臭氧生物活性炭深处处理工艺的水质安全性研究进展

臭氧-生物活性炭深度处理工艺的水质安全性研究进展∗ 潘章斌1,2 贾瑞宝2 （1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101；2济南市供排水监测中心，山东 济南 250033）

摘要：臭氧-生物活性炭深度处理工艺是当前应用最广泛、技术最成熟的给水处

理技术，但该技术在应用过程中也存在着影响饮用水水质安全性的因素。本文系统介绍了臭氧-生物活性炭工艺出水细菌泄漏、臭氧化副产物以及生物可同化有机碳等问题，探讨了臭氧-生物活性炭水质安全问题的解决方案。

关键词：臭氧-生物活性炭; 深度处理；微生物泄漏；溴酸盐；生物可同化有机

碳

1前言 以去除细菌和浊度为主要目的的常规水处理工艺只能去除水中20%-30%的有机物，对浊度的去除率也仅为50%-60%，因此经常规处理后饮用水水质安全难以保证，不能与现行国家水质标准相适应[1]。而臭氧-生物活性炭工艺（O3-BAC）[2]对于削减原水中各种有机物非常有效，已成为饮用水深度处理主流工艺技术。

O3-BAC工艺是将活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解及臭氧灭菌消毒四种技术集成为一体的工艺。从20世纪60年代开始,欧洲一些国家就用到生物活性炭技术来处理饮用水,并取得良好的效果。德国杜赛尔多夫水处理厂首先采用臭氧-生物活性炭技术，随后的意大利都灵市新水厂、改建的佛罗伦萨市水厂、罗马市布拉契诺湖水厂和日本的几座水厂均采用了此技术。我国自20世纪80年代开始研究O3-BAC工艺，目前在深圳、大庆、昆明、常州等地区

∗基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07422）；山东省“饮用水安全

保障技术”泰山学者建设工程专项。

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ater.org已有水厂运行，我国对O3-BAC的研究和应用正处于迅速发展阶段。但O3-BAC技术在应用过程中也存在着影响饮用水安全性的因素,例如工艺出水的微生物安全性问题[3]，以及臭氧化副产物和生物可同化有机碳（AOC）问题，本文就这些问题的产生及消除方面的最新研究进展进行综述。

2臭氧-生物活性炭的安全性问题 2.1微生物安全性问题 2.1.1生物活性炭上微生物分布特性 王振宇等[3]利用聚合酶链反应—变性梯度凝胶电泳(PCR—DGGE)对臭氧—生物活性炭工艺中BAC上的微生物群落结构进行了解析，研究结果表明：随着运行时间的增加，BAC系统中菌群结构的相似程度和种群的多样性逐渐增高，最初定植的菌株能在BAC上稳定存在，即生物系统具有良好的稳定性。金鹏康[4]指出生物活性炭床内生物量呈现沿炭层深度从上到下逐渐减少的分布特征。在炭床中上部，好氧及兼性菌数量极大，厌氧菌虽然在炭床底部占主导，但其数量较少，因此在整个生物活性炭床内,好氧菌处于优势菌的地位。研究还发现生物量与活性炭比表面积和总孔容有很大的相关性,相关系数分别达到0.95和0.93，影响微生物生长的孔径范围主要是5 nm以下的微孔,此范围内的孔容越发达则生物量越大[5]。ARTURO A. MASSOL-DEYA等[6]研究发现活性炭表面分为光滑区、粗糙区和

孔洞区。微生物先在粗糙区和孔洞区生长繁殖。镜检的第三天微生物在粗糙区和孔洞区繁殖，在第十二天时不动杆菌在活性炭的大部分表面繁殖，但也有一部分光滑区没有微生物繁殖。而且在活性炭上形成的微生物膜，会被通道隔开，有利于营养的进出和微生物代谢产物的排出。 乔铁军等[7]研究发现在活性炭样品上未检测出病毒和病原菌，但检测到了蜡样芽孢杆菌。蜡样芽孢杆菌在自然界中分布广泛，在食品中的检出率较高，该菌产生的肠毒素可引起食物中毒，但目前还没有关于蜡样芽孢杆菌通过饮水的途径引起疾病的报道。吴强等[8]研究指出细菌是BAC生物膜的主要组分(异养菌的数量达到2. 56×106~1. 17×107cfu/g)，未分离出放线菌和小型丝状真菌，未检测出

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ater.org水体中常见的致病菌如沙门氏菌、铜绿假单胞菌、副溶血性弧菌、大肠杆菌O157和志贺氏菌。其中细菌又以革兰氏阴性杆菌为主，还包括部分芽孢杆菌。分离出的细菌大部分为环境水体和土壤中常见的细菌，但有部分细菌如阴沟肠杆菌、栖稻黄色单胞菌、嗜水气单胞菌、蕈状芽孢杆菌为条件致病菌,有报道可引起免疫力低下及体弱人群的感染。M.H. STEWART[9]观察到的主要菌群是假单胞菌，黄杆菌，次要菌群是无色杆菌、莫拉菌属、不动杆菌、短稳杆菌和产碱菌属。 综上所述，生物活性炭上主要存在以细菌为主的微生物，这些细菌会随着水流进入后续的消毒工艺中，为避免泄露出的细菌对出厂水水质和输水管网中生物再繁殖的影响，消毒工艺的优化选择就显得尤为重要。

2.1.2炭滤层微生物的泄露 在深圳的梅林水厂和笔架山水厂的实际运行中，出水存在剑水蚤、线虫等微型动物检出等水质问题[10]。这些动物一方面可能是某些病原微生物的寄主，另一方面会影响水质的感观指标。Cummins认为[11]，粒状活性炭滤池出水中存在大肠菌群的数量为730个/100 mL。Stewart等人的研究发现[12]，在15~25℃的条件下，活性炭出水中异养菌的数量在工艺运行5天之内增加至105CUF/mL，后逐步稳定在104CUF/mL的数量级内，并出现周期性的变动，出水中发现有大肠杆菌的存在。研究还发现出水细菌数与活性炭孔径分布有很大关系，其中与5~10 nm的孔径关系最大，相关系数达到0.97；另外30~100 nm孔径的影响也很大，相关系数为0.95[8]。 BAC滤池出水中的细菌可能会吸附在活性炭的细小颗粒上随水流出，在颗粒物的保护下导致消毒不彻底，而引起水质安全问题[13]。Ahmad通过试验证明[14],疏水性的活性炭颗粒上更容易吸附细菌,试验中平均有36个/L(10~62个)的活性炭颗粒(平均粒径6μm)从工艺中流出，并证实了其中存在细菌(试验期间水温20℃左右)。有人通过试验表明，平均有36个活性炭颗粒/L(平均粒径为6μm)从活性炭工艺中流出,并证实了其中存在细菌。这些细菌由于受到活性炭颗粒的保护，对消毒有更大的抗性，用氯胺和游离氯进行消毒时接触了40 min，细菌只减少了0.5 log。AnneK.等人通过一年中对201个活性炭工艺出水水样的分析发现[15]，41.4%的水样中出现异养菌吸附在活性炭颗粒上的现象，17%的水样中炭粒上出

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ater.org现大肠杆菌，有时甚至超出进水水质122~194倍,其中28%为粪大肠菌。进水水温和有机物含量升高均可增加出水中细菌数量。在pH=7.4条件下，经2 mg/L的氯30 min灭活后，所有的微生物均能存活，包括可能为病原生物的肺炎克雷伯氏菌属、嗜水气单胞菌属、沙雷菌属和不动杆菌属等。但是也有人指出臭氧生物活性炭组合工艺其出水细菌对氯的耐受力小，因此更易被后续的消毒工艺去除[16]。

生物活性炭技术去除贾第虫胞囊和隐孢子虫卵囊的效果大致与双层或多层滤料过滤工艺的效果相同,其中对隐孢子虫卵囊的去除效果较差,在国外某给水厂的反冲洗水中检出的数据表明隐孢子虫卵囊比贾第虫胞囊更易于穿漏活性炭滤池[17]。美国E.E.Hargesheimer等[18]的研究结果表明,当出水中粒径大于2μm的颗粒数高于50个/mL时,有可能存在贾第虫和隐孢子虫。乔铁军等[7]研究发现初滤水的颗粒可达6 000个/mL,至过滤成熟期(3~5 h)后颗粒数可以降到50个/mL,甚至更低。因此，要加强对初滤水的管理。

2.2臭氧化副产物的生成 臭氧作为强氧化剂，可以达到去除水中色度、嗅味、三卤甲烷前驱物以及农药等微污染物的作用[19]，另外，臭氧氧化可以改变有机物的分子质量分布[20]，提高水中有机物的可生化性和可吸附性，从而提高生物活性炭的作用效果。但是在臭氧化过程中会产生溴酸盐副产物，国际癌研究部门(IARC)将溴酸根分类为致癌性2B，即可能致癌物。世界卫生组织最新的《饮用水水质准则》中的溴酸盐控制限值为25μg/L，美国现行的饮用水水质标准中溴酸盐的指标值为10μg/L。 水体中溴离子产生有多种途径，主要包括矿物溶解、海水入侵地表水或地下水含水层。人类活动中苏打的生产、开采煤矿和钾矿都可能造成水中溴离子含量的升高。如果水中存在溴离子（Br-）时，在常规臭氧投加量条件下通过臭氧氧化后将约有20%的Br-转化生成溴酸根离子（BrO3-），因此当原水中Br-浓度为50~100μg/L时，臭氧氧化后BrO3-就可能过量生成，而当原水中Br-浓度超过100μg/L时，BrO3-的过量生成将成为严重的问题[21]。新活性炭能有效还原BrO3-生成Br-，然而活性炭转化生成生物活性炭时将导致BrO3-还原效果显著降低[22,23]。施东文等[24]采用常规/臭氧生物活性炭组合工艺处理受污染黄河水的研究结果表

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