近年来，随着工农业的发展，我国饮用水水源地的主要污染物已转变为有机物和氨氮。以沉淀-过滤-消毒为主体的常规工艺在处理有机物和氨氮时效率有限，特别是针对消毒副产物前体物和人工合成有机物时，其处理效果已难以满足人体健康对于饮用水水质的需求。为了应对日趋严峻的水质问题，臭氧生物活性炭工艺作为水厂常规工艺的强化与补充，已被广泛应用于饮用水深度处理中。

通过将化学氧化、活性炭吸附和生物降解三者进行有机结合，臭氧生物活性炭工艺作为一种深度处理工艺已在实际生产中得到应用。

（1）臭氧能够将一些难以生化降解的有机物分解为可生物降解有机物，提高水中溶解氧含量。

（2）活性炭具有特殊的孔隙结构及极大的比表面积，可吸附水中有机物、氨氮等污染物，以及为微生物生长、附着、繁殖提供了有力的条件。

（3）生长于活性炭微孔结构内部的微生物以有机物、氨氮等物质为底物，在满足自身生长繁殖需要的同时，使得活性炭对于污染物持续吸附的能力大大提升，有效提高了活性炭的运行周期。

（4）在三者的共同作用下，臭氧生物活性炭工艺在强化常规工艺处理效果的基础上，对于水中溶解性有机物及氨氮也有很好的去除效果。

根据炭池内水流流向不同，臭氧生物活性炭工艺又可分为上向流和下向流。本文主要针对近年来国内臭氧生物活性炭工艺的研究和应用状况，从工艺流程、吸附池池型选择以及净水效果角度对二者进行了总结和介绍。

根据炭滤池与砂滤池的相对位置的不同，可以将臭氧生物活性炭工艺分为前置、中置以及后置工艺。表1列举了国内部分水厂臭氧生物活性炭工艺流向与设置位置的搭配组合，在各种组合中，上向流臭氧生物活性炭工艺多为前置式，兼有中置式；下向流臭氧生物活性炭工艺多为后置式，少数水厂也有采用前置式的案例。

此外，国内采用臭氧生物活性炭工艺的给水厂多是在原厂基础上进行扩建改建，处理规模以10万t以上的大型水厂为主，各区域内两种流向对应的工艺均有实际应用。

注：带“*”的年份为水厂改造或扩建完成的年份，对应规模为该厂采用O3/BAC工艺生产线的日处理规模；主体工艺部分省略了位于首尾的混凝沉淀和消毒工艺

1.1 后置下向流

后置下向流臭氧生物活性炭工艺的主要流程为沉淀池-砂滤池-下向流臭氧生物活性炭，原水经过常规的混凝沉淀过滤工艺，进入下向流臭氧生物活性炭深度处理工艺进一步去除水中残留有机物。这种将下向流臭氧生物活性炭作为深度处理工艺直接串接在常规工艺后的形式，是最为传统的臭氧生物活性炭工艺，并已在我国得到广泛应用。

后置下向流工艺主要有以下特点：

(1)活性炭同时发挥吸附和截留杂质的作用；

(2)由于活性炭池进水来自砂滤池后，水中的浊度已被大量截留，活性炭的负荷较小，反洗时间因此得到延长，低反冲洗频率可以促进微生物的生长，提高生物降解的能力，还可延长活性炭滤料的使用寿命，使得整体运行成本较低；

(3)活性炭上生物量丰富，随着炭池的运行，池内活性炭被腐蚀和磨损，需要在炭层下设置一定厚度的砂层防止生物泄露。

在实际工程运行中，后置下向流工艺仍然存在一些不足之处：

(1)由于活性炭吸附池同时起吸附和截留作用，其水头损失较大，通常运行3～7 d需要进行反冲洗恢复运行效果；

(2)下向流活性炭吸附池中的活性炭在运行过程中，微生物往往集中生长于炭层上部，有机物的去除也主要发生在炭层上部，炭层在运行过程中没有得到充分利用；

(3)通过增加砂层并不能完全解决活性炭吸附池的生物泄露问题，对于后续消毒工艺和管网输配水影响较大。

1.2 前置下向流

为了处理后置下向流臭氧生物活性炭工艺中炭池存在的生物泄露问题，提高出水的生物安全性，部分工程实践中尝试了将炭池调整至砂滤池前的工艺，主体工艺为沉淀池-下向流臭氧生物活性炭-砂滤池。

炭池以沉淀池出水为进水，经臭氧生物活性炭工艺处理后，进一步流经砂滤池，通过滤层的截留作用降低炭池生物泄露的风险。与后置下向流工艺相比，由于有后续砂滤池的工艺保障，前置下向流工艺中炭池炭层下可以不设置砂层，以充分利用炭池过滤水头，延长活性炭过滤周期。

但是，在前置下向流工艺中，炭层不仅承担了去除溶解性有机物和氨氮的作用，还承担了砂滤池原本承担的去除浊度功能。相较于后置下向流工艺，前置下向流工艺中炭池中炭层更易被水中颗粒物堵塞而失效，需要缩短反冲洗间隔。而频繁地反冲洗会使炭层上难以生成稳定的生物群落，影响其作为生物活性炭去除有机物这一主要功能。因而，对于反冲洗间隔与强度的控制是前置下向流生物活性炭工艺稳定运行的关键所在。

1.3 前置上向流

为了解决下向流臭氧生物活性炭工艺中存在的一些问题，部分工程中考虑将工艺中水流流向调整为上向流的方式，即上向流臭氧生物活性炭工艺。其主体工艺流程为沉淀池-上向流臭氧生物活性炭池-砂滤池。其在工艺流程上的布置方式与前置下向流工艺基本一致，不同的是，前置上向流工艺中，炭池的炭层处于流态化，有一定的膨胀率，属于膨胀床吸附。

膨胀床吸附是一种新型分离技术，它允许引入含颗粒的原料而不会堵塞床。在理想条件下，活性炭流化床可以在不承担去除浊度作用的情况下吸附水中的溶解有机物，因此该工艺水头损失较小，反冲洗周期得以大大延长，反冲洗一般仅需空气冲洗，操作维护方便。

流化态的活性炭层使得整个炭层得到充分利用，附着在活性炭上的微生物的胞外代谢物更易洗脱，充分发挥生物活性炭工艺的生化降解作用。后续的砂滤池既能起到去除浊度的作用，又能防止炭滤池的生物泄露问题，保证了出水水质的稳定。

理想的流化床状态是前置上向流工艺稳定运行的保证，因此，前置上向流工艺对于活性炭的选择和布水系统有着很高的要求。在实际生产中，需要控制合适的膨胀率，确保布水均匀，避免轴向水流混合或流到死水区，以保障后续工艺的正常运行。此外，前置下向流工艺对于进水浊度冲击的抵抗是有限的，一般情况下，沉淀池的出水浊度必须控制在1 NTU以下，否则活性炭池难以发挥作用。

1.4 中置上向流

当原水水质特别差时，沉淀池的出水往往无法满足后续工艺要求，可以在臭氧生物活性炭工艺前后均设置一道砂滤工艺，即沉淀池-砂滤池-臭氧生物活性炭-砂滤池。前道砂滤池主要起生物滤池的作用，将浊度降低到后续工艺允许的范围；后道砂滤池进一步去除浊度以保证出水水质。

此时，生物活性炭单元采用上向流或下向流均可以，但从建造成本、水头损失、处理效果和运营管理的角度出发，采用上向流活性炭滤池较为合适。然而，在原水水质较好的情况下，增加一道砂滤工序虽然也能够提高出水水质和运行稳定性，但是存在工程费用高、占地大、水头损失大、运行能耗高等不利之处。表1列举了国内部分自来水厂臭氧活性炭工艺的流程和活性炭池的流向。

1.5 小结

表2简单归纳了本章所述的不同流向臭氧生物活性炭工艺炭池位置的优缺点，不同的工艺设置差异主要体现在对沉后水浊度要求、反冲洗操作、出水生物安全性以及建造运行成本这几个方面。

根据臭氧生物活性炭工艺流向的不同，其对应的活性炭池池型也存在差异。目前国内的下向流臭氧生物活性炭工艺一般采用普通快滤池、翻板滤池以及V型滤池；上向流臭氧生物活性炭工艺则以面包管配水的池型为主。表3列举了国内部分给水厂臭氧生物活性炭工艺所采用的池型结构。

2.1 下向流虹吸滤池

虹吸滤池是一种依靠重力进行过滤的滤池，在进水和反冲洗管渠处不设置阀门，而是通过虹吸管控制系统进出水，用真空系统或继电器系统控制滤池的工作状态。

一般情况下，一座虹吸滤池内往往被分为数个工作单元，共用一个配水系统。过滤时，进水总渠中的进水通过虹吸管自动被均匀地分配到单格滤池中进行过滤。在进水总量不变的前提下，随着滤池内滤料堵塞，滤料上的水头不断升高，以保证各格滤池均为等速过滤。反冲洗时，虹吸滤池以池体本身水头为动力，以其他滤池出水为反冲洗水，通常不额外设置专门的冲洗水泵或冲洗水箱。

虹吸滤池主要有以下几个特点：(1)由虹吸管代替阀门；(2)运行由水力自动控制；(3)无须配套专门的反冲洗设备；(4)过滤方式采用变水头等速过滤，水位始终高于滤层水位，不会出现负水头现象。这些特点使虹吸滤池在早期的滤池设计中占据一定的优势，但是虹吸滤池池体结构较深，虹吸部分的结构设计较为复杂，对于土建施工等方面的要求较高。

采用等速过滤的方式使得其在过滤周期内出水水质波动较大，过滤周期末期可能会难以满足后续工艺要求的情况。此外，虹吸滤池单格面积不宜过大，大中型水厂在应用虹吸滤池时往往较难实现。自动控制精确度不高。同时，随着时代的发展，阀门的价格所占滤池成本不断降低，在新建水厂中，已较少采用虹吸滤池池型。

臭氧生物活性炭技术自20世纪80年代起在国内开始得到应用，大多是在已建成的水厂的常规工艺上直接进行改造，活性炭吸附池往往也直接由滤池改造而成。采用虹吸滤池池型的活性炭吸附池多见于建成年代较早的水厂改造项目，如北京市第九水厂一期(1987年投产)、北京市田村山水厂(1987年投产)、昆明市第五水厂南分厂(1998年投产)，水流流向与虹吸滤池一致，均为下向流，一般适用于处理能力10万m3/d左右的中小型水厂。在新建成的活性炭吸附池中，较少使用此类池型。

2.2 下向流普通快滤池

普通快滤池通常指安装4个阀门的重力式过滤滤池。一组普通快滤池分为多格，每格内构造完全相同，各格滤池共用一套进水、清水、反冲洗、废水总管渠。每一格滤池的过滤、反冲洗过程均单独进行，互不干扰。在每格滤池与总管渠连接处安装有对应的4个阀门，因此也称普通快滤池为四阀滤池。

普通快滤池运行效果稳定，反冲洗效果良好，使用历史悠久，适用于不同规模的水厂，在旧厂改造和新厂建设中均可作为理想的活性炭吸附池池型。在近年来设计建设的普通快滤池池型活性炭滤池中，较多地借鉴了V型滤池的部分特征。如通过控制出水阀门的开启程度控制滤池等水头等速过滤，采用短柄滤头滤板进行反冲洗布水，采用气水反冲洗加强反冲洗效果。普通快滤池通过洗砂排水槽进行排水，因此在反冲洗过程中，活性炭的损失较小。

2.3 下向流V型滤池

V型滤池的原型为法国得利满公司开发的一种在普通快滤池基础上，采用均质滤料的滤池。在普通快滤池的结构基础上，V型滤池在构造上增加了侧墙进水V型槽和冲洗表面扫洗进水孔，单格滤池中间设双层排水、配水干渠，分为左右两个过滤单元，通过滤板滤头布水布气，采用气水反冲洗。其滤层含污量较非均质滤料更高，过滤方式采用等水头等速过滤，布水布气均匀，反冲洗后滤料不易分层等特点。

生物活性炭吸附池在采用V型滤池的池型时，可以充分发挥V型滤池特点，可以采用目数较高的活性炭延长使用周期。同时，其均匀的布水布气和气水反冲洗构造使得滤池吸附层的截污能力提高，提升了滤池的运行效果。

在实际工程应用中，由于炭层厚度较砂层厚，生物活性炭V型滤池吸附池较深；反冲洗时由于空气擦洗的作用，炭层微微膨胀，可能存在跑炭的现象，为了防止跑炭，中央排水槽顶与活性炭层间往往设有80 cm左右的高差；通常情况下，活性炭吸附池的反冲洗过程为单气冲和低强度单水冲，不涉及气水同时冲洗，因此布水多采用短柄滤头。

与其他类型的滤池相比，生物活性炭V型滤池也存在土建费用、运行电耗较高，对于设计施工有一定的技术需求，反冲洗消耗水量较大(可达总产量的2.5%)，反冲洗控制不当时滤料易流失，炭层与承托层易混层等问题。

2.4 下向流翻板滤池

翻板滤池是一种重力式过滤滤池，设有反洗排水阀，在工作过程中可以来回翻转。其基本构造和工作方式与普通快滤池大致相同。翻板滤池最关键的技术之一是其由翻板阀和排水渠组成的排水系统，翻板阀安装在排水渠侧墙上，有50%和100%开启度两个控制点。反冲洗时，翻板阀在反冲洗水泵停止运行后的一定时间后，逐步开启至50%的开启度，再开启至100%开启度，待水位下降至翻板阀下缘后关闭，重启反冲洗水泵。该过程重复2～3次即可完成单格滤池的单次反冲洗。

翻板滤池反冲洗时排水与反洗的序批式操作方式使得生物活性炭吸附池在反冲洗过程中可以允许较大反冲洗强度，有利于含污量较高的滤层恢复过滤功能；同时，延时排水的特点使得滤池中的轻质活性炭滤料不会因为过高的反冲洗强度而流失。因此，翻板滤池在保证出水水质与反冲洗效果的同时，可以减少反冲洗水的消耗，延长运行周期，同时其还具有土建施工要求简单、日常运行维护方便的优点。

2.5 上向流活性炭吸附池一般池型

在上向流活性炭吸附池一般池型中，底部配水系统多采用面包管进行配水，上部集水系统采用不锈钢集水槽。滤池的下部与翻板滤池结构类似，采用面包管配水系统，确保配水均匀。上部与普通快滤池结构相似，设置有不锈钢集水槽。由于其流向与普通快滤池相反，集水槽用以收集滤后水而不是反冲洗废水。为了保证出水均匀，活性炭吸附池上部集水槽往往设计成齿形堰。

当池内水的流向改为上向流时，经过臭氧曝气后的水体通过滤池的流程更长，使得臭氧有充分的时间与水中各类物质持续发生作用，将残余臭氧消耗到最低限度，有效地控制了残余臭氧的逸出。同时，上向流活性炭吸附池中活性炭层处于膨胀状态，炭粒悬浮于水中，增加了炭床厚度，活性炭主要起吸附作用，水头损失较小，其冲洗可仅采用气冲方式，使得冲洗过程更加简化，降低了运行费用与反冲洗耗水量，对于前期工程投资需求较少。但由于其出水位于活性炭吸附池上方，较易收到外界的二次污染。

2.6 小结

表4简单归纳了本章所述的不同流向臭氧生物活性炭工艺池型特点，其主要区别在于布水布气效果、反冲洗运行维护、设计建设投资等方面。

3.1 综合有机物指标

张良荣等研究对比了苏州市吴江第二水厂下向流臭氧生物活性炭工艺与吴江第一水厂常规处理工艺在实际生产运行中的净水效果，二者的水源水均取自太湖。研究表明，下向流工艺对于CODMn的平均去除率为51.4%，优于常规工艺的39.4%，明显优于常规工艺；侯宝芹等对于杭州萧山第三水厂下向流工艺的研究表明，其对于UV254的平均去除率达到82.7%；陈义春等在镇江金山水厂的研究表明，下向流工艺对于BDOC(可生物降解有机碳)和NBDOC(不可生物降解有机碳)均有一定的去除效果，平均去除率分别为85%和45%。但王继萍等对苏州某水厂的研究表明：下向流工艺对于AOC(可同化有机碳)的去除效果并不明显。

刘建广等在对山东某水厂运行效果的长期研究中，发现采用上向流工艺的该厂对CODMn、UV254、DOC、BDOC均有较好的去除效果。在对于综合有机物指标的处理效果上，上、下向流工艺均优于常规工艺。刘金翠等对两者进行比较，认为上向流工艺在CODMn、UV254的去除上优于下向流工艺。Han等针对江苏淮安城南水厂的中试研究也表明，上向流工艺对于CODMn的去除率比下向流工艺高了近10%。

3.2 消毒副产物及其前体物

张良荣等的研究指出，下向流工艺对于二甲基异莰醇能够有效去除，出厂水浓度始终低于5 ng/L，优于常规工艺。侯宝芹等的研究也表明，下向流工艺较常规工艺能有效遏制消毒副产物的生成。深度处理工艺对于消毒副产物的去除明显优于常规工艺，特别是对于三氯甲烷的去除效果。Jian等对于太湖某水厂的研究显示，下向流工艺对于二氯乙腈(DCAN)、二氯乙酰胺(DCACAM)、三氯硝基甲烷(TCNM)等含氮消毒副产物(N-DBPS)前体物均有一定的去除效果，但去除率会随炭龄增加而显著下降。

张晓健等在对华东地区某湖泊进行中试研究时发现，上向流工艺能较好去除消毒副产物前体物，进而减少后续消毒副产物的生成，特别是在抑制亚硝胺类消毒副产物生成上具有很好的效果，提高了出水水质的化学安全性。同时，由于上向流工艺中臭氧投加量较小，工艺生成溴酸盐的风险较低。张春阳等的研究也验证了上述观点。Jian等在南京龙潭水厂的中试研究表明通过合理的工艺调整，上向流工艺对于二氯乙腈(DCAN)具有较好的去除率。Chen等的研究也表明在原水中溴化物和含氮有机物含量较高时，上向流工艺对于含碳消毒副产物和含氮消毒副产物仍然具有较好的去除效果。

3.3 氨氮

张晓平等在对于上海源江水厂的研究中发现，下向流工艺对于氨氮的去除效果受季节影响较大。冬季时，由于原水水质氨氮偏高，炭层上微生物在低温条件下生化活动减慢，可能会出现出厂水氨氮无法达标的现象。在夏季高温条件下，炭池中可能出现藻类滋生和生物泄露等风险。

顾一峰通过研究对比源水同为黄浦江水的M水厂和Y水厂，发现在生产运行中，采用前置下向流工艺的M水厂在低温期间对于氨氮的去除效果明显好于采用后置下向流工艺的Y水厂。分析可能的原因：常温时后置下向流工艺中砂滤池内的硝化作用影响了后续活性炭吸附池内硝化细菌的数量，使得在冬季水温较低、砂滤池生物消化系统失效时，活性炭吸附池内硝化细菌难以适应突然升高氨氮的冲击。

李陈虹在福州东南区水厂的研究也表明，针对以氨氮为主要污染物的原水，在沉淀池出水浊度能满足要求的前提下，前置下向流工艺出厂水水质优于同区域常规出厂水水质，且运行安全可靠稳定。

刘建广等的研究中指出，上向流工艺对于氨氮和亚硝酸盐均有较好的去除效果，特别的是，进水浊度的变化不会影响上向流工艺去除率的变化，但是工艺对有机物去除效果对于温度的变化仍然较为敏感。

刘金翠等的研究认为，上向流工艺在氨氮的去除方面优于下向流工艺，同时具有更好的生物稳定性，能有效避免生物泄露风险。

但何小清、芮旻等的研究表明，在一定的操作条件下，上向流和下向流在氨氮指标上的去除效果并无明显差异。

臭氧生物活性炭工艺的选择受到原水水质、处理目标、现场条件等多方面因素影响，需要通过充分的经济技术分析来确定。当原水中浊度较高，有机物含量相对较低，深度处理目标仅为进一步优化水质时，可以采用后置式下向流臭氧生物活性炭工艺；在原水浊度较低，沉后水浊度满足活性炭吸附池进水要求，深度处理以去除氨氮和有机物为主时，选择前置式下向流臭氧生物活性炭工艺较为合适；当原水浊度较高，且深度处理对氨氮和有机物有去除要求，或原水中溴离子等易产生消毒副产物的前体物含量较高时，推荐采用前置上向流臭氧生物活性炭工艺；当原水水质过于恶劣，且对出厂水水质要求较高时，则必须采用中置上向流臭氧生物活性炭工艺。

在对池型的选择和设计上，在满足工艺和设计要求的前提下，还需要结合水厂实际情况综合考虑。在旧厂改造时尽量利用现有工艺流程，新厂建设还需考虑土建工程条件、占地面积、高程利用等实际问题，在保证水质的情况下节约建造和运营成本。

为了进一步提高臭氧生物活性炭工艺的处理效果、运行稳定性和经济性，还需从以下角度进行深入探讨。

(1)活性炭作为臭氧生物活性炭工艺的核心部分，其性质直接关系到整个工艺运行质量的好坏。目前，无论是在上向流还是下向流工艺中，活性炭的使用并没有一套完备的标准。不适合的炭层对于工艺的处理效果和使用周期影响不容忽视，因此针对不同工艺、池型，在活性炭滤料的选择和改性等方面还有待进一步研究。

(2)目前，上向流活性炭吸附池池型较为单一，如何进一步改进现有池型，提高上向流活性炭吸附池内配水的均匀性，避免轴向混合和死水区，使得炭层达到理想的流态化，对于充分发挥上向流臭氧生物活性炭工艺膨胀床吸附的特点至关重要。

(3)目前，国内有关在同一水源地，对上、下两种流向臭氧活性炭工艺之间在建设成本、运行维护、处理效果等方面的系统性研究报道尚存在不足。如何针对特定的原水水质和自然条件，选择能够满足水质要求的最为经济的流向，对于今后采用臭氧生物活性炭工艺的新厂建设和旧厂改造具有重要意义。