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我国日益加重的城市水源污染和不断提高的水质标准,对饮用水处理技术提出了新的要求。以“混凝、沉淀、砂滤、消毒”为主的常规工艺流程不能有效去除微污染水源中的氨氮和微量人工合成有机物,使城镇供水安全面临极大的隐患。本课题以膜生物反应器(MBR)为核心,针对微污染水源的水质特点,分别通过与纳滤和活性炭联用建立短流程膜组合工艺,替代传统的预处理及常规处理,并实现饮用水的深度净化,保障安全供水。本课题首先对MBR净化微污染水源水的性能进行了优化。通过对MBR系统的单元作用分析发现,微生物的降解作用是有机物的主要去除途径。充分增加反应器内的泥水混合程度能够有效提高MBR的除污效果,在水力停留时间为0.5小时条件下,系统对氨氮、总有机碳(TOC)和人工合成有机物均表现出良好的去除效果,具有替代常规工艺实现短流程净化微污染水的可行性。此外,MBR能够有效截留水中的微生物,降低出水生物可同化有机碳(AOC),控制消毒副产物,保障出水的微生物安全。另一方面,纳滤是常用的饮用水深度处理技术,能够有效截留水中的大分子有机物。以纳滤作为MBR的后处理,构成膜组合工艺净化微污染水的研究表明,MBR的微生物过程能够有效去除水中的氨氮,提高组合工艺对氨氮的去除效果,并有效缓解有机物对纳滤膜的污染,维持纳滤膜的高通量。MBR与纳滤联用工艺对氨氮、浊度、溶解性有机物和硝基苯等人工合成有机物具有良好的去除效果,能够实现饮用水深度净化。通过回流至MBR的方式,可以将纳滤浓水完全处理,实现浓水的零排放。浓水回流过程会造成MBR的有机物积累,使MBR出水的有机物浓度升高,加重纳滤膜的污染,但对组合工艺最终出水水质的影响较小,TOC浓度始终低于0.2 mg/L。为提高MBR的净水效果,研究中将MBR与活性炭联用。结果表明,粉末活性炭(PAC)直接投加到MBR内,构成粉末炭强化MBR反应器,对氨氮、TOC和硝基苯的去除效果均高于颗粒活性炭与MBR联用,且前者具有更高的硝基苯耐受性。在粉末活性炭强化MBR的启动期,反应器中的高浓度PAC能够通过吸附作用去除水中的有机物,保证启动过程中系统出水的有机物达标,但不能缩短硝化菌的成熟过程,系统的启动在30天左右完成。在长期运行中,连续投加PAC能够稳定的提高MBR对各种污染物的去除效率。此外,投加PAC能够有效缓解MBR的膜污染过程,使膜清洗周期由5天延长至8天。对PAC提高MBR除污效率的过程研究表明,在投加初期,PAC能够通过吸附作用去除水中微量的硝基苯、2,4,6-三氯酚等人工合成有机物和难生物降解的腐殖酸、富里酸类天然有机物。随着吸附饱和,PAC的作用逐渐由吸附剂变为微生物载体,促进MBR系统中的微生物富集并提高微生物总量和活性,提高系统对冲击负荷的应对能力。在处理含有硝基苯等人工合成有机物的原水时,MBR系统中出现明显的微生物驯化过程。在运行1个月后,MBR和PAC/MBR的活性污泥对硝基苯的最大降解速率由驯化前的0.09分别增长到0.95和1.83μg/(mg MLSS·h);对2,4,6-三氯酚的最大降解速率由驯化前的0.17分别增长到1.82和2.67μg/(mg MLSS·h)。对微生物种群结构的分析发现,异常球菌属(Deinococcus)的积累是系统微生物降解性能提高的主要原因。对比研究表明,MBR的净水效果优于常规饮用水净化工艺;膜组合工艺对氨氮、DOC、UV254和NB都具有良好的去除效果,出水稳定达标。与臭氧活性炭工艺相比,膜组合工艺对氨氮和溶解性有机物具有更高的去除率,对硝基苯的去除效率略低。此外,膜组合工艺能够去除水中的可生物同化有机碳,提高出水的微生物安全性,而臭氧活性炭过程会使出水的AOC浓度升高。膜组合工艺流程短,占地面积小,适宜于常规水处理工艺的原址改造,提高工艺对微污染水的净化性能,保障出水的安全性。