劉 成，蘭 童,陳 衛(wèi)

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098)

臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工藝近年來(lái)在國(guó)內(nèi)水廠中廣泛應(yīng)用，對(duì)提升水廠出水水質(zhì)、保障供水安全具有重要的作用。相關(guān)研究及工程應(yīng)用[1]結(jié)果表明，O3-BAC工藝可有效強(qiáng)化高錳酸鹽指數(shù)(以O(shè)2計(jì))、微量有機(jī)污染物、氨氮去除以及控制后續(xù)消毒過(guò)程中三鹵甲烷和鹵乙酸的生成。生物活性炭(BAC)單元工藝的凈化效能隨使用時(shí)間呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且活性炭顆粒的自身性能指標(biāo)也逐漸降低[2]，至特定時(shí)間點(diǎn)無(wú)法滿足水廠的使用要求[3]，可認(rèn)為BAC已“失效”，需更換或再生。然而目前針對(duì)水廠BAC失效的判定依據(jù)以及在水廠實(shí)際應(yīng)用中的操作尚沒(méi)有完全公認(rèn)的思路和方法。

國(guó)內(nèi)針對(duì)水廠BAC失效判定依據(jù)的研究大致可分為兩個(gè)階段：前期主要以單一的指標(biāo)作為依據(jù)，如以活性炭的碘值[4]、BAC針對(duì)特定水質(zhì)指標(biāo)的凈化效能[5]等作為判定依據(jù)；后期則進(jìn)一步針對(duì)判定依據(jù)的系統(tǒng)性、前瞻性和可操作性進(jìn)行了細(xì)化，形成了失效判定的相應(yīng)導(dǎo)則或標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，提升了對(duì)水廠操作實(shí)踐的指導(dǎo)作用。河海大學(xué)在國(guó)家科技支撐計(jì)劃“高藻水源水處理技術(shù)與工藝研究及示范(2007BAC26B03)”和水專項(xiàng)“高藻、高有機(jī)物湖泊型原水處理技術(shù)集成與示范(2008ZX07421-002)”“江蘇太湖水源飲用水安全保障技術(shù)集成與綜合示范(2012ZX07403-001)”“常州市太湖流域水源飲用水安全保障技術(shù)與應(yīng)用示范(2017ZX07201002)”以及無(wú)錫、南京等水司委托的橫向課題資助下，針對(duì)水廠O3-BAC工藝的機(jī)理及運(yùn)行管理優(yōu)化進(jìn)行了系統(tǒng)研究，其中在水專項(xiàng)“江蘇太湖水源飲用水安全保障技術(shù)集成與綜合示范(2012ZX07403-001)”中負(fù)責(zé)了研究任務(wù)“活性炭失效判別和更換規(guī)程”，專門(mén)針對(duì)水廠活性炭的失效判定及后續(xù)更換、再生進(jìn)行了研究，形成了《江蘇省城鎮(zhèn)供水廠生物活性炭失效判別標(biāo)準(zhǔn)和更換導(dǎo)則》(蘇建城〔2016〕493號(hào))，對(duì)水廠BAC失效判定依據(jù)及后續(xù)更換工作給出了框架性的指導(dǎo)意見(jiàn)。

然而上述導(dǎo)則或標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際水廠中的落地實(shí)施尚需結(jié)合水廠實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化。本文將結(jié)合各水廠在確定BAC失效判定依據(jù)及在水廠實(shí)際應(yīng)用操作過(guò)程中需要考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行論述，并針對(duì)水廠實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)施和管理給出了建議，以期為水廠提供指導(dǎo)或借鑒。

1 水廠BAC失效判定需明確的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 水廠O3-BAC、BAC工藝應(yīng)用的功能定位

水廠BAC失效判定首先需要明確失效的“效”的含義，確定與之直接相關(guān)的性能參數(shù)。由于在水源水質(zhì)、常規(guī)工藝組成、運(yùn)行及其凈化能力等方面存在一定的差異，各水廠O3-BAC深度處理工藝設(shè)置的目的及其功能定位也不相同。綜合來(lái)看，水廠設(shè)置O3-BAC工藝的目的主要用于強(qiáng)化去除或控制以下幾個(gè)方面的水質(zhì)指標(biāo)。

(1)一般有機(jī)物及消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)。水中一般有機(jī)物或者天然有機(jī)物所包含的種類較多，逐一測(cè)定的難度較大，通常采用高錳酸鹽指數(shù)(以O(shè)2計(jì))、DOC或UV254等指標(biāo)來(lái)表示。這些有機(jī)物種類對(duì)人體或生物體健康并沒(méi)有直接危害，但會(huì)在消毒過(guò)程中與氯反應(yīng)生成多種有害的消毒副產(chǎn)物。水廠實(shí)踐中常通過(guò)控制水中有機(jī)物含量和優(yōu)化消毒工藝來(lái)進(jìn)行控制，其中，高效去除有機(jī)物、降低消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)是重要的途徑。O3-BAC單元工藝是飲用水處理工藝中降低有機(jī)物含量的重要單元，也是通常被水廠用來(lái)評(píng)價(jià)其凈化效能的依據(jù)之一。

(2)微量有機(jī)污染物。主要包括在水中含量較低但對(duì)水質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定負(fù)面影響的有機(jī)物種類，主要包括內(nèi)分泌干擾物、持久性污染物、農(nóng)藥、藥物及個(gè)人護(hù)理品(PPCPs)等，其中大部分被歸為“新污染物”的范疇。此類物質(zhì)大部分無(wú)法在常規(guī)處理工藝中有效去除，O3-BAC工藝可實(shí)現(xiàn)對(duì)大部分種類“新污染物”的去除，對(duì)于水質(zhì)安全保障具有重要的意義。

(3)致嗅物質(zhì)。其中包括生物致嗅物質(zhì)和化學(xué)類致嗅物質(zhì)，前者主要是指土臭素(GSM)、2-甲基異莰醇(2-MIB)、β-環(huán)檸檬醛、硫醇、硫醚類等由于生物因素所產(chǎn)生的致嗅類物質(zhì)，后者則主要包括醛、酮、胺類及氯、氯胺類消毒劑等導(dǎo)致水呈現(xiàn)味道的化學(xué)物質(zhì)?；谄浞肿咏Y(jié)構(gòu)上的特征，大部分致嗅物質(zhì)可通過(guò)氧化、生物降解、吸附等多種途徑進(jìn)行去除，O3-BAC工藝可通過(guò)臭氧氧化、活性炭吸附及生物降解等途徑等實(shí)現(xiàn)對(duì)大部分種類致嗅物質(zhì)的高效去除。

(4)氨(以N計(jì))。它是氨氮在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)中的新名稱，實(shí)際水廠處理中主要通過(guò)生物降解氧化(折點(diǎn)氯化)或應(yīng)急投加沸石類凈化材料等途徑進(jìn)行去除。O3-BAC工藝可實(shí)現(xiàn)對(duì)氨的高效去除，其中BAC單元可以通過(guò)生物降解途徑(同化利用和異化分解)實(shí)現(xiàn)對(duì)水中氨的去除或轉(zhuǎn)化，生物活性或生物降解能力以及水溫等是影響氨去除的關(guān)鍵因素。

(5)金屬離子。水源水中含有多種以離子形態(tài)存在的典型金屬離子，其中部分為具有一定危害性的重金屬離子。BAC在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)水中部分金屬離子具有一定的去除作用，而臭氧氧化則通過(guò)改變金屬離子的價(jià)態(tài)及其在水中存在形態(tài)而強(qiáng)化其去除。

(6)應(yīng)對(duì)典型突發(fā)污染物。突發(fā)或者風(fēng)險(xiǎn)污染物是目前影響供水安全的關(guān)鍵因素，大部分水廠都結(jié)合水廠自身情況編制了應(yīng)急預(yù)案，并設(shè)置了相應(yīng)的應(yīng)急處理措施。課題組近年來(lái)的研究表明，O3-BAC工藝對(duì)水廠應(yīng)對(duì)典型水源突發(fā)污染物具有較好的補(bǔ)充作用，可通過(guò)臭氧氧化、生物降解、吸附等途徑有效提升水廠應(yīng)對(duì)突發(fā)污染的能力。

一般而言，臭氧氧化工藝單元的效能主要通過(guò)投加量及接觸時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，與其使用年限關(guān)系不大，即O3-BAC工藝凈化效能隨時(shí)間的變化主要源于BAC工藝單元凈化效能的改變，因此，針對(duì)O3-BAC工藝的功能定位及其失效判定需要重點(diǎn)考慮BAC單元的效能變化。需要注意的是，在水廠實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)O3-BAC或BAC工藝的功能定位可能是上述功能中的一種或多種?？紤]到飲用水水質(zhì)安全的重要性和敏感性，在多種功能定位共存時(shí)的BAC失效判定應(yīng)按最不利情況來(lái)考慮。

1.2 BAC凈化水質(zhì)的作用機(jī)理及凈化過(guò)程

BAC凈化過(guò)程中涉及的作用途徑及其機(jī)制相對(duì)復(fù)雜，且隨使用時(shí)間呈現(xiàn)一定的變化。一般認(rèn)為BAC在應(yīng)用前期以吸附作用為主，而在生物膜成熟之后生物降解則占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。然而在BAC凈化過(guò)程中存在一個(gè)客觀的現(xiàn)象：BAC的凈化效能隨著使用時(shí)間呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，而碘值、微孔容積等表征吸附性能的指標(biāo)在BAC在整個(gè)應(yīng)用過(guò)程中均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且在不同時(shí)間段降低的速率存在一定差異[2]，這也說(shuō)明吸附作用貫穿于BAC的整個(gè)作用過(guò)程，且在不同應(yīng)用階段的貢獻(xiàn)不同。綜合前期的研究結(jié)果，初步擬合了BAC顆粒的基本組成及凈化過(guò)程(圖1)。

圖1 BAC顆粒的基本組成及凈化過(guò)程示意圖Fig.1 Basic Composition and Purification Process Diagram of BAC Particles

由圖1可知，附著生物膜成熟后的BAC在基本組成結(jié)構(gòu)上具有以下基本特征：1)生物膜主要包裹于BAC顆粒表面及大孔內(nèi)，且具備一定的通透性，可作為水中污染物向活性炭?jī)?nèi)部中孔、微孔擴(kuò)散的通道；2)生物膜外側(cè)存在附著水層，作為與流動(dòng)水層之間物質(zhì)擴(kuò)散和交換的通道；3)BAC顆粒表面也存在數(shù)量不等的微孔，對(duì)于快速吸附過(guò)程中具有重要作用，且可較易被再生[8]。

圖1的結(jié)果也表明，水中污染物凈化過(guò)程、作用機(jī)理及在BAC顆粒上的分布與其自身性質(zhì)有直接關(guān)系，分別通過(guò)生物分解轉(zhuǎn)化、生物同化、生物吸附、物理吸附、化學(xué)吸附等途徑中的一種或多種作用實(shí)現(xiàn)有效去除。需要特別注意的過(guò)程包括：1)吸附在活性炭孔隙內(nèi)的污染物可被擴(kuò)散到孔道內(nèi)的胞外水解酶轉(zhuǎn)化、分解，導(dǎo)致其從活性炭孔隙內(nèi)發(fā)生脫附作用，并在反向擴(kuò)散過(guò)程中被微生物膜進(jìn)一步截留、降解，實(shí)現(xiàn)部分活性炭孔隙的恢復(fù)和局部再生；2)金屬離子、典型陰離子正常情況下主要通過(guò)化學(xué)吸附、物理吸附以及生物吸附等作用途徑進(jìn)行去除，且會(huì)長(zhǎng)期積累在活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)，是造成BAC顆?；曳衷谑褂眠^(guò)程中持續(xù)增加的關(guān)鍵原因[9]；3)污染物降解過(guò)程中的同化作用導(dǎo)致BAC顆粒上生物膜厚度逐步增厚，并通過(guò)生物膜內(nèi)自身調(diào)節(jié)機(jī)制和反沖洗過(guò)程的沖刷作用呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，過(guò)程中會(huì)影響B(tài)AC的凈化效能及代謝產(chǎn)物的種類及產(chǎn)率，并最終影響處理出水水質(zhì)。

此外，需注意的是難降解污染物(其中部分為典型新污染物)主要通過(guò)濃度梯度驅(qū)動(dòng)作用吸附在BAC顆粒內(nèi)，并可能因?yàn)檫M(jìn)水中污染物的濃度變化導(dǎo)致出現(xiàn)脫附現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)“負(fù)去除”的可能，這在水質(zhì)周期性變化比較明顯的水廠以及應(yīng)急處理過(guò)程中需要特別關(guān)注。

1.3 BAC生物降解效能隨使用時(shí)間的變化及其演變規(guī)律

生物降解效能在BAC工藝凈化過(guò)程中具有重要貢獻(xiàn)，尤其是在生物膜成熟并基本穩(wěn)定后的應(yīng)用階段。BAC的生物降解性能主要受到生物膜厚度、生物群落組成及相互間的協(xié)作關(guān)系、生物活性等因素的影響，一般認(rèn)為BAC顆粒附著的生物量在3～5年后基本維持穩(wěn)定[2]。然而課題組近年的研究[10]結(jié)果表明，BAC顆粒上附著生物膜的生物膜厚度、生物群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性、生態(tài)位寬度隨使用時(shí)間呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律：1)BAC附著生物膜所含有的微生物種類基本相近，但比例上會(huì)有一定程度的變化，根瘤菌、阿菲波菌屬、硝化螺菌屬等降解有機(jī)物和氨氮功能微生物的比例隨使用時(shí)間顯著降低；2)BAC生物膜的生物多樣性在2年后呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，這對(duì)于保障微生物代謝能力和提高微生物群落的穩(wěn)定性均有不利影響，并影響污染物去除效能。

進(jìn)一步針對(duì)BAC顆粒上微生物組裝機(jī)制的分析結(jié)果(圖2)表明，微生物組裝機(jī)制在不同使用年限BAC的微生物群落組裝過(guò)程中存在較明顯的差別：1)有限擴(kuò)散過(guò)程所占比例隨使用年限逐步下降，且在1年和2年BAC發(fā)揮關(guān)鍵作用(47.91%～51.63%)；2)均質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程所占比例與BAC使用年限有關(guān)，在3～7年BAC生物膜中相對(duì)貢獻(xiàn)較高，比例為39.20%～46.21%；3)均質(zhì)選擇組裝過(guò)程所占比例則隨使用年限呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在8～10年BAC中的微生物群落組裝過(guò)程中的比例較高，為59.09%～75.63%。一般認(rèn)為，均質(zhì)選擇組裝過(guò)程導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)的相似性增加[11]，降低了BAC群落多樣性，并對(duì)微生物應(yīng)對(duì)外界環(huán)境條件改變的能力產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，這也說(shuō)明BAC使用年限會(huì)在一定程度上影響應(yīng)對(duì)水質(zhì)條件突變的能力，并弱化水質(zhì)突變條件下的BAC凈化性能。

圖2 不同使用年限BAC微生物群落組裝過(guò)程Fig.2 Assembly Process of BAC Microbial Community under Different Service Lifes

1.4 O3-BAC工藝應(yīng)用過(guò)程中可能對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生的負(fù)面影響

O3-BAC工藝通過(guò)氧化、生物降解和吸附等作用去除水中污染物，同時(shí)也會(huì)生成一定的中間產(chǎn)物或副產(chǎn)物。前期關(guān)注較多的主要為臭氧氧化過(guò)程中生成的醛、溴酸鹽之類的氧化副產(chǎn)物，并且給出了相應(yīng)的控制對(duì)策[12-13]，然而針對(duì)BAC凈化過(guò)程中的副產(chǎn)物或中間產(chǎn)物則關(guān)注較少。微生物在降解污染物的同時(shí)必然會(huì)生成相應(yīng)的代謝產(chǎn)物，而其成分及特性與進(jìn)水中的污染物種類及其微生物降解轉(zhuǎn)化途徑直接相關(guān)。使用年限直接影響B(tài)AC顆粒上附著的生物量及生物膜的厚度，并改變微生物的生長(zhǎng)環(huán)境及條件，進(jìn)而影響代謝途徑及代謝產(chǎn)物的種類、含量，進(jìn)而影響出水水質(zhì)。課題組前期針對(duì)不同使用年限BAC凈化過(guò)程中溶解性有機(jī)氮(dissolved organic nitrogen，DON)的變化結(jié)果(圖3)表明，BAC對(duì)DON的控制效能與其使用年限直接相關(guān)，使用年限較長(zhǎng)的BAC可能出現(xiàn)負(fù)去除的情況，且負(fù)去除程度和出現(xiàn)機(jī)率在使用年限超過(guò)5年時(shí)隨使用年限呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)。

圖3 不同使用年限BAC進(jìn)出水中DON含量的變化Fig.3 Changes of DON Content in BAC Inflow and Treated Water under Different Service Years

需特別注意的是，水中部分污染成分經(jīng)微生物降解、轉(zhuǎn)化后形成的中間代謝產(chǎn)物，可能具有比物質(zhì)本身更高的毒性或危害性，諸如各類重金屬的甲基化產(chǎn)物。此外，可能存在部分微量有害物質(zhì)在BAC顆粒上累積并在特定條件下(諸如炭粒破碎、生物膜異常增厚等)集中釋放的問(wèn)題，而活性炭強(qiáng)度導(dǎo)致的細(xì)菌附著微細(xì)炭顆粒對(duì)消毒效能及出水水質(zhì)的負(fù)面影響也被廣泛關(guān)注。這些過(guò)程的發(fā)生程度及機(jī)率均與BAC的使用年限存在一定的關(guān)聯(lián)，需要在失效判定過(guò)程中予以充分重視。

1.5 使用年限對(duì)BAC更換后的再利用途徑及潛力的影響

在國(guó)家已明確“雙碳”目標(biāo)的背景下，BAC失效判定尚需考慮更換下BAC的資源化利用及安全處置問(wèn)題。一般情況下，生產(chǎn)1 t煤質(zhì)活性炭需要消耗3～5 t優(yōu)質(zhì)原煤，而水處理過(guò)程中用途對(duì)活性炭的需求具有較明顯的差異，這為水廠更換下的廢舊BAC資源化利用提供了良好的前提條件。目前針對(duì)更換下的廢舊BAC主要采用運(yùn)回活性炭廠進(jìn)行回爐熱再生的方式。課題組近期的研究[14]結(jié)果表明，較長(zhǎng)的使用年限會(huì)顯著增加活性炭顆粒上有機(jī)和無(wú)機(jī)成分的累積量，影響熱再生過(guò)程的恢復(fù)率、再生得率及機(jī)械強(qiáng)度(圖4)，進(jìn)而影響后續(xù)可能的資源化途徑及經(jīng)濟(jì)效益。由于各水廠原水水質(zhì)及BAC應(yīng)用形式存在較明顯的差異，使用過(guò)程中BAC顆粒上有機(jī)、無(wú)機(jī)成分的積累速率存在一定的差別，對(duì)更換下廢舊BAC的再利用需要進(jìn)行針對(duì)性考慮，并在BAC失效判定過(guò)程中基于活性炭全生命周期評(píng)估予以確定失效時(shí)間節(jié)點(diǎn)及判定依據(jù)。

圖4 使用年限對(duì)BAC熱再生過(guò)程中恢復(fù)率、再生得率及機(jī)械強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of Service Life on Recovery Rate,Regeneration Rate and Mechanical Strength of BAC during Thermal Regeneration

此外，由于我國(guó)水廠BAC使用年限相對(duì)較長(zhǎng)，在應(yīng)用過(guò)程中富集了大量有機(jī)、無(wú)機(jī)成分，其中涉及到部分具有一定危害的無(wú)機(jī)重金屬離子[15]，在資源化利用過(guò)程中需要予以充分考慮，適當(dāng)條件下需采取規(guī)避性處理措施。

2 水廠BAC失效判定需要考慮的基本原則及基本依據(jù)

2.1 BAC失效判定需考慮的基本原則

基于BAC作用的基本機(jī)理、凈化效能及其影響因素、活性炭性狀變化規(guī)律等方面的綜合考慮，水廠BAC失效判定需要考慮的基本原則如下。

(1)準(zhǔn)確性或重現(xiàn)性。凈化效能是判定BAC失效的最根本依據(jù)，然而由于凈化過(guò)程尤其是生物凈化作用易受到外界條件的影響而呈現(xiàn)一定的變化范圍，可能造成判定結(jié)果出現(xiàn)偏差。此外，針對(duì)BAC池凈化效能的確定，還會(huì)受到所取樣品的代表性及樣品測(cè)定準(zhǔn)確性等方面的影響。前期與國(guó)家城市供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)某地方監(jiān)測(cè)站合作針對(duì)太湖流域某水廠BAC凈化效能的跟蹤調(diào)研結(jié)果中，也發(fā)現(xiàn)會(huì)存在部分不理想的測(cè)定結(jié)果，簡(jiǎn)單以此為依據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致失效判定上出現(xiàn)明顯偏差。因此，判定依據(jù)的選擇不宜單純以某個(gè)或某幾個(gè)指標(biāo)的去除率作為依據(jù)，而是要結(jié)合其凈化機(jī)制，選擇適宜的數(shù)值處理方式或者選擇穩(wěn)定性較強(qiáng)的替代指標(biāo)，確保判定的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。

(2)可預(yù)見(jiàn)性。BAC工藝對(duì)于水廠出水水質(zhì)安全具有重要的保障作用，在BAC的失效判定、更換或再生過(guò)程中應(yīng)充分考慮水廠凈化水質(zhì)的安全和穩(wěn)定，因此，失效判定依據(jù)應(yīng)該具有較好的可預(yù)見(jiàn)性，為后續(xù)更換或再生提供充足的時(shí)間余量，以便采取適宜的處理措施。我國(guó)部分飲用水源存在水質(zhì)周期性變化的特征，結(jié)合水質(zhì)周期的水質(zhì)特點(diǎn)及處理需求，合理確定失效判定依據(jù)和活性炭更好時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可有效應(yīng)對(duì)可能的水質(zhì)變化，確保出水水質(zhì)安全。

(3)可操作性。鑒于各水廠在檢測(cè)水平及日常管理和監(jiān)管水平上存在一定的差異，失效判定依據(jù)及其實(shí)施應(yīng)充分兼顧到各類水廠，具備在各類型水廠實(shí)施的可能性，具體表現(xiàn)在水廠操作上的便利性和可達(dá)性，特定情況下需針對(duì)具體操作步驟、實(shí)施環(huán)節(jié)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化界定。

(4)差異性與時(shí)效性。鑒于各水廠的水源存在多種類型，水質(zhì)特征存在一定差異，典型水質(zhì)問(wèn)題和水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)也不一致，因此，結(jié)合各水廠BAC的功能定位,合理確定各自的失效判定依據(jù)非常關(guān)鍵?；贐AC作用機(jī)理及效能變化規(guī)律，結(jié)合各水廠實(shí)際的功能定位，根據(jù)一般性失效判定依據(jù)確定方法及規(guī)則，確定針對(duì)性的水廠失效生物活性炭依據(jù)，做到“一廠一策”。此外考慮到水源水質(zhì)可能出現(xiàn)一定的整體變化趨勢(shì)，因此，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，才能相對(duì)準(zhǔn)確地確定BAC失效判定點(diǎn)，并安全、經(jīng)濟(jì)地保障其凈化效能和水廠出水水質(zhì)。

2.2 基本依據(jù)

綜合上述分析可以初步確定BAC的失效判定應(yīng)以保障出水水質(zhì)為主體，重點(diǎn)應(yīng)考慮兩個(gè)層面的內(nèi)容：凈化效能和可能衍生的負(fù)面影響。如需對(duì)更換下的活性炭進(jìn)行資源化利用，尚需考慮活性炭灰分、金屬元素組成及占比、有機(jī)成分含量等可能會(huì)產(chǎn)生影響的指標(biāo)。一般水廠失效判定基本依據(jù)可按以下兩個(gè)方面考慮。水廠中BAC失效判定體系及其實(shí)施如圖5所示。

(1)凈化效能及其指示指標(biāo)

根據(jù)各水廠對(duì)BAC的應(yīng)用功能定位確定其相應(yīng)的凈化效能限值，且有多種凈化功能需求時(shí)需按照最不利情況來(lái)考慮。然而水廠實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，BAC工藝單元對(duì)特定污染物的去除率受到諸如水溫之類的水質(zhì)條件影響而呈現(xiàn)波動(dòng)狀況，而且取樣過(guò)程的規(guī)范性和所取樣品的代表性也會(huì)影響測(cè)定結(jié)果。結(jié)合判定依據(jù)確定所需考慮的原則，針對(duì)BAC凈化效能的評(píng)價(jià)不宜采用單一的特定指標(biāo)的去除效率。鑒于BAC凈化效能源于其自身性狀及所附著生物膜的特性，因此，基于特定污染物去除需求確定與其對(duì)應(yīng)的BAC性能參數(shù)數(shù)值，并將兩者結(jié)合作為判定BAC失效的基本依據(jù)，有利于保障BAC失效判定的準(zhǔn)確性及其凈化效能。

圖5 水廠中BAC失效判定體系及其實(shí)施Fig.5 BAC Failure Judgement System and the Implementation in WTP

考慮到測(cè)定的準(zhǔn)確性、便利性以及與其他活性炭性能參數(shù)的相關(guān)性，碘值、生物性能參數(shù)可以作為BAC失效判定的間接指標(biāo)。實(shí)際水廠應(yīng)用中BAC的碘值隨使用時(shí)間降低的速率在不同的使用年限存在一定差異，表明吸附和生物降解作用途徑在不同使用年限的貢獻(xiàn)也存在一定差異。為確保更準(zhǔn)確地表征水廠BAC的凈化效能，實(shí)際水廠操作過(guò)程中，需要定期檢測(cè)碘值及BAC對(duì)特定污染物的凈化效能，并根據(jù)最新的檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)建立相關(guān)曲線，用于預(yù)判之后3～6個(gè)月的BAC凈化效能變化。更關(guān)鍵的是要根據(jù)新的檢測(cè)結(jié)果適時(shí)調(diào)整相關(guān)曲線及預(yù)測(cè)結(jié)果，時(shí)間間隔宜控制在3～6個(gè)月[16]。

(2)可能衍生的負(fù)面影響及關(guān)鍵指標(biāo)

目前BAC應(yīng)用過(guò)程中受到廣泛關(guān)注的可能負(fù)面影響主要包括DON含量增加、細(xì)菌附著微細(xì)炭顆粒增多等，而活性炭強(qiáng)度的變化則會(huì)導(dǎo)致工藝出水中微細(xì)炭顆粒的數(shù)量顯著增多[3]。根據(jù)前期的研究結(jié)果，這些負(fù)面影響均與BAC的使用年限存在較明顯的關(guān)系，因此，需要結(jié)合使用年限對(duì)BAC典型副產(chǎn)物生成的影響規(guī)律,合理確定其使用年限。

3 水廠BAC失效判定過(guò)程中的實(shí)際操作方案建議

O3-BAC工藝是目前飲用水處理系統(tǒng)中控制水中污染物尤其是微量有機(jī)污染物的最重要單元，直接影響水廠出水水質(zhì)的安全。鑒于各水廠水源水質(zhì)特征及可能風(fēng)險(xiǎn)污染物的差異性和可變性，及時(shí)了解BAC性狀并結(jié)合實(shí)際凈化需求，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整對(duì)確保水廠出水水質(zhì)具有重要的意義。實(shí)際水廠在日常管理中應(yīng)結(jié)合水廠實(shí)際運(yùn)行情況、水源水質(zhì)特征、風(fēng)險(xiǎn)污染物種類及含量，及時(shí)對(duì)BAC的狀態(tài)進(jìn)行合理評(píng)估，并給出客觀評(píng)分及處置建議，以便為水廠運(yùn)行提供指導(dǎo)，并對(duì)可能出現(xiàn)的水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)提前進(jìn)行應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。

課題組基于水廠運(yùn)行管理水平、水源水質(zhì)特征、風(fēng)險(xiǎn)污染分析以及BAC基本性狀等因素初步建立了針對(duì)水廠BAC整體狀況的健康評(píng)分體系(圖6)，并針對(duì)太湖流域某水廠進(jìn)行了BAC使用年限為8～10年時(shí)以及BAC更換前后的“健康”評(píng)估，評(píng)估結(jié)果可直接反饋該水廠BAC運(yùn)行狀況及水質(zhì)保障水平，從而為水廠運(yùn)行、管理決策提供有效的依據(jù)。針對(duì)設(shè)有O3-BAC深度處理工藝并有較明顯水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的水廠，建議委托專業(yè)機(jī)構(gòu)逐年進(jìn)行類似的健康評(píng)估以及工藝運(yùn)行管理優(yōu)化建議，以便及時(shí)掌握BAC運(yùn)行狀況的第一手資料。

圖6 水廠BAC工藝健康評(píng)估體系構(gòu)建Fig.6 Construction of BAC Process Health Assessment System for WTPs

4 結(jié)論

功能定位、凈化機(jī)理、生物降解作用變化規(guī)律、生物降解副產(chǎn)物以及更換下的BAC再利用途徑及價(jià)值是BAC失效判定過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵因素。

BAC失效判定依據(jù)的確定需要結(jié)合水廠實(shí)際情況，充分考慮準(zhǔn)確性(重現(xiàn)性)、可預(yù)見(jiàn)性、可操作性和差異性(時(shí)效性)等基本原則來(lái)確定，實(shí)施過(guò)程中應(yīng)做到“一廠一策”。

結(jié)合水廠運(yùn)行管理水平、水源水質(zhì)特征、風(fēng)險(xiǎn)污染分析以及根據(jù)BAC基本性狀建立BAC工藝單元健康評(píng)價(jià)體系，并且水廠實(shí)際運(yùn)行管理過(guò)程中結(jié)合水廠自身狀況逐年進(jìn)行“健康”評(píng)估，有利于提升水廠標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行、確保水廠出水水質(zhì)。