飲用水源微污染已成為我國面臨的普遍問題，且在今后很長一段時間內都會繼續存在。有機物和氨氮是飲用水源中主要的污染物，有機物會導致COD含量高、生成消毒副產物和為微生物在管道內的生長提供營養物質。此外，水中嗅味物質的存在會引起用戶感官的不適。而內分泌干擾物(EDCs)、藥品和個人護理品(PPCPs)等新興污染物也開始在水體和自來水廠中檢出，由此帶來的風險值得重視。
在我國，90%以上的飲用水廠都采用混凝、過濾、消毒的傳統處理工藝，不能有效地去除水中的溶解性有機物和氨氮。為達到新的飲用水衛生標準(GB5749-2006)，很多水廠都面臨著升級改造的需求。在實際應用中，常在傳統處理工藝前加入預氧化，在工藝后添加以臭氧活性炭為代表的深度處理工藝，有時甚至在最后添加膜處理工藝。這使得處理流程冗長，相應的建設和運行成本上升，尤其對于一些用地緊張的水廠更是難以實現。
本文采用耐氧化的平板陶瓷膜，將傳統的預氧化、混凝、沉淀、砂濾和臭氧氧化等5個單元通過平板陶瓷超濾膜，集成為一個復合單元，后續采用生物活性炭過濾，如圖1所示。這使得飲用水處理工藝從“串級”發展到“并級”形式。其中，混凝將微小顆粒物聚合形成絮體，膜過濾將顆粒物完全去除，臭氧可以氧化有機物和提高有機物的可生化性，活性炭可以進一步去除有機物和水中的氨氮，從而達到去除污染物的目的。本文集成工藝有助于在現有水廠構筑物基礎上實現傳統工藝向深度處理工藝的升級。
一、試驗材料與方法
實驗采用東江水和東莞運河的配水為原水，以混凝/臭氧/陶瓷膜→炭濾→消毒為處理工藝，中試實驗規模為120m3/d。實驗采用的浸沒式平板陶瓷膜由明電舍(日本)公司采用新型納米材料工藝研制，膜平均孔徑為60nm。單塊陶瓷膜的尺寸為1046mm×260mm×6mm，每個膜組件包含50塊陶瓷膜，實驗共使用兩個膜組件，總的膜面積為50m2。膜過濾時恒定通量為100L/m2·h，過濾周期為240min反沖洗3min，反沖洗強度為15m3/h。臭氧發生器為OZONIACFS-32G型，以純氧為氣源，通過設在膜池底部的微孔曝氣板進入水體。
濁度采用HACH2100P濁度儀測量，采用GR-100A臺式激光顆粒物分析儀(IBR)測量顆粒數，用SinscheTA-88微量自動分析儀測量氨氮、亞硝態氮，用ShimadzuUV-1700紫外-可見光分光光度計測量UV254和硝態氮，用ShimadzuTOC-VCPH測量DOC，用GC-μECD測量三鹵甲烷，用HSPME-GC/MS測量Geo-smin和2-MIB，用SPE-GC/MS測量EDCs，用SPE-LC/MS/MS測量鹵乙酸和PPCPs。
二、結果與討論
1、集成工藝對濁度的去除
陶瓷膜對濁度的去除效果顯著，出水濁度穩定在0.1NTU以下，不受原水濁度波動的影響。經過活性炭過濾后出水濁度略有上升，但仍低于0.25NTU，優于國家飲用水衛生標準的要求。膜出水中粒徑大于2μm的顆粒數基本低于10個/mL，炭濾出水中粒徑大于2μm的顆粒數低于50個/mL。原水中可以檢出的細菌總數、總大腸菌群以及隱孢子蟲和賈第蟲卵囊在膜出水中均未檢出，可以認為原水中的有害微生物在進入活性炭濾池之前已被有效截留，顯著降低了出水的微生物風險。
2、集成工藝對有機物和氨氮的去除
混凝對DOC的去除低于20%，臭氧/陶瓷膜對DOC的去除為16%，炭濾對DOC的去除率為65%。UV254的去除規律與DOC相似，集成工藝對UV254和DOC的去除率分別為87%和73%。在本工藝中，臭氧除了通過氧化去除有機物，還能通過反應提高有機物的可生化性，促進后續生物活性炭對有機物的去除，從而達到好的去除效果。
原水氨氮濃度小于3.5mg/L時，工藝出水氨氮濃度小于0.1mg/L，遠低于國家標準GB5749-2006規定的0.5mg/L，氨氮總去除率>95%。而且出水中幾乎沒有亞硝酸氮存在，氨氮基本都經過硝化轉化為硝酸鹽氮。混凝和陶瓷膜對氨氮的去除有限，臭氧對陶瓷膜去除氨氮沒有促進作用�；钚蕴繛V池對氨氮去除效果顯著，占整個工藝去除率的70%以上。溶解氧是氨氮去除的關鍵因素，本工藝中的臭氧由純氧制備，投加臭氧時水中溶解氧濃度升高至11~13mg/L，基本滿足氨氮去除的要求。（圖2～9）3、集成工藝對消毒副產物前體物的去除以三鹵甲烷（THMs）和鹵乙酸（HAAs）的生成潛勢作為消毒副產物前體物進行考察，原水中THMFP以CHCl3為主，占85%以上，其次為CHCl2Br和CHClBr2，未檢測到CHBr3的存在。HAAs的生成勢以DCAA和TCAA為主，二者共占90%以上。消毒副產物前體物的去除規律基本與DOC保持一致，集成工藝對THMFP和HAAFP的去除率分別為77%和76%。
4、集成工藝對嗅味物質、EDCs和PPCPs的去除嗅味物質、EDCs和PPCPs在原水中含量很低，濃度在ng/L的范圍，但傳統工藝不能有效去除。典型的嗅味物質如土臭素（Geosmin）和2-甲級異莰醇（2-MIB）在ng/L水平時已能影響人的感官，而EDCs和PPCPs則會給人體帶來未知的健康風險。臭氧和陶瓷膜的組合工藝能大幅降低此類微量有機物在水中的濃度，集成工藝對Geosmin、2-MIB、EDCs和PPCPs的去除率分別為：96%、87%、98%和98%。
本研究提出的新型超濾膜工藝中將臭氧和陶瓷膜進行結合，陶瓷膜除了具有傳統超濾的分離功能外，無數的陶瓷膜膜孔相當于納米級尺寸的微反應器。陶瓷膜材料促進了臭氧與通過膜孔的有機物進行反應，由于納米尺度下的傳質時間大幅縮短和傳質效率大幅提高，傳統工藝中不能去除的微量有機物得以在膜孔內得到去除。
三、結論臭氧/陶瓷膜新型凈水工藝出水濁度低于0.25NTU，大于2μm的顆粒數小于50個/mL，對傳統污染物氨氮、DOC、THMFP和HAAFP的去除率分別為95%、73%、77%和76%，對致嗅味物質Geosmin和2-MIB的去除率分別為96%和87%，對新型微量污染物質EDCs和PPCPs的去除率分別為98%和98%。臭氧/陶瓷膜新型凈水工藝將傳統工藝中的多個處理單元進行有機結合，使臭氧/陶瓷膜單元具有傳統工藝中的混凝、沉淀、過濾、預氧化、臭氧氧化和膜過濾等多個單元的功能，同時臭氧與陶瓷膜的結合還能在線控制膜污染，而活性炭可以進一步去除殘留的有機物和氨氮。在這種情況下，處理工藝由傳統的“串級”處理模式轉變為“并級”處理模式，保持高的處理效率的同時大幅降低投資、運行成本和占地面積，在水廠的升級改造中具有很強的應用前景。