随着工农业的发展，水源水污染日益严重，水质标准日趋严格。水质成分越来越复杂，其中有机物和氨氮的污染是两大突出问题，而传统的水处理工艺是以去除水中悬浮及胶体物质为主，出水很难达到水质新标准的要求。臭氧活性炭(O3-BAC)对于有机物和氨氮等有较好的去除效果，在国内外得到了广泛认同。臭氧能够将水中大分子有机物氧化成小分子有机物，从而利于后续活性炭对有机物的吸附降解，活性炭滤池不仅能有效去除引起嗅味、色度的有机物，卤代烃、酚等有机污染物，还可以吸附产生消毒副产物(DBPs)和引起细菌再生长的天然有机物等；活性炭还可以将溴酸盐离子这一致癌的臭氧氧化副产物还原为溴离子。传统的O3-BAC深度处理工艺中炭滤池位于流程末端，能取得较好净水效果，但在实际的生产应用中出现了若干问题，尤其是在南方湿热地区，如微型生物泄漏、余臭氧释放等，引发水质安全隐患。
氯消毒目前仍然得到最广泛的应用，传统的氯消毒工艺在保证饮用水水质方面起到了重要作用，但当原水中存在天然有机物(NOM)时，氯消毒过程中会生成DBPs，而许多副产物具有“三致"作用，给公众健康带来不利影响[2-3]。因此需要对原水进行预处理或深度处理进一步去除水中的NOM，减少DBPs的生成量，以保障饮用水的安全性。
O3-BAC深度处理工艺是将臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理化学吸附、生物氧化降解4种技术结合为一体。中试试验设有预臭氧，将炭滤池置于沉淀池与砂滤池之间，有砂滤池垫后，通过砂滤前投加消毒剂可有效防止微型生物泄漏。预臭氧氧化以去除溶解性铁和锰、色度、藻类，改善臭味以及混凝条件，减少三氯甲烷等前驱物为目的。臭氧的灭菌效果强于氯，但持续消毒能力差，在水中的半衰期约为20min，极其不稳定，因此需要氯辅助消毒剂维持管网中持续的消毒能力。同时，使用臭氧消毒，当原水中存在溴离子时就可能生成消毒副产物溴酸盐；当原水中含有较高浓度有机物时会产生一些含氧化合物如甲醛。溴酸盐被国际癌症研究机构定位2B级潜在致癌物，而甲醛已被世界卫生组织确定为致癌致畸物质，并规定饮用水中甲醛含量不得高于900μg/L。
中试试验选择了不同的中置活性炭滤池消毒工艺，针对不同位置的不同臭氧投加量，对比分析各个工艺出水的消毒副产物情况。
1.材料及方法
1.1试验工艺流程
中试试验在南方某水厂内进行，该厂的工艺为“原水→预臭氧→混凝沉淀→砂滤池→主臭氧→炭滤池→加氯→出水"。中试试验炭滤池规格为1m×1m×6m，升流式运行，进水流量为12m3/h。砂滤池为1m×1m×6m，采用双层滤砂，1.0m厚Φ0.9～1.2mm滤砂，0.3m厚0.4～0.6mm细砂。砂滤池下部敷设0.1m厚Φ3～5mm粗砂垫层，滤速7～8m/h。
试验选择4种工艺，分别为：
工艺1：原水→预臭氧→混凝沉淀→炭滤池→加氯→砂滤池→出水；
工艺2：原水→预臭氧→混凝沉淀→中臭氧→炭滤池→加氯→砂滤池→出水；
工艺3：原水→预臭氧→混凝沉淀→炭滤池→后臭氧→砂滤池→出水；
工艺4：原水→预臭氧→混凝沉淀→炭滤池→后臭氧→加氯→砂滤池→出水。
4种工艺都投加了预臭氧，为新型的炭-砂工艺，炭滤池气水体积比为0.2，工艺1与工艺2主要为氯消毒，工艺3为臭氧消毒，工艺4为臭氧联合氯消毒。
1.2原水水质
试验期间原水水质为：温度平均约22℃，浊度为4.0～12.5NTU，DO质量浓度平均为5.5mg/L，CODMn为1.3～3.0mg/L，氨氮质量浓度为0.02～0.41mg/L。试验规模为12m3/h，混凝剂选用PAC，投加量为30～40mg/L，氯投加剂选用次氯酸钠。
1.3分析项目及方法
三氯甲烷，吹脱捕集/气相色谱-质谱法测定挥发性有机化合物；四氯化碳，毛细管柱气相色谱法；氯酸盐，离子色谱法；溴酸盐，离子色谱法；甲醛，分光光度法；微囊藻毒素-LR，高压液相色谱法；TOC，燃烧氧化非分散红外吸收法；AOC，美国《水和废水标准检验法》第21版-9217。
2.结果与讨论
2.1预臭氧投加量对DBPs的影响
工艺1预臭氧投加量分别为0.3、0.5、0.8mg/L，氯的投加量保持出水余氯在1.5mg/L左右，副产物的结果如表1所示。
由表1可知，工艺1出水中四氯化碳、微囊藻毒素-LR、溴酸盐、甲醛均远远低于《生活饮用水卫生标准》的限值，三氯甲烷略有升高但也远低于限值，而氯酸盐在加氯消毒后随着预臭氧投加量的增加逐渐上升，当投加0.8mg/L时氯酸盐浓度为0.6761mg/L，接近0.7mg/L的标准限值，可能由于中试试验的氯消毒采用的是次氯酸钠，再加上臭氧的强氧化作用，会引入无机副产物氯酸盐，此机理有待深度研究。一般来说，预臭氧去除水中的消毒副产物前体物质经由两个过程：一是直接去除前体物；二是臭氧氧化改善有机物的性质，在后续的处理工序中得到去除。由于原水水质较好，预臭氧改善了水体中NOM的性质同时增强了混凝效果，从而提高了后续的曝气炭滤池及砂滤池对前体物的去除，出水副产物浓度很低。预臭氧对消毒副产物前体物具有良好的去除效果，但预臭氧投加量不宜过大，满足其助凝灭藻等作用即可，后续试验选用投加量为0.3mg/L(同水厂投加量)进行研究。
2.2臭氧的投加位置及投加量对DBPs的影响
工艺2预臭氧的投加量为0.3mg/L，在工艺1基础上增加了中臭氧，投加量分别为0.5、0.8、1.0、1.6mg/L，氯的投加量保持出水余氯在1.5mg/L左右，副产物结果如表2所示。
由表2可以看出，工艺2的消毒副产物相比工艺1均有一定程度降低，可能是由于水中有机物被臭氧氧化后，更容易被后续炭滤池吸附和生物降解，减少了副产物前驱物质。而随着臭氧投加量的加大，甲醛浓度虽仍低于标准限值，但有增大的趋势，臭氧与有机物的主要反应是经“有机物-臭氧化物-较小的有机分子(醛、酸)"的过程，臭氧分解有机物过程中会产生醛类物质，而甲醛则为醛类的代表物质。
目前可同化有机碳(AOC)已成为评价水质稳定性的重要指标，它是有机物中最易被细菌吸收直接同化成细菌体的部分。国内外研究表明，加氯情况下AOC的质量浓度低于100μg/L可以保证水质生物稳定。
图1为不同中臭氧投加量AOC结果。从图1可以看出，AOC会随着臭氧投加量的增加而上升，这是由于经过臭氧氧化后，水中天然有机物(NOM)被分解成较小分子的有机物，但不能达到完全矿化的程度，因而会使AOC浓度升高。中臭氧投加量为0，AOC最低，表明中置曝气活性炭滤池的水质稳定性较好。
工艺3预臭氧投加量为0.3mg/L，后臭氧投加量分别为0.5、0.8、1.0mg/L。试验结果如表3所示。
由表3可以看出，单纯采用臭氧消毒时副产物浓度略有降低，臭氧作为消毒剂不会产生卤代消毒副产物；与氯消毒相比，产生的DBPs总量也少了很多。但随着臭氧投加量的增加，甲醛和TOC含量呈增高的趋势，故投加量不宜过大。由于臭氧易分解，消毒持续能力差，不能保证管网中水质的持续安全性，故砂滤池出水还需要氯辅助消毒。
2.3臭氧与氯联合消毒对DBPs的影响
工艺4后臭氧联合氯消毒，与工艺3相比多了氯消毒，后臭氧的投加量分别为0.5、0.8、1.0、1.5mg/L，次氯酸钠的投加量保持出水余氯在1.5mg/L左右。试验结果如表4所示。
从表4可以看出，工艺4的消毒副产物与工艺3基本上处于同一水平，但由于工艺4直接在臭氧后投加氯消毒，两种消毒剂的强氧化作用使氯酸盐的含量相对较高。
当耐氯性微型生物爆发时，仅依靠氯消毒难以控制，可采用后臭氧消毒，建议臭氧投加量在1.0mg/L以下，再在砂滤池后投加氯辅助消毒。
3.结论
预臭氧投加量升高导致消毒副产物增加，甚至可能超标。
当前端投加预臭氧时，采用中置曝气活性炭滤池工艺，在砂滤池之前投加氯消毒，消毒副产物可得到有效控制。
当耐氯性微生物爆发时，可以采用后臭氧消毒，臭氧投加量在1.0mg/L以内，砂滤池后需投加氯辅助消毒，这样既能控制消毒副产物，又可保证管网水质安全。在中置炭滤池工艺中不推荐将臭氧与氯联合消毒，虽然消毒副产物达标，但会使AOC大幅度增加，对管网水质安全构成威胁。
表5为工艺3与工艺4的出水AOC情况。可以看出，单纯采用臭氧消毒时AOC相对奥氧联合氯消毒较低，因为臭氧和氯都有氧化作用，均能使水中AOC增高，工艺三有砂滤池垫后，可以去除部分AOC，但臭氧联合氯消毒时，在臭氧与氯的共同氧化作用下，AOC含量相对更高，且后置砂滤池由于前加氯基本失去生化能力，对AOC无去除效果，出水往往高于100μg/L，因此不推荐在砂滤池前臭氧联合氯消毒。
