常规处理工艺通常存在对水中有机物去除率有限、易生成三卤甲烷等氯消毒副产物，以及对原水水质突变的抵御能力较差、出厂水水质不稳定等问题。为了解决这些问题，需要对水厂生产工艺进行改善。
近年来广泛使用的臭氧—活性炭深度处理工艺，可以通过臭氧氧化，将水中的有机物氧化去除或分解成分子量更小的有机物，再通过活性炭滤池的吸附、分解作用，降低水中的有机物浓度[1]，并因此降低后续氯消毒副产物的产生[2]。
本文以上海某水厂为对象，通过对比常规处理工艺下的出水水质指标，研究了新增的臭氧—活性炭深度处理工艺对水中有机物去除、消毒副产物生成及出厂水铝离子残留的影响，并讨论了增加深度处理工艺后出厂水水质稳定性的改善，旨在为水厂的生产运行和工艺改造提供一定的技术支持和理论依据。
1 水厂工艺介绍
上海某水厂采用长江水作为原水水源，设计规模共为40万m3/d，包括一期、二期系统，常规处理工艺流程如图1所示。其中一期系统砂滤池为气水反冲洗滤池，二期系统砂滤池为V型滤池。滤后水加次氯酸钠、硫酸铵，最终化合氯出厂。
图1 常规处理工艺流程图
该厂2020年在原常规处理工艺上进行深度处理工艺改造，工艺规模为40万m3/d，改造后工艺流程如图2所示。其中，一期系统预臭氧混合方式采用管式静态混合器，二期系统预臭氧混合方式采用预臭氧接触池，预臭氧均用水射器进行投加，投加量为0.8‒1.0 mg/L。后臭氧采用微孔曝气方式加注，进行三段投加，投加量为0.4‒0.6 mg/L。消毒接触池进口加次氯酸钠，池中进行活氯消毒，出口加硫酸铵，最终化合氯出厂。
图2 深度处理改造后工艺流程图
2 不同水处理工艺下水厂运行数据分析
常规处理阶段选用该水厂2020年1月至2020年12月的稳定运行数据，深度处理阶段选用2021年8月至2022年7月的稳定运行数据，所列数据均为每个月的平均值。
2.1 不同水处理工艺对原水中有机物去除的影响
不同水处理工艺对原水中有机物的去除效果如图3所示。常规处理阶段，原水高锰酸盐指数在1.59‒2.34 mg/L之间，出厂水高锰酸盐指数在1.27‒1.54 mg/L之间，平均从2.00 mg/L降至1.44 mg/L，平均去除率为27.23%。深度处理阶段，原水高锰酸盐指数在1.88‒2.27 mg/L之间，出厂水高锰酸盐指数在0.74‒1.08 mg/L之间，平均从2.10 mg/L降至0.91 mg/L，平均去除率为56.43%。
可见，在原水有机物浓度基本不变的情况下，深度处理工艺能够显著提高有机物的去除率，相比常规处理阶段，原水中高锰酸盐指数的去除率可提高29.20%。这一点在其他学者的报道中也有所体现。据任中佳[3]报道，常州某水厂应用常规处理工艺时，出水高锰酸盐指数为1.10 mg/L，增设臭氧活性炭深度处理工艺后该数值降至0.55 mg/L。据张圣[4]报道，亳州某水厂增设臭氧处理系统后，与先前的常规处理工艺相比，沉淀池出水高锰酸盐指数从3‒4 mg/L降至2‒2.5 mg/L。张晓娜[5]报道了南方某水厂的运行状况并指出，与常规处理工艺相比，水厂在应用臭氧—活性炭深度处理工艺后，对水中高锰酸盐指数的去除率提高了20.24%，且对TOC的去除率提高了31.11%。
臭氧—活性炭深度处理工艺对水中有机物的有效去除，不仅具有进一步提高出厂水水质的作用，还可以使水厂在面对原水有机污染物浓度较高的情况时也能保持良好的出水水质，增强水厂对微污染原水的应对能力。
图3 不同水处理工艺对原水中有机物的去除
2.2 不同水处理工艺对出厂水消毒副产物的影响
不同水处理工艺对出厂水消毒副产物的影响如图4所示。常规处理阶段，出厂水三卤甲烷浓度在0.16‒0.37 mg/L之间，平均值为0.29 mg/L。采用深度处理后，出厂水三卤甲烷浓度在0.01‒0.23 mg/L之间，平均值为0.10 mg/L。
可见，应用深度处理工艺后，出厂水三卤甲烷浓度明显降低，从0.29 mg/L降至0.10 mg/L。这可能是两方面的原因，一方面，预臭氧可以取代常规工艺中的前加氯，在同样起到助凝、除藻、杀菌的作用的情况下，可以通过降低氯的投加量来减少三卤甲烷等氯消毒副产物的产生。另一方面，出厂水三卤甲烷浓度降低，可能与臭氧—活性炭工艺有效去除了作为氯消毒副产物前驱物的部分有机物有关。
本文2.1中指出经深度处理改造后，出厂水高锰酸盐指数可从原来的1.44 mg/L降至0.91 mg/L，去除率从27.23%大幅提高至56.43%。张晓娜也在报道中指出，某水厂增加臭氧—活性炭深度处理工艺后，对UV254的去除率从29.41%提高到76.46%，TOC的去除率从38.00%提高至69.11%，并通过三卤甲烷生成势表征三卤甲烷前驱物的量，发现对三卤甲烷生成势的去除率从26.15%提高到了63.85%。沈恺乐报道了某水厂的运行情况，其中臭氧—活性炭深度处理工艺对水中UV254和DOC的去除率分别达到27.27%‒56.25%和13.41%‒27.82%，且预臭氧和臭氧—活性炭工艺对三卤甲烷生成势的去除率达到25.22%和26.94%。
此外，富里酸类物质和腐殖酸类物质是生成氯消毒副产物的重要前驱物，沈恺乐的研究表明，炭滤池对这两种物质的去除效果有限，但后臭氧工艺对这两种物质的去除率可分别达到26.09%和33.08%。
图4 不同水处理工艺对出厂水三卤甲烷的影响
2.3 不同水处理工艺对其他出厂水质指标的影响
2.3.1 对出厂水铝浓度的影响
不同水处理工艺对出厂水铝浓度的影响如图5所示。常规处理阶段，出厂水铝浓度在0.06‒0.13 mg/L之间，平均值为0.09 mg/L。深度处理阶段，出厂水铝浓度在0.01‒0.06 mg/L之间，平均值为0.04 mg/L。
经深度处理后，出厂水铝浓度可进一步下降，从0.09 mg/L降至0.04 mg/L。在投加臭氧的条件下，铝离子可能更容易在水处理工艺中被去除，同时也有在活性炭滤池中被吸附去除的可能性。
图5 不同水处理工艺对出厂水铝浓度的影响
2.3.2 对常规水质指标的影响
出厂水浊度和余氯分别以数据最高值和最低值的平均差值作为指标稳定性的表征，平均差值越低，表明出厂水指标的稳定性越好，具体数据如图6和图7所示。
经过常规处理后，出厂水浊度最高值为0.13 NTU，最低值为0.01 NTU，浊度差值在0.02‒0.11 NTU之间，平均差值为0.06 NTU；出厂水余氯最高值为1.20 mg/L，最低值为0.80 mg/L，余氯差值在0.25‒0.40 mg/L之间，平均差值为0.31 mg/L。采用深度处理后，出厂水浊度最高值为0.08 NTU，最低值为0.02 NTU，浊度差值在0.02‒0.05 NTU之间，平均差值为0.03 NTU；出厂水余氯最高值为1.20 mg/L，最低值为0.86 mg/L，余氯差值在0.14‒0.29 mg/L之间，平均差值为0.20 mg/L。
可见，经深度处理后，出厂水水质稳定性明显提高，出厂水浊度差值从0.06 NTU降至0.03 NTU，余氯差值从0.31 mg/L降至0.20 mg/L。这对于水厂抵御原水水质突变等情况，始终保持出厂水水质指标稳定具有重要意义。
图6 不同水处理工艺对出厂水浊度稳定性的影响
图7 不同水处理工艺对出厂水余氯稳定性的影响
3 结论
上海某水厂进行臭氧—活性炭深度处理改造后，发现深度处理工艺能明显提高对水中有机物的去除效果，降低氯消毒副产物的产生，并提高出厂水的水质稳定性，提高水厂应对微污染原水的能力，具有高效、稳定运行的特点，可为水厂的生产运行和工艺改造提供一定的技术支持和理论依据。
参考文献
[1] 彭祥,张晓,曹勋,等. 臭氧生物活性炭与膜组合工艺在某水厂深度处理工艺中的应用[J]. 净水技术, 2018, 37(4): 77-81.
[2] 沈恺乐,邓慧萍,沈冠杰. 浙江省某水厂臭氧活性炭深度处理工艺运行效果分析[J]. 给水排水, 2021, 47(7): 6.
[3] 任中佳. 常州第一水厂臭氧活性炭深度处理改造工程设计[J]. 中国给水排水, 2018, 34(18): 4.
[4] 张圣,赵文广,李广磊,等. 臭氧处理系统在亳州地表水厂的应用[J]. 安徽建筑, 2021.
[5] 张晓娜,何嘉莉,陈卓华,等. 南方某水厂臭氧/活性炭深度处理工艺运行效果[J]. 中国给水排水, 2020, 36(1): 4.
