長期運(yùn)行的生物活性炭池失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張孝洪，賴浩林，張可佳,*，傅舟躍

(1.舟山市自來水有限公司，浙江舟山 316021；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，供水安全保障也隨之面臨挑戰(zhàn)，因此，越來越多的水廠采用深度處理技術(shù)以保障供水水質(zhì)[1-4]。臭氧活性炭工藝因其穩(wěn)定的處理效果、相對(duì)較低的投資和運(yùn)行成本而受到水處理從業(yè)者的青睞，目前已在世界各國的飲用水處理中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。臭氧活性炭工藝能夠有效降低水中的天然有機(jī)物(NOM)，從而保障供水的生物穩(wěn)定性，減少消毒副產(chǎn)物的生成[6]。臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解是臭氧活性炭工藝去除有機(jī)物的3條主要途徑[7]。臭氧可以與有機(jī)物中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)或者碳碳雙鍵反應(yīng)，從而改變有機(jī)物結(jié)構(gòu)，使得不易于被微生物利用的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)榭缮锝到獾男》肿游镔|(zhì)，從而增強(qiáng)其可生化性[8]。生物活性炭(BAC)池則充分利用了活性炭吸附和生物降解的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步去除臭氧氧化產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)有效去除水中有機(jī)物的目的[9-10]。

但是，隨著工藝運(yùn)行時(shí)間的增長，活性炭的吸附位點(diǎn)逐漸飽和，吸附性能會(huì)逐漸降低，處理效果逐步減弱。當(dāng)活性炭的吸附性能下降到一定程度時(shí)，BAC池便會(huì)存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。這種失效風(fēng)險(xiǎn)可以歸結(jié)為以下3個(gè)方面：一是飽和活性炭解吸附的風(fēng)險(xiǎn)[11]；二是有機(jī)物突破炭濾層的風(fēng)險(xiǎn)；三是生物泄露的風(fēng)險(xiǎn)[12]。對(duì)于水廠來說，進(jìn)行炭濾池的性能分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和評(píng)估炭濾池的失效風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于保障供水的安全穩(wěn)定非常重要。目前來說，國家尚未出臺(tái)BAC失效判別和更換的國家標(biāo)準(zhǔn)。江蘇省《城鎮(zhèn)供水廠生物活性炭失效判別和更換標(biāo)準(zhǔn)》(DB 32/T 4245—2022)[13]將活性炭強(qiáng)度小于80%、顆粒均勻系數(shù) (K80)大于3.0、耗氧量去除率大于15%的年度保證率小于95%作為失效指標(biāo)，并建議活性炭碘值低于 250 mg/g或亞甲藍(lán)吸附值低于75 mg/g時(shí)宜進(jìn)行活性炭更換。上海市《凈水廠用煤質(zhì)顆?；钚蕴窟x擇、使用及更換技術(shù)規(guī)范》(DB 31/T 451—2021)[14]則規(guī)定，出現(xiàn)臭和味合格率明顯降低、總有機(jī)碳(或高錳酸鉀指數(shù))去除率小于15%、出水三鹵甲烷生成勢(shì)超過進(jìn)水三鹵甲烷生成勢(shì)的80%等情況中的一種應(yīng)全部或部分換炭。張雪等[15]研究發(fā)現(xiàn)，高錳酸鉀指數(shù)去除率小于15%和碘值小于250 mg/g作為失效指標(biāo)具有一定的適用性。馬仁杰等[16]則提出，BAC池適宜的使用年限為7～8年，以CODMn年平均去除率低于20%、灰分≥15%和碘吸附值≤200 mg/g作為失效指標(biāo)。目前，國內(nèi)對(duì)于長期運(yùn)行的BAC池失效的研究較少，活性炭失效指標(biāo)的選擇尚無定論，這也導(dǎo)致活性炭池的失效判定長期以來缺乏行之有效的指導(dǎo)。因此，結(jié)合炭濾池處理效能和活性炭的表征參數(shù)對(duì)其失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)很有必要，失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)也為活性炭池的優(yōu)化運(yùn)行以及更換提供了很好的參考價(jià)值。

Z市是國內(nèi)較早采用臭氧活性炭深度處理技術(shù)的城市之一，轄區(qū)范圍內(nèi)5座水廠均采用臭氧活性炭工藝。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，5座水廠臭氧活性炭工藝的處理效果都出現(xiàn)了不同程度的下降，可能存在失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，本研究選取Z市的5座水廠為研究對(duì)象，首先采用熒光光譜對(duì)5座水廠BAC池的處理效能進(jìn)行分析，并針對(duì)5座水廠的運(yùn)行現(xiàn)狀選取適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，以期為長期運(yùn)行的BAC池的失效判別提供借鑒。

1 水廠概況

如表1所示，Z市5座設(shè)置臭氧活性炭工藝的水廠為多水源供水，原水水質(zhì)常年維持在Ⅱ～Ⅲ類，月變化較大，其中XGT水廠原水水質(zhì)略差。5座水廠中PT、DB、XGT水廠的設(shè)計(jì)規(guī)模較小，5座水廠均設(shè)置有預(yù)臭氧和主臭氧接觸池，且活性炭池運(yùn)行周期較長，運(yùn)行時(shí)間最長的LC水廠已達(dá)12年。除XGT水廠外，其余水廠的預(yù)臭氧投加量在0.75～1.0 mg/L，5座水廠主臭氧投加量在0.5～0.8 mg/L，空床接觸時(shí)間為10～13 min，均采用了氣水反沖洗方式，氣沖強(qiáng)度均為55 m3/(m2·h)，水洗強(qiáng)度略有差異。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

碘吸附值測(cè)定所使用試劑包括：碘標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液[c(1/2I2)=0.1 mol/L]、硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液[c(Na2S2O3)=0.100 0 mol/L]，均購自福州飛凈生物科技有限公司；淀粉和鹽酸試劑為分析純，均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2.2 試驗(yàn)步驟

2.2.1 活性炭和水樣的采集

采集5座水廠的工藝水，其中LC水廠采樣點(diǎn)設(shè)置在臭氧接觸池前、活性炭池進(jìn)水和炭濾池后，后文中的采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)2均位于活性炭池進(jìn)水處；其他4座水廠采樣點(diǎn)為炭濾池進(jìn)水和出水位置。水樣的采集方法和保存方法依據(jù)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 水樣的采集與保存》(GB/T 5750.2—2006)。采集各水廠反沖洗后上部10～30 cm處的活性炭樣本，其中LC水廠上層活性炭采自10～30 cm處，下層活性炭采自30～50 cm處，活性炭樣本采集后保存在4 ℃的冰箱中備用。

表1 Z市5座水廠的基本信息Tab.1 Basic Information of Five WTPs in Z City

2.2.2 臭氧活性炭工藝處理性能分析

采用三維熒光光譜分析各水廠臭氧活性炭工藝對(duì)于不同有機(jī)物組分的去除情況。三維熒光光譜分析采用島津熒光光度儀(RF-6000)，激發(fā)波長(Ex)為200～420 nm，掃描步長為5 nm；發(fā)射波長(Em)為280～550 nm，掃描步長為2 nm，掃描速度為2 000 nm/min。待測(cè)水樣過0.45 μm濾膜后注入四面透光的石英比色皿中進(jìn)行測(cè)定。

采用熒光區(qū)域積分法將三維熒光譜圖劃分為5個(gè)不同的積分區(qū)域，并分別計(jì)算各采樣點(diǎn)不同積分區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)體積以及占比，并采用相關(guān)的熒光光譜特征參數(shù)對(duì)有機(jī)物進(jìn)行表征[17-20]。

2.3 分析方法

2.3.1 尺寸排阻色譜分析

取10 g活性炭浸泡在超純水中24 h，隨后取上清液采用尺寸排阻色譜(SEC)和多種檢測(cè)器協(xié)同，同步測(cè)定熒光信號(hào)、紫外信號(hào)、有機(jī)碳與有機(jī)氮，對(duì)活性炭吸附的有機(jī)物組分進(jìn)行分析[21-22]。

2.3.2 微生物檢測(cè)

取10 g(濕重)活性炭置于250 mL無菌錐形瓶中，加入100 mL超純水，超聲20 s，后置于25 ℃恒溫?fù)u床用150 r/min的轉(zhuǎn)速搖動(dòng)30 min，取上清液25 mL左右裝入無菌的離心管中[23]。后續(xù)DNA的提取及高通量測(cè)序工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。獲取樣本在各分類水平上的組成情況，并對(duì)微生物的多樣性進(jìn)行分析。

2.3.3 活性炭表征

活性炭的碘吸附值測(cè)定參考《煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法 碘吸附值的測(cè)定》(GB/T 7702.7—2008)。BET比表面積和孔徑分布采用全自動(dòng)比表面和微孔孔徑分析儀(AUTOSORB-IQ2-MP)進(jìn)行測(cè)定。表面形態(tài)采用掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)。粒度分布測(cè)定主要參考《煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法 粒度的測(cè)定》(GB/T 7702.2—1997)，采用10、20、40、50、60目的篩網(wǎng)在振篩機(jī)上進(jìn)行篩分，測(cè)定各篩層的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比，并將其作為各活性炭試樣的粒度分布。

3 結(jié)果與討論

3.1 水廠現(xiàn)行臭氧活性炭工藝處理性能分析

5座水廠不同積分區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)體積以及占比如表2和圖1所示。對(duì)于LC水廠而言，經(jīng)過臭氧處理后，各個(gè)熒光區(qū)域的熒光強(qiáng)度均有不同程度的降低，其中腐植酸類物質(zhì)、富里酸類物質(zhì)、芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ、溶解性微生物代謝產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度均有明顯的下降，芳香蛋白類物質(zhì)I小幅下降。從各種類的有機(jī)物所占的比例來看，經(jīng)過臭氧處理后，腐植酸類物質(zhì)所占的比例有所下降，芳香蛋白類物質(zhì)I占比有所升高。但是，活性炭池出水中的腐植酸類物質(zhì)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物、芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ表現(xiàn)明顯的熒光強(qiáng)度。從5個(gè)熒光區(qū)域積分的標(biāo)準(zhǔn)體積來看，相較于采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)2而言均有明顯升高，溶解性微生物代謝產(chǎn)物、芳香蛋白類物質(zhì)I和Ⅱ均高于臭氧接觸池進(jìn)水，腐植酸類物質(zhì)和富里酸類物質(zhì)與臭氧接觸池進(jìn)水接近，總熒光區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積高于臭氧接觸池進(jìn)水。以上數(shù)據(jù)說明，當(dāng)LC水廠活性炭池微生物代謝活性較強(qiáng)時(shí)，活性炭池出水中由于微生物活動(dòng)而產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物和腐植酸類物質(zhì)含量高，最終導(dǎo)致活性炭出水總熒光強(qiáng)度高于臭氧接觸氧化池進(jìn)水。

表2 熒光區(qū)域積分標(biāo)準(zhǔn)體積Tab.2 Integration Standard Volume of Fluorescence Regional

圖1 不同積分區(qū)域的占比Fig.1 Proportion of Different Integral Regions

對(duì)于DB水廠來說，經(jīng)過活性炭池后，芳香蛋白類物質(zhì)、富里酸類物質(zhì)都有較為明顯的下降，但是腐植酸類物質(zhì)增加較為明顯，其總熒光強(qiáng)度有所上升。對(duì)于DH水廠來說，其熒光強(qiáng)度較低，與其原水有機(jī)物含量較少的情況較為吻合，經(jīng)過活性炭池后，各組分的含量和強(qiáng)度變化較小，說明當(dāng)進(jìn)水中有機(jī)物含量較低時(shí)，活性炭池的去除效果可能也會(huì)受到影響。對(duì)于PT水廠來說，其進(jìn)水中各有機(jī)物組分熒光強(qiáng)度極低，經(jīng)過活性炭池后，富里酸類物質(zhì)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物和腐植酸類物質(zhì)的熒光強(qiáng)度增加較為明顯。XGT水廠進(jìn)水中的總熒光強(qiáng)度顯著高于其他4個(gè)水廠，這與XGT水廠原水水質(zhì)較差和臭氧投加情況(預(yù)臭氧未投加)相符合，經(jīng)過活性炭池后，各組分的熒光強(qiáng)度顯著下降，但是活性炭出水中的總熒光強(qiáng)度依然較高，對(duì)于后續(xù)的工藝可能帶來較大的影響。

三維熒光光譜特征參數(shù)如表3所示，其中LC水廠每個(gè)采樣點(diǎn)腐殖化指數(shù)(HIX)<4，腐殖化程度較低，以自生源為主。與LC水廠不同的是，DB水廠和XGT水廠炭濾池出水的HIX指數(shù)增加，說明其腐殖化程度有所增加。LC、XGT水廠熒光指數(shù)(FI)>1.9，說明這2個(gè)水廠的溶解性有機(jī)物(DOM)具有強(qiáng)自生源貢獻(xiàn)特征。同樣地，LC、DH、DB、XGT水廠的自生源指數(shù)(BIX)大多在0.8左右，說明其自生源貢獻(xiàn)較多，而PT水廠的自生源貢獻(xiàn)較少。

表3 三維熒光光譜特征參數(shù)Tab.3 Characteristic Parameters of 3D-EEM Images

3.2 活性炭的表征與失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.2.1 活性炭吸附容量表征

碘值和BET的測(cè)試結(jié)果如表4所示，從測(cè)試結(jié)果來看，LC水廠上層活性炭和下層活性炭的BET比表面積較為接近，沒有明顯差別，下層活性炭的BET比表面積和總孔容略大于上層活性炭，平均孔徑則略小于上層活性炭。DH水廠活性炭的BET比表面積最大，達(dá)602.10 m2/g，t-Plot方法計(jì)算的微孔面積也達(dá)到了353.99 m2/g，遠(yuǎn)高于其他水廠，這也意味著目前而言DH水廠活性炭相較于其他水廠具有更大的吸附容量，這與DH水廠的活性炭平均孔徑小、總孔容大有關(guān)，也與DH水廠活性炭池的處理效果相一致。相反，DB水廠平均孔徑最大，BET比表面積最小，微孔面積和體積遠(yuǎn)低于其他水廠，這意味著DB水廠活性炭吸附容量有限。PT水廠BET比表面積較低，t-plot方法計(jì)算得到的微孔體積和外表面積均處于較低的水平，說明PT水廠活性炭的吸附容量也較低。相較而言，XGT水廠BET比表面積較高，平均孔徑小，仍具有一定的吸附容量。各水廠碘吸附值的情況與BET比表面積具有很好的相關(guān)性，就目前而言，DB、PT、LC水廠的活性炭剩余吸附容量都較低，當(dāng)水質(zhì)變化較大時(shí)可能存在處理效果不佳的情況。而且，上海市《凈水廠用煤質(zhì)顆粒活性炭選擇、使用及更換技術(shù)規(guī)范》(DB 31/T 451—2021)給出的凈化水用煤質(zhì)顆?；钚蕴考夹g(shù)指標(biāo)要求顆?；钚蕴康腂ET比表面積應(yīng)≥950 m2/g，碘吸附值應(yīng)≥950 mg/g。從這一角度來分析，5座水廠活性炭的碘吸附值和BET比表面積均低于規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)要求，DB、PT、LC水廠的碘值和BET比表面積與新炭相比顯著降低，存在較大的失效風(fēng)險(xiǎn)。從年平均衰減速率的角度來看，DB、PT、XGT水廠BET比表面積和碘值的衰減速率高于LC水廠和DH水廠，可能導(dǎo)致其活性炭池的運(yùn)行周期縮短。

3.2.2 活性炭掃描電鏡

各水廠掃描電鏡情況如圖2所示，從觀測(cè)結(jié)果來看，PT、DB兩水廠孔徑較大，在活性炭表面附著有藻類(以硅藻為主)，存在一定的堵塞問題。DH水廠的孔隙結(jié)構(gòu)較為清晰，孔徑小，這與BET測(cè)試結(jié)果相一致。XGT水廠活性炭上具有較多的微生物，孔隙結(jié)構(gòu)也較為明顯。LC水廠樣品在反沖洗之前采集，因而在活性炭表面可以觀測(cè)到較為明顯的堵塞情況，在掃描電鏡下較難觀測(cè)到內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。相較而言DH水廠孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，孔堵塞的程度最輕，這與DH水廠BET和碘吸附值的測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。

3.2.3 活性炭吸附有機(jī)物成分的表征

根據(jù)保留時(shí)間將有機(jī)物分為5種組分，分別為生物聚合物(保留時(shí)間在24 min左右，分子量>30 kDa，由微生物代謝產(chǎn)生，主要包括大分子蛋白、多糖等物質(zhì))、腐殖質(zhì)(保留時(shí)間在37 min左右，分子量在1.9～2.5 kDa，主要來自于動(dòng)植物死亡分解、木質(zhì)素等)、腐殖質(zhì)分解產(chǎn)物(保留時(shí)間在40 min左右，分子量為1.2 kDa，腐殖質(zhì)在光照、較高溫度等情況下會(huì)發(fā)生部分分解，這部分稱為腐殖質(zhì)分解產(chǎn)物，在地表水上廣泛存在)、小分子酸(保留時(shí)間在46 min左右，分子量為0.64 kDa，主要指水中的一元脂肪酸，如甲酸、乙酸等)和小分子中性物質(zhì)(保留時(shí)間在50 min之后，分子量<0.4 kDa，包括小分子的氨基酸、醛類、醇類物質(zhì)，以及小分子微生物代謝產(chǎn)物等)[22]。為了對(duì)比長期運(yùn)行的生物活性炭與運(yùn)行周期較短的生物活性炭在吸附物質(zhì)上的區(qū)別，選取Z市5座水廠、運(yùn)行情況良好的JX水廠1期、JX水廠3期活性炭，分別表征活性炭吸附的有機(jī)物成分，各組分的定量分析及占比如圖3所示。從有機(jī)物的組成上來看，無論是1月還是2月，各水廠活性炭吸附的有機(jī)物中小分子中性物質(zhì)所占的比例都最高。在1月，各水廠有機(jī)物組分中小分子中性物質(zhì)所占的比例最高，在33.29%～82.03%(PT最高，DH最低)；小分子酸次之，占比在5.06%～30.59%。1月各水廠小分子酸和小分子中性物質(zhì)占比之和均在60%以上，而腐殖質(zhì)、生物聚合物和腐殖質(zhì)分解產(chǎn)物的含量均在20%以下。在2月，各水廠小分子中性物質(zhì)的占比在28.22%～42.23%，相較于1月有所下降，但仍然是5種有機(jī)物組分中含量最高的。與1月不同，2月腐殖質(zhì)分解產(chǎn)物的含量均在20%以上，超過了小分子酸的含量，在有機(jī)物組分中占比居第2位，各組分的比例相較于1月更加均衡。需要指出的是，無論是1月還是2月，活性炭中的有機(jī)物均以小分子量的有機(jī)物為主，一方面說明了活性炭中微生物代謝的活性較強(qiáng)；另一方面也代表著活性炭出水中也可能含有較多的小分子有機(jī)物，因?yàn)橄噍^于大分子有機(jī)物，小分子有機(jī)物更容易突破活性炭的屏障作用而進(jìn)入下級(jí)處理工藝中，這一點(diǎn)在LC水廠的三維熒光數(shù)據(jù)中得到了印證。

表4 碘吸附值和BET測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test Results of Iodine Adsorption Value and BET

圖2 5座水廠活性炭掃描電鏡圖Fig.2 SEM Images of Five WTPs

圖3 5座水廠活性炭吸附的有機(jī)物定量分析Fig.3 Quantitative Analysis of Organic Matter Adsorbed by BAC in Five WTPs

從有機(jī)物的濃度上來看，1月DB水廠活性炭中有機(jī)物質(zhì)量濃度最高，達(dá)到了276.24 μg DOC/(g BAC)，其次是LC水廠，達(dá)174.72 μg DOC/(g BAC)，XGT、PT、JX 水廠1期有機(jī)物含量相接近，DH、JX水廠 3期有機(jī)物含量較低。而在2月，XGT水廠有機(jī)物質(zhì)量濃度最高，達(dá)229.99 μg DOC/(g BAC)，相較于1月有了明顯的增加。LC、DB水廠有機(jī)物質(zhì)量濃度較接近，在200 μg DOC/(g BAC)左右，DB水廠的有機(jī)物含量相較于1月下降較明顯，而LC水廠則有所上升。PT水廠在1月和2月的有機(jī)物含量大致相當(dāng)，而DH水廠在2月有機(jī)物含量則上升較明顯，盡管在2月DH水廠活性炭中的有機(jī)物含量仍然是5個(gè)水廠中最低的。這些數(shù)據(jù)表明，Z市水廠活性炭中的有機(jī)物濃度和比例變化較大，活性炭中的有機(jī)物情況與活性炭進(jìn)水的水質(zhì)變化、微生物代謝活動(dòng)以及反沖洗程序息息相關(guān)，且活性炭中的有機(jī)物變化也與活性炭處理效果的變化具有內(nèi)在的相關(guān)性。

3.2.4 活性炭的微生物情況

對(duì)活性炭表面的生物膜進(jìn)行了基因測(cè)序，其中門和屬的情況如圖4所示。從屬分類來看，變形菌門(Proteobacteria)在所有的水廠中都是最有優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌門，占據(jù)的比例在42.65%(JX水廠1期)～77.5%(DB水廠)。除此之外，酸桿菌門(Acidobacteria,5.57%～23.62%)、擬桿菌門(Bacteroidetes,1.19%～9.19%)、藍(lán)藻門(Cyanobacteria,0.29%～8.46%)和綠彎菌門(Chloroflexi,0.67%～16.91%)在水廠活性炭池中也有較多的分布。

圖4 微生物分類Fig.4 Microbial Taxonomy

從屬的水平上來說，與其他水廠相比，DH、DB、PT水廠含有較多的葉綠體(Chloroplast,分別占2%、3%、7%)，與掃描電鏡下觀察到藻類情況相吻合。極地單胞菌屬(Polaromonas)則在DB水廠有較高的豐度，達(dá)到了26%，而在其他水廠所占的比例則較低。對(duì)于LC水廠來說，Blastocatella(屬于酸桿菌門)和TRA3-20(屬于變形菌門)的豐度遠(yuǎn)高于其他菌屬，而且這兩菌屬的細(xì)菌在其他水廠所占的比例明顯更低。此外，慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)在各水廠中均有一定的分布，這種細(xì)菌可將硝態(tài)氮還原為氨氮，還可能產(chǎn)生大量的胞外聚合物(EPS)[24]。

α多樣性的情況如表5所示，Chao1和Observed species代表了微生物豐富度，其數(shù)值越大，微生物豐富度越大；Shannon和Simpson代表了微生物的多樣性，其數(shù)值越大，微生物多樣性越大。從Z市5座水廠和JX水廠的對(duì)比來看，無論是微生物豐富度還是多樣性，Z市的水廠都要小于JX水廠。從Z市水廠的橫向?qū)Ρ葋砜?，XGT水廠的微生物豐富度和多樣性要明顯高于其他水廠，這可能與XGT水廠原水有機(jī)物含量高以及臭氧的投加情況有關(guān)。XGT水廠相對(duì)豐富的微生物種類以及較大的活性炭BET比表面積使得XGT水廠的處理效果較好。DB、DH水廠的微生物豐富度接近，但是DH水廠的微生物多樣性更高，加之DH水廠遠(yuǎn)高于其他水廠活性炭的BET比表面積以及更小、更發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，使得DH水廠的處理效果要優(yōu)于其他4個(gè)水廠。對(duì)于PT水廠而言，其微生物多樣性和豐富度僅次于XGT水廠，但是PT活性炭吸附的有機(jī)物中小分子有機(jī)物所占的比例很高(尤其在1月，小分子中性物質(zhì)和小分子量酸占比之和達(dá)87.09%)，加之PT水廠活性炭剩余吸附容量較低，活性炭池出水中可能存在小分子有機(jī)物。對(duì)于LC水廠而言，其微生物多樣性和豐富度在Z市5座水廠中水平最低，換句話說LC水廠微生物群落結(jié)構(gòu)更加簡單，應(yīng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)變化的能力也可能低于其他水廠，這可能是造成LC水廠臭氧活性炭工藝去除效果波動(dòng)較大的原因。LC水廠豐度顯著高于其他水廠的Blastocatella菌屬(屬于酸桿菌門)和TRA3-20菌屬(屬于變形菌門)則可能與LC水廠活性炭出水中含量較高的微生物代謝產(chǎn)物有關(guān)。

表5 α多樣性Tab.5 Alpha Diversity

BAC池進(jìn)水有機(jī)物濃度和組成的差異同樣會(huì)對(duì)微生物的生長和種類產(chǎn)生較大的影響。XGT水廠進(jìn)水中的有機(jī)物濃度高于其他4個(gè)水廠，豐富的有機(jī)物來源有利于微生物的生長和代謝活動(dòng)，因而XGT水廠活性炭池微生物群落的豐富度和多樣性均較高。對(duì)于PT、DH、DB這3座水廠來說，其進(jìn)水有機(jī)物的濃度較低，以腐植酸類物質(zhì)為主，因而微生物群落的豐富度和多樣性低于XGT水廠。

對(duì)于長期運(yùn)行的BAC池而言，生物降解是BAC池去除有機(jī)物最主要的途徑[7]。對(duì)于LC水廠而言，經(jīng)活性炭池處理后其微生物代謝產(chǎn)物明顯升高，說明LC水廠生物降解的作用較強(qiáng)，因而活性炭中小分子物質(zhì)的比例也較高。XGT水廠的微生物群落結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因而XGT水廠也具備較強(qiáng)去除有機(jī)物的能力，這一點(diǎn)從各組分有機(jī)物含量經(jīng)XGT水廠活性炭池處理后均明顯降低可以看出。對(duì)于PT、DH、DB水廠而言，由于其活性炭池進(jìn)水有機(jī)物濃度相對(duì)較低，微生物群落也較為簡單，因而其生物降解的能力低于LC和XGT水廠。另外，雖然微生物的活性對(duì)于長期運(yùn)行的BAC池的運(yùn)行效果有較大的影響，但是前文的分析也表明過強(qiáng)的微生物代謝活動(dòng)也可能導(dǎo)致炭濾池出水的微生物代謝產(chǎn)物和腐植酸類物質(zhì)含量增加，單純從微生物活性的角度并不足以說明活性炭池存在失效的風(fēng)險(xiǎn)，因而微生物活性可能不宜作為失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。

從致病菌和產(chǎn)嗅菌的分布情況來看(表6)，5座水廠活性炭池中致病菌的含量少，值得注意的是，DH、PT水廠中軍團(tuán)菌的含量相對(duì)而言較高。從產(chǎn)嗅菌的情況來看，鞘脂單胞菌科細(xì)菌在各水廠均有一定量的分布，黃桿菌屬在DH、PT水廠豐度相對(duì)較高。

3.2.5 活性炭的粒度分布情況

5座水廠的粒度分布情況如圖5所示，從粒度分布的情況來看，LC、PT、DB水廠小粒度的活性炭(<0.450 mm)占比均在10%及以上。根據(jù)《煤質(zhì)顆?；钚蕴?凈化水用煤質(zhì)顆?；钚蕴俊?GB/T 7701.2—2008)的相關(guān)要求，使用12×40目的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，0.450～1.600 mm粒度的活性炭占比應(yīng)大于90%，小于0.450 mm以及大于1.6 mm粒度的活性炭的占比均應(yīng)在5%以下。從這一角度分析，PT、LC、DB水廠的活性炭已不滿足粒度要求，尤其是PT和LC上層，小粒度的活性炭占有很大的比例(占比分別為42.1%和45.5%)，活性炭的強(qiáng)度可能較小，容易出現(xiàn)粉化和破碎的情況，降低凈化效果，增大活性炭池的水頭損失[25]。相較而言，DH、XGT水廠活性炭粒度較大，滿足標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求。5座水廠粒度分布的情況與各水廠的BET和碘值測(cè)試結(jié)果有較好的符合度。各水廠的失效風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比如表7所示，LC、PT、DB水廠活性炭可能面臨較大的失效風(fēng)險(xiǎn)，而DH、XGT水廠的失效風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。對(duì)比各水廠活性炭池的運(yùn)行周期可以發(fā)現(xiàn)，BAC池運(yùn)行超過7年后，存在失效的風(fēng)險(xiǎn)可能增大。推薦將BET比表面積、碘值和粒度分布作為失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。

3.3 優(yōu)化措施

對(duì)于存在失效風(fēng)險(xiǎn)的活性炭池而言，可以采用更換部分活性炭或者強(qiáng)化反沖洗等措施以提高活性炭池的運(yùn)行效果。

3.3.1 部分更換活性炭

Moona等[10]更換了活性炭池頂部1/10床高的飽和BAC，并使得更換后的新炭與舊炭充分混合，研究結(jié)果表明，部分更換活性炭后有機(jī)物的去除效果可以得到改善，能在短期內(nèi)應(yīng)對(duì)較高的NOM負(fù)荷。戚聿秒[26]對(duì)比了不同換炭模式對(duì)于有機(jī)物去除效果的影響，其研究表明當(dāng)BAC柱中新炭與飽和舊炭的比例為2∶1時(shí)可以取得最好的優(yōu)化效果。陶輝等[27]針對(duì)低溫期有機(jī)物去除率低的BAC池的更換模式展開了研究，研究發(fā)現(xiàn)更換時(shí)新炭的比例越高，有機(jī)物的去除效果越好，但就經(jīng)濟(jì)和處理效果的角度而言，更換20%新炭的換炭方式已經(jīng)能夠滿足相關(guān)要求。

表6 (機(jī)會(huì))致病菌和產(chǎn)嗅菌Tab.6 (Opportunistic) Pathogenic Bacteria and Odor Production Bacteria

圖5 5座水廠活性炭粒度分布Fig.5 Size Distribution of BAC in Five WTPs

表7 5座水廠活性炭池的失效風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比Tab.7 Comparison of Failure Risk of Activated Carbon Filter in Five WTPs

3.3.2 強(qiáng)化反沖洗

對(duì)于活性炭池而言，微生物代謝活動(dòng)過強(qiáng)時(shí)可能會(huì)造成生物堵塞、水力性能下降等問題從而影響活性炭池的運(yùn)行效果。采用氧化劑強(qiáng)化反沖洗的方式可以有效抑制微生物的過度增長，改善活性炭池的水力性能。Vera等[28]研究發(fā)現(xiàn)在反沖洗水中投加氯、氯胺和過氧化氫等氧化劑可以有效防止生物堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，而且不會(huì)對(duì)生物降解產(chǎn)生顯著的影響。劉世婷[29]總結(jié)認(rèn)為反沖洗可以更新生物膜、清除積累的顆粒物，從而有利于提高活性炭池的微生物活性。

4 結(jié)論

通過對(duì)Z市5座水廠長期運(yùn)行的BAC池水廠的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得出的主要結(jié)論如下。

(1)5座水廠活性炭吸附的有機(jī)物主要為小分子量有機(jī)物，一方面說明了活性炭中微生物代謝的活性較強(qiáng)；另一方面也可能導(dǎo)致活性炭出水中含有較多的小分子有機(jī)物。熒光光譜分析也表明微生物代謝活動(dòng)過強(qiáng)時(shí)可能導(dǎo)致炭濾池出水的微生物代謝產(chǎn)物和腐植酸類物質(zhì)含量增加。

(2)變形菌門在5座水廠中都是最有優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌門，除此之外，酸桿菌門、擬桿菌門、藍(lán)藻門和綠彎菌門在水廠活性炭池中也有較多的分布。5座水廠活性炭池中致病菌的含量很少，產(chǎn)嗅菌中鞘脂單胞菌科細(xì)菌在各水廠均有一定量的分布，黃桿菌屬在DH、PT水廠豐度相對(duì)較高。

(3)LC、DB、PT水廠活性炭的吸附容量低，且小粒度的活性炭占有較大的比例，存在較大的失效風(fēng)險(xiǎn)。XGT水廠雖然能維持一定的處理效果，但是進(jìn)水有機(jī)物含量高，炭濾池出水中的有機(jī)物含量仍然較高，可能給后序工藝帶來考驗(yàn)。相較而言，DH水廠目前處理效果較好，具有較大的吸附容量，因而失效風(fēng)險(xiǎn)較低。

(4)碘值、BET比表面積和粒度分布可以作為判定活性炭池失效風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，當(dāng)活性炭池運(yùn)行時(shí)間超過7年后，潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。