摘要

水厂臭氧生物活性炭工艺长期运行存在生物泄漏问题,包括颗粒物、老化生物膜和无脊椎动物等,这会形成供水生物安全的潜在威胁。在生物活性炭滤池增加砂垫层是一种经济实用的调控生物泄漏技术措施,但其实际应用效果和局限性尚不清晰。文中总结了近年来生物活性炭-砂垫层控制生物泄漏的效果,从炭砂滤池调控生物安全性、工艺参数、与现有活性炭滤池工艺的适应性、经济可行性等方面探讨了炭砂滤池在缓解微生物泄漏和保证出水水质等方面的可行性,并对炭砂滤池工艺未来的研究趋势提出了建议。

臭氧-生物活性炭工艺根据滤池的水流方向和炭滤池、常规砂滤池的相对位置，可分为前置上向流、中置上向流和后置下向流。 后置下向流是传统臭氧-活性炭工艺形式，具有活性炭负荷小、滤料寿命长、运行成本低等特点；缺点是炭层利用不充分，运行过程中吸附容量逐渐降低，很难兼顾有机物、微型生物和浑浊度的同步去除，易出现生物泄漏的问题。

为调控后置下向流炭滤池出水的生物泄漏，国内外开展了一系列研究和应用工作， 如在活性炭滤池之后增设砂滤池，或增设精密过滤、膜过滤等措施 。考虑到占地和经济因素，在炭滤池的炭层底部增设砂垫层形成的炭-砂滤池作为短流程工艺被开发出来，控制出水生物泄漏。但其在实际应用中的效果，尤其是炭砂混层现象、现有炭滤池的工艺匹配性等问题受到制水企业的高度关注。为此，本文综述了炭滤池生物泄漏的现状，在对比多种控制生物泄漏方法的基础上，重点探讨了炭砂滤池控制生物泄漏在技术和经济方面的可行性。

 

活性炭是一种良好的生物载体，有利于各类生物在活性炭表面富集和生长，形成微生物-原生动物-后生动物的食物链。各类生物的大量繁殖导致了生物活性炭滤池的生物泄漏，主要指携带微生物的活性炭颗粒、老化的生物膜和无脊椎动物等从炭滤池流出进入消毒池或清水池的现象，存在的饮用水生物安全问题主要包括感官恶化、细菌及致病微生物失控繁殖、消毒副产物的致癌风险等。

一般活性炭滤池进水异养菌(HPC)总数为100 CFU/mL，而出水会增加到1 000 CFU/mL以上，尤其在水质突变、长运行周期和反冲洗效率低等情况下，出水细菌总数高达5 000 CFU/mL，夏季高温甚至达到9 800 CFU/mL。生物活性炭池中活性炭颗粒上的细菌包括短波单胞菌、黄色单胞菌、鞘氨醇单胞菌、蛭弧菌、芽单胞菌和不动杆菌等。这些病原微生物可在颗粒物表面吸附生长，并在颗粒物的保护在供水管网内扩散，引发用水居民的大面积疾病感染。

饮用水处理系统中无脊椎动物的来源主要包括外源性输入和内源性生长。外源性输入主要由原水带入，且原水中无脊椎动物的种类数量繁多，即便经过混凝沉淀和砂滤工艺的优化调控，也难以避免有部分无脊椎动物泄漏进入生物活性炭滤池。内源性生长指无脊椎动物在水处理构筑物中生长繁殖。自20世纪90年代以来，在生物活性炭滤池中发现无脊椎动物的过度繁殖、泄漏等问题成为普遍现象。吴志玲的调查结果发现，当水温高于15 ℃时，活性炭滤池出水中无脊椎动物的内源性生长占比大于83.2%；水温低于15 ℃时，活性炭池出水中无脊椎动物的内源性生长占比大于74.4%。无脊椎动物的泄漏在夏秋季节较为严重，每立方米出水中的无脊椎动物数量最高达到数千个甚至数万个。杭州南星水厂、深圳梅林水厂、笔架山水厂等在臭氧活性炭滤池的出水中均发现了轮虫、线虫、剑水蚤等无脊椎动物。2020年7月，韩国仁川、京畿道、釜山等多个地区的龙头水中出现幼虫，调查发现是摇蚊虫在活性炭池大量繁殖导致的泄漏。无脊椎动物对饮用水的生物安全风险如图1所示。

无脊椎动物泄漏对饮用水水质的影响首先表现为感官上的影响。一些体型较大的无脊椎动物，一旦出现在供水系统中，可能引发消费者的恐慌。其次是会带来潜在生物安全风险。无脊椎动物本身可能是致病性或病原性动物，如无甲腔轮虫感染人泌尿系统的临床病例。此外，无脊椎动物还可以捕食包括病原微生物在内的细菌，协助抵御消毒剂的杀灭，然后释放到供水管网中。Wolmarans等研究发现管网中附着在无脊椎动物上的细菌总数为10～4 000 CFU/只。同时，无脊椎动物大量存在时又可以作为潜在的碳源，从而促进细菌的生长，破坏饮用水的生物稳定性，单个轮虫的代谢产物可以繁殖细菌约为68 300 CFU。无脊椎动物泄漏还存在着增加饮用水消毒副产物的风险。无脊椎动物及其代谢产物如蛋白质、脂肪等都是消毒副产物的重要前驱物，夏季供水系统中轮虫和线虫对三氯甲烷、二氯乙酸、三氯乙酸的贡献分别为62.72、83.42、70.74 ng/L。

 

针对生物活性炭滤池出现的生物泄漏问题，不少研究者提出了在活性炭层下方添加砂垫层形成炭-砂滤池的方法来进一步保证饮用水的生物安全。饮用水的生物安全性评价指标包括直接指标和间接指标。直接指标包括浑浊度、颗粒数、病原微生物、细菌总数、微型动物和细菌群落的变化等。间接指标以有机物浓度来预测细菌的再生长趋势，包括可同化有机碳(AOC)、可生物降解有机碳(BDOC)、细菌再生长潜力(BRP)等。砂垫层对有机物的去除率有限，尤其是小分子有机物，因此，选择直接指标评价砂垫层在保障出水安全性方面的作用比较合适。

浑浊度与两虫的去除率有一定的相关性，在部分国家浑浊度已被列为微生物学指标。在饮用水的净化过程中，浑浊度的去除主要依靠砂滤池的物理截留和黏附。因此，在活性炭层之后增加砂垫层可以利用密实的石英砂层截留脱落的生物膜和颗粒物等，保证对浑浊度的去除效果。杨至瑜发现在待滤水浑浊度为1.46 NTU的情况下，炭砂滤池出水的浑浊度低于砂滤池和后置下向流活性炭池，浑浊度平均值为0.10 NTU。可见，炭砂过滤对浑浊度的去除效果优于炭滤池未加砂的试验条件。刘阳等同样发现，炭砂滤池对浑浊度的控制稍优于活性炭柱，炭砂滤柱出水的浑浊度平均值为0.12 NTU。

出水颗粒数与两虫、无脊椎动物等的数量有一定的相关性。颗粒物能够保护附着细菌抵抗杀菌剂的灭活作用，对后续消毒工艺产生抗性，造成供水管网污染，影响出厂水的生物安全性，同时，颗粒附着细菌数要远高于悬浮细菌。

炭滤池增加砂垫层后出水中的颗粒数随着砂垫层高度的增加逐渐减少，炭砂滤柱出水中大于2 μm的颗粒数约为100 CNT/mL，而活性炭柱出水中大于2 μm的颗粒数往往超过300 CNT /mL。在保证活性炭层颗粒物不泄漏的同时，还需要密切关注砂垫层中可能存在的无机颗粒物泄漏问题。目前，国内对滤后水中颗粒数没有要求，陈国强等建议在氯投加量为1.5 mg/L、消毒时间为40 min的情况下，需控制颗粒物数量小于150 CNT/mL。

砂垫层能够在一定程度上截留活性炭层中的细菌，臭氧-炭砂滤池出水中的细菌总数能够稳定在500 CFU/mL以下，且出水细菌数随砂垫层高度增加逐渐减少。保证炭砂滤池出水细菌总量达标的同时，还需要关注炭砂滤池出水中的细菌能否被消毒剂有效地灭活。当加氯量为2 mg/L时，臭氧-生物活性炭砂滤池出水细菌致死率为99.5%；当加氯量大于3 mg/L时，出水细菌致死率为100%。炭砂滤池可以保证消毒工艺灭活细菌的效果，进一步增加出水安全性，但是对砂垫层在该过程中的作用还需进一步研究。

水中常见的微型动物主要包括鞭毛虫、肉足虫、纤毛虫、轮虫、线虫、腹毛虫、颤蚓、水熊、水螨、摇蚊幼虫和甲壳动物等无脊椎动物。我国现行生活饮用水水质标准中明确规定，生活饮用水中不得有肉眼可见的异物。石英砂过滤能够在一定程度上截留无脊椎动物，且截留效率随着砂垫层高度的增加逐渐上升，但滤料粒径和滤料均匀度对无脊椎动物的截留率因无脊椎动物种类不同而有所差异。当砂垫层高度由0增加到500 mm时，轮虫的截留率由29.8%增加到46.6%，其他较大无脊椎动物的截留率由41.7%增加到85.5%，并且无脊椎动物的丰度随着砂垫层高度的增加而衰减。无脊椎动物在砂垫层中还存在着失活的现象，但石英砂是否具有杀灭无脊椎动物的作用还需要进一步研究。

炭砂滤池深度、营养物质以及溶解氧对细菌群落结构均存在影响，砂垫层和活性炭层具有相似的主要细菌群落， α -变形菌、酸杆菌、β-变形菌是活性炭层底部和砂垫层中部最丰富的菌群，但砂垫层的微生物多样性有所增加。砂垫层的净水效能一直被认为是物理化学作用，关于砂垫层中生物菌群结构和变化的研究较少，对砂垫层附着微生物的净水作用不明晰。胡万超等认为变形菌门是实现各类物质转化的主要途径，对水质影响较大，同时，研究发现 α -变形菌和β-变形菌的富集与水质恶化有一定的相关性。

 

除了在活性炭层下方添加砂垫层，还有一些针对生物活性炭滤池生物泄漏问题的优化措施，如干池法、食盐水浸泡法、含氯水反冲洗、上向流炭滤池+砂滤、优化反冲洗参数、膜过滤、强化消毒等，各方法的主要特点如表1所示。

前4种方法是对活性炭滤池进行改造或干预来调控生物泄漏，后3种方法是依靠后续的处理工艺强化对炭滤池泄漏生物进行截留和杀灭。大量小试试验及小型中试试验表明，采用“增加砂垫层+优化反冲洗+强化消毒”的组合技术，是一种效果较好且成本较低的策略。

 

常规处理炭砂滤池的改造限于砂滤池原有条件，活性炭层高度一般为0.5～1.0 m，砂垫层高度为0.2～0.6 m，不在本文讨论之列。表2总结了国内部分中试及生产应用阶段的生物活性炭-砂滤池的工艺参数，表2中前5项工艺处于中试阶段，后5项处于生产应用阶段。

细砂滤料去除浑浊度和截留无脊椎动物的效果均优于粗砂滤料，且均质滤料控制生物泄漏的效果较好，不过细砂滤料与活性炭联用时易出现混层现象以及水头损失增加过快的情况。王韬发现，在进水浑浊度为0.38 NTU时，粒径为0.62、0.96 mm的砂垫层对浑浊度的去除率分别为76%、73%。朱洁等发现，粒径为0.3～0.5 mm的砂垫层对较大体型的无脊椎动物的截留效率明显高于粒径为0.6～0.9 mm的砂垫层，可达到55%以上，且在进水浑浊度仅为0.1 NTU的情况下，砂垫层连续过滤96 h，水头损失最高仅有0.08 m。工程设计或改造时，结合国内设计规范和实际应用情况，建议使用有效粒径( d 10 )为0.6～0.9 mm、 K 80 ≤1.4的石英砂，但同时需根据实际应用中的水质，并结合经济因素等确定合适的石英砂粒径和均匀度。

砂垫层的厚度在一定范围内决定了炭砂滤池的净水效果。砂垫层越厚，浑浊度和颗粒物的去除效果越好，但是砂垫层过厚容易导致反冲洗时气水分布不均匀，水头损失增加，反冲洗成本且处理效果提升不明显。段蕾发现，炭砂滤池出水浑浊度随厚度增加逐渐降低，但厚度为300、400 mm的砂垫层的炭砂滤池出水浑浊度均为0.24 NTU；颗粒物的去除率和反冲洗运行初期出水中的细菌总数与砂垫层的厚度大致呈正相关性。

在有条件的情况下，综合分析出水生物安全性直接指标与砂垫层厚度的关系，确定砂垫层的最佳厚度。不具备试验条件的情况下，建议砂垫层厚度在0.3～0.5 m，并根据实际条件进行调整。将生物活性炭滤池改造为炭砂滤池时，在保证活性炭层厚度至少为1.5 m的前提下，可以直接将部分活性炭层改为砂垫层。温度较低的地区，需适当增加炭层厚度保证有机物的去除效率；温度较高的地区，适当增加砂垫层的厚度保证出水的生物安全性。

炭砂滤池的滤速设计需要根据滤料层厚度、空床接触时间和产水量等进行综合考虑。炭砂滤池炭层接触时间可取8～15 min，当炭砂滤池以去除嗅味为主时，炭层空床接触时间一般为8～10 min；当以去除高锰酸盐指数(COD Mn )为主时，炭层空床接触时间一般为12～15 min。

滤速对炭砂滤池有很大的影响。 滤速过大，容易出现污染物和颗粒物穿透现象，降低出水水质缩短过滤周期；滤速过小，污染物容易堵塞滤料，造成上层滤料板结，还会增加滤料的体积和工程造价。段蕾研究发现，炭砂滤池的滤速由9 m/h降到2 m/h时，浑浊度的去除率先增加后降低，在4.5 m/h时去除率最高；出水细菌总数受滤速影响较小，稳定在20 CFU/mL以下。而孟冠州发现，相较于滤速为6、10、12 m/h，当滤速为8 m/h时，浑浊度去除率最佳。因此，在工程实践中，需要结合进水水质及出水水质要求确定最佳的滤速。

反冲洗对于生物活性炭滤池或炭砂滤池的出水细菌总数的控制尤其重要，长时间不冲洗的炭砂滤池出水容易出现细菌总数放大现象。由于砂垫层对微生物的截留量有一定的限值，当脱落生物膜在石英砂层中积累到饱和值后，会发生穿透，造成生物泄漏。生物泄漏量与砂垫层的厚度有一定相关性：砂垫层越高，运行7 d后炭砂滤池的出水中检测出的细菌总数越多。炭砂滤池经过反冲洗后，砂垫层重新恢复对微生物的截留作用。

一般地， 浑浊度或水头损失可作为指标判断滤池是否需要反冲洗，但仅仅靠这2个指标无法保证炭砂滤池出水生物安全， 需要根据水质要求综合分析常规指标、水头损失、浑浊度、颗粒数、无脊椎动物数量以及细菌总数等各种指标，确定炭砂滤池的适宜反冲洗周期。由于微生物的生长繁殖速率随着温度的变化而变化，活性炭滤池在不同温度条件下发生生物泄漏的周期不同，最好是通过中试或生产性试验确定不同季节条件下炭砂滤池的反冲洗周期。

反冲洗方式对非均质炭砂滤池的床层结构影响较大。 滤池反冲洗主要有水反冲洗和气水联合反冲洗2种方式。气冲在反冲洗过程中起到活性炭层生物及非生物颗粒脱附的作用，而水冲主要是对脱附颗粒的漂洗作用。气水联合反冲洗滤池出水中的AOC浓度和细菌总量小于单独水反冲洗滤池，且单独水反冲洗的耗水量大，效果相对较差。“气冲+气水同时冲洗+水冲”是反冲洗效果最好的一种气水联合反冲洗方式，但是气水同时反冲洗并不适用于炭砂滤池，因为密度较小的活性炭会在气泡的裹挟下随水流向上运动，出现滤料流失现象，并且气水同时冲洗不易控制，容易对活性炭造成一定的机械磨损。而“气冲+水冲”的两段式气水联合反冲洗适用于细滤料和比重小的炭砂滤池。在炭砂滤池的反冲洗过程中，气反冲洗容易使滤池出现混层现象，炭砂界面上升；而合适的水反冲洗强度可以使炭砂界面出现完全的流化，炭砂界面重新变得清晰，并且界面高度回落。

不合理的反冲洗强度会影响滤池的处理效果、过滤周期和滤料的使用寿命。 在水厂的长时间运行实践中，由于反冲洗强度不够、膨胀率低、反冲洗时间短等原因，炭砂滤池容易出现无法满足自然分层条件导致的滤料混层、孔隙率降低导致的滤程缩短、泥渣积聚导致的滤料板结等问题。而反冲洗强度过大，容易破坏承托层结构，导致滤料与承托层混合，还会出现活性炭机械磨损、滤料流失及微生物大量损失的现象。各水厂因不同的原水水质、滤速以及滤池构成等，所选用的反冲洗强度及时间也各不相同，需要根据试验确定最适的反冲洗强度和时间。建议炭砂滤池采用气水联合反冲洗时，气冲强度为13～16 L/(s·m 2 )，时间为2～3 min；水冲洗强度为6～12 L/(s·m 2 )，时间为8～10 min。

 

虽然炭砂滤池出水的相关研究中出现了有机物去除效果有所降低、大粒径颗粒物的泄漏等问题，但是 通过合理设置炭砂滤池的厚度和级配，优化反冲洗的相关工艺参数，深度处理炭砂滤池的出水完全可以达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中的标准。 部分中试以及生产性炭砂滤池的出水指标如下。出水总有机碳(TOC)含量为0.85～2.2 mg/L；COD Mn 含量为0.32～1.94 mg/L；紫外吸光值(UV 254 )为0.008～0.033 cm -1 ；氨氮含量为0.01～0.2 mg/L；亚硝酸盐含量为0.002～0.008 mg/L；浑浊度为0.092～0.24 NTU；颗粒数为86～180 CNT/mL；AOC含量小于70 μg/L；BDOC含量为0.2～0.24 mg/L；三卤甲烷生成势(THMFP)含量为90～100 μg/L；卤乙酸生成势(HAAFP)含量为40～60 μg/L；藻类为59～139万个/L；叶绿素含量小于0.68 μg/L；藻毒素含量小于0.01 μg/L；铁含量小于0.092 mg/L；锰含量小于0.05 mg/L。

短流程的炭砂滤池相比于在活性炭池后增设砂滤池，节省投资、节约耗能、减少占地面积和构筑物的建造费用。炭砂滤池一体化工艺减少运行管理费用，长三角地区某30万t水厂建设炭砂滤池总投资约480元/m 3 ，比新建臭氧-活性炭-砂滤工艺节省成本30%以上。

 

活性炭层和砂垫层在反冲洗时，膨胀率不同，导致反冲洗结束后滤料回落时，无法通过密度差异实现上层活性炭和下层石英砂的自然分层，出现下层细小石英砂嵌入上层颗粒粗大的活性炭中的混层现象。活性炭和石英砂的混层会影响炭层的微生物对有机物、氨氮等污染物的生物降解效果，减弱砂垫层的截留效率，增加出水浑浊度及生物泄漏的可能性。主要解决措施如下：(1)根据滤料级配选择合适的反冲洗滤料膨胀率和反冲洗强度；(2)气反冲洗和水反冲洗开启阀门时，应在1 min中内逐渐使反冲洗强度增加到设计强度，防止混层；(3)调整反冲洗程序，在气反冲洗和水反冲洗之间增加停留时间60～90 s，让活性炭和石英砂自然沉降，同时缓解水夹气现象带来的影响。

炭砂滤池的反冲洗强度过大和气水联合反冲洗中出现的水夹气现象，都会导致活性炭滤料随反冲洗水流出滤池。主要解决措施如下：(1)通过试验确定合适的反冲洗强度；(2)按照活性炭层反冲洗膨胀率为35%进行设计或改造，增加滤池顶部与活性炭层表面的高度差；(3)根据活性炭的粒径，在滤池顶部加装孔径小于活性炭粒径的钢结构防跑炭网；(4)在气反冲洗和大水量反冲洗之间增加小水量反冲洗方式，带走气反冲洗产生的气泡，缓解水夹气现象带来的影响；(5)保证布水布气系统的水、气均匀分布在整个滤池上，防止出现部分区域反冲洗强度过大而出现的跑炭现象，以及部分区域反冲洗强度过小导致清洗不干净；(6)选择反冲洗和排水不同步的翻板滤池的池型。

水厂在长期运行过程中，很难根据水质变化对反冲洗参数作出相应的改变，导致滤料磨损、滤料板结及滤程缩短等问题。主要解决措施：根据水质实时监测结果，改变相应的反冲洗条件，如根据出水浑浊度、颗粒数、无脊椎动物泄漏数量，改变反冲洗周期等；根据反冲洗后的水质处理效果，改变反冲洗强度或时间等。另外，炭砂滤池应设计成有观察窗的封闭式滤池或移动式遮光罩的滤池，以防止蚊蝇进入池内繁殖以及滋生藻类，同时满足滤池的日常管理和检修需求。

 

目前，关于臭氧-生物活性炭砂滤池的研究主要针对炭砂滤池改造后的运行效果、影响因素以及活性炭层中微生物，而砂垫层中微生物研究不足，且应用于自来水厂的案例还比较少，缺少工程应用的经验。因此， 臭氧-生物活性炭砂滤池还需要开展进一步研究。

(1)炭砂滤池由于是双层滤料，容易出现活性炭和石英砂的混层、跑炭现象， 在工程上，需要明确炭砂滤池的设计参数和设计要点。 例如，可以建立炭砂滤池的高效反冲洗数学模型，并通过试验验证其效果，进一步研究滤料级配和优化反冲洗，尤其是不同滤料级配条件下的反冲洗参数。

(2)借助分子生物学方法，研究砂垫层中微生物的群落、结构、数量变化特征，分析砂垫层防止微生物泄漏的机理，以及出水水质与微生物优势群落之间的关系；并研究添加砂垫层是否对活性炭池出水的生物稳定性影响。

(3)采用多种水质进行炭砂滤池的运行试验，全面分析炭砂滤池针对不同水质处理时的优缺点，以应对突发性水源污染、病原菌冲击等恶劣状况。