持BAC滤池对氨氮良好硝化作用的一个重要条件是水中必须有足够的溶解氧，另一个重要条件是滤层中必须有足够数量的硝化菌。O3-BAC深度水处理工艺中的臭氧氧化作用能有效降低原水耗氧量，从而维持原水中溶解氧处于较高水平，而要维持BAC滤池内一定的硝化菌数量必须降低反冲洗频率并控制反冲洗强度。
由于臭氧—生物活性炭技术是一种新工艺，缺乏相应的模型进行分析研究，应对已有的工艺和工程实际数据进行全面统计分析，建立数据库揭示系统工艺性能和影响因素之间的关系，为今后的设计、运行、控制寻找和确定适宜的设计参数、运行条件及控制方法。而如何利用其优越性促进其工程实践的广泛应用，提高设计及运行控制水平，使工艺设计趋于最佳状态还有待于今后讲行深入的研究。
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