1.拟解决的关键问题
太湖流域地跨江、浙、皖、沪三省一市，拥有大小城市38座，总人口3 600万人，湖泊面积2 427.8km2，平均水深2m左右，总蓄水量44.28亿m3。极为丰富的湖泊资源在水利、航运、旅游、水电等国民经济中占有极其重要的地位。近年来，太湖水质恶化，严重制约环太湖流域的工农业生产。2007年5月底，太湖水体蓝藻水华面积达760km2，占湖区总面积的1/3。当时测得太湖水中的藻类为13 449万个/L；氨氮为3.4～4.9mg/L；微囊藻毒素LR(MC-LR)为7.59μg/L；微囊藻毒素RR(MC-RR)为9.43μg/L；DOC超过20mg/L。臭味化合物主要为1-甲醛基-2，6，6三甲基-1-环己烯、辛醛、环己硫、环己酮等有机物，另根据此次水源臭味的诱因主要是藻类过度繁殖引起，而从藻类分泌物中识别的致臭物质有烯烃类、饱和及不饱和的脂肪醇类、醛类、酮类、酯类、硫酯类和硫醚类等，引发了水厂的供水危机，危及无锡市近300万人口的饮用水安全，对人们生产、生活造成极大的危害，给社会的稳定造成了非常不利的影响。
课题针对太湖水源高藻、高有机物、高氨氮、高臭味和藻毒素等污染特征，开展高效生物预处理技术、高效化学预处理技术及强化常规处理技术、高藻原水深度处理技术、高藻型原水藻类膜工艺去除关键技术和高藻毒素型原水安全消毒技术研究。通过技术研发、技术集成和综合示范，构建高藻型湖泊原水安全处理的集成技术体系，使现有水厂出水达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求，从根本上解决无锡市饮用水中的季节性臭味问题，保证无锡市的供水安全。通过综合示范率先在无锡自来水公司和江苏省邻近城市推广应用，并为长三角地区的饮用水水质安全保障提供技术支撑。
2.集成技术路线
本课题针对太湖水面临的高藻、高氨氮、高有机物污染等饮用水安全问题开展试验研究，首先对高藻型湖泊原水的高藻、藻毒素、臭味物质、微量有机污染等问题进行单项技术研究，在此基础上，开展中试组合工艺研究，完成具有高藻湖泊型原水污染特征的处理技术集成，并选择典型示范水厂进行综合工程示范，形成针对高藻型湖泊原水用水安全的技术保障体系，示范工程6个月以上的运行数据表明，出厂水水质达到国家标准，具体技术路线见图1。
3.关键技术成果
3.1 高藻、高有机物原水的预臭氧化—生物预处理耦合技术
针对太湖水源水高有机物、高藻、高臭味含量、高氨氮等水质污染特征。开发出了化学氧化与生物预处理耦合技术。预臭氧投加量的多少会影响生物预处理正常运行，臭氧投加量需根据变化的水质确定，一般控制在<1mg/L。生物预处理可高效去除氨氮，平均去除率为(71.4±26.9)%，最高去除率达到99.1%。预臭氧化—生物预处理工艺形成的耦合预处理技术能有效控制太湖水源中的氨氮、藻类、有机物、臭味化合物和藻毒素等。
预臭氧化—生物预处理工艺形成的耦合预处理技术机理主要体现在：①预臭氧化将大分子有机物氧化成小分子，使可同化有机碳(AOC)明显增加，AOC是微生物获得酶活性进而对有机物进行共代谢最为重要的基质，经臭氧预氧化后的原水，AOC浓度提高，可被生物利用的小分子有机物明显增加，有利于后续生物预处理工艺的生物降解；②臭氧预氧化能产生微絮凝效应，对原水具有助凝作用，提高有机物的去除率；③预臭氧化可有效除色、除铁、除锰，可氧化去除四氯化碳、卤乙酸、三卤甲烷等含碳和含氮消毒副产物的前体物，大大地减少了氯化消毒副产物的生成，致癌风险和致突变活性均明显小于预氯化出水。
生物接触氧化工艺中经济高效的悬浮填料生物膜载体挂膜效果好，不堵塞，流化状态佳，污染物传质效果好，挂膜成熟之后对氨氮处理效果更明显。
预臭氧化-生物预处理工艺形成的耦合预处理技术已经应用于示范工程南泉水源厂的原水预处理，工艺流程见图2。该工艺对部分水质常规指标的去除效果见表1。
3.2 高藻、高有机物原水的臭氧—生物活性炭深度处理技术
臭氧—生物活性炭深度处理工艺主要针对太湖原水高有机物、高氨氮、高藻和高臭味以及含有各种各样有毒有害物质的情况。臭氧化可以有效去除水中的臭味化合物，除臭除色功能突出。此外，后臭氧可以将大分子有机物进一步氧化成小分子，有利于后续生物活性炭池中的生物降解或吸附。
课题研究发现，颗粒活性炭在运行初期，主要发挥吸附作用。待生物膜形成以后，生物活性炭层中的微生物一方面去除水中的易于降解物质，另一方面降解活性炭孔隙中吸附下来的有机物等，使活性炭得到部分再生，继续发挥吸附作用，有效去除有毒有害物质。生物活性炭夏季挂膜速度优于冬季，但净水厂炭池进水氨氮浓度偏低，挂膜期间，为了提高炭池中硝化菌和亚硝化菌的营养基质浓度，有必要采用人工加氨的方式，提高进水氨氮浓度，促进硝化菌和亚硝化菌的生长。
该技术已应用于无锡中桥水厂示范工程，臭氧—生物活性炭工艺能够有效提高出水水质。臭氧最佳投加量为1～2mg/L，在臭氧接触池和生物活性炭池停留时间均为10min的条件下，臭氧—生物活性炭组合工艺对砂滤出水中的CODMn和UV254的平均去除率分别为30.17%和43.33%。
3.3 超滤膜多级屏障把关处理工艺
超滤膜能有效截留水中残留的细菌等微生物、铁锈、胶体、泥沙、悬浮物、大分子有机物等有害物质。针对生物活性炭池在盛夏季节可能存在生物泄露的风险，为保障水质安全，设置超滤膜工艺截留微生物等可能泄露的物质。无锡中桥水厂示范工程已经采用该技术作为生物活性炭池微生物等泄漏的多级屏障把关工艺，超滤膜作为15万m3/d示范工程中最后一座处理构筑物，成为出厂水水质安全保障的可靠屏障。表2列出了超滤膜工艺出水部分水质指标。
从表2中数据可以看出，超滤后水中未检测到颗粒物，浊度一般在0.05NTU左右波动，说明超滤膜对颗粒物有很好的截留作用。
3.4 高藻、高有机物、高氨氮原水的安全消毒技术
由于活藻和死藻释放的有机物、排入太湖水体的各类有机物以及处理过程中产生的代谢产物，经氯化消毒后均可能生成对人体健康有毒有害的含碳和含氮消毒副产物。因此，明确前体物特性和揭示其生成机制是实现消毒副产物有效控制的关键，围绕这一关键科学问题，在对三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物开展广泛研究的基础上，从分析方法、浓度分布、前体物识别、生成影响因素与路径、综合控制等多方面对卤乙腈、卤代硝基甲烷、亚硝胺和卤代乙酰胺等高毒性含氮消毒副产物开展了系统研究。特别针对含氮消毒副产物前体物(溶解性有机氮等)在太湖水中浓度高的特点，将水源水中的有机物筛选细化，识别出多种典型含氮消毒副产物的关键前体物(见表3)。原水通过预臭氧化、生物预处理、强化常规处理、臭氧—生物活性炭、超滤膜多级屏障深度处理集成工艺流程净化，水体中的溶解性有机氮化合物、亚硝酸盐、藻类、腐殖酸等有机污染物均可得到有效去除，从而大大降低后续氯化消毒过程中上述消毒副产物的形成，明显提高了饮用水的安全性。
3.5 高藻、高有机物湖泊原水安全处理的集成技术体系
针对高藻、高有机物、高氨氮和高臭味原水特征，结合现状常规工艺技术特点和运行效果，通过中试研究，经技术研发和集成，形成南泉水源厂预处理出水(预臭氧→生物预处理)→常规处理(絮凝池→平流式沉淀池→普通快滤池)→臭氧—生物活性炭→超滤膜多级屏障深度处理工艺流程，并依托于无锡中桥水厂实施示范工程，生产规模为15万m3/d，工艺流程见图3。超滤膜出水经氯化消毒后出厂，加氯量可明显降低(消毒副产物可大大降低)。
2011年2～8月南泉水源厂预处理、中桥水厂深度处理示范工程试运行期间，根据第三方检测和运行监测数据，出厂水中的氨氮、CODMn、臭味等指标均达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)规定的106项指标，部分数据见表4。预处理→常规处理→后臭氧-生物活性炭→超滤膜多级屏障集成工艺彻底解决了多年来盛夏季节困扰无锡市饮用水的藻臭等水质问题。服务人口达80万，具有明显的经济和环境效益以及巨大的社会效益。研究成果具有良好的推广应用价值，已在无锡以太湖水为水源的雪浪水厂等净水厂进行推广应用。类似的工艺流程，在江、浙、沪地区正被认可，并逐步推广应用，为长三角地区饮用水水质的安全保障提供了技术支撑。
3.6 示范工程工艺流程在推广使用过程中可能出现的问题
上述示范工程在运行过程中，在原水溴离子浓度较高时，可能会面临溴酸盐超标问题。但实践证明，一旦出现此类问题，首先在保证水质的前提下，可略降低臭氧投加量，如实在不行，可采取加氨或投加双氧水的措施。
另一个可能出现的问题是可能会导致制水成本较高。但随着人民生活水准和认识水平的提高，对饮用水水质的要求越来越高，饮用水的多级屏障处理使饮用水水质大大改善，老百姓一定会对成本有理性的认识。
4.结论
(1)无锡中桥水厂高藻和高有机物原水膜深度处理集成技术示范工程，规模为15万m3/d，采用预处理耦合技术→强化常规处理→臭氧-生物活性炭→超滤膜联用多级屏障处理工艺流程，运行效果优良，彻底解决了多年来盛夏季节困扰无锡市饮用水的藻臭等水质问题。
(2)采用多段屏障处理工艺后，净加氯量明显减少，出厂水中的消毒副产物和致突变活性大大降低。
(3)后置超滤膜处理工艺真正起到了为净水厂出水安全性把关的多级屏障作用。
