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自2006年全面实施农村安全供水建设以来，我国农村供水安全问题得到了极大改善。但由于管理不到位、水源污染等原因，农村饮用水水质合格率低等问题依然突出，其中水质超标的指标多为浊度等感官性状指标以及总大肠菌群和菌落总数等微生物指标[1-3]。
农村供水管理环节薄弱，可以选择简单实用且易于管理的饮用水处理工艺。炭砂双层滤池是一种深度处理工艺，可去除水源水中的微污染物，应对农村水源水污染问题；其处理效果好且工艺简单，成本低[4]，能实现全自动化管理，适宜农村供水。炭砂滤池能去除绝大部分浊度和氨氮，对有机物去除效果优于普通砂滤池，其去除效果有时可达到40%~50%[5-6]；对消毒副产物生成势也有一定的去除效果[7]。炭砂滤池也可以用来代替活性炭滤池，利用增加的砂垫层截留细菌[8]和无脊椎动物[9]，从而提高活性炭滤池出水生物安全性。生物粗滤池结构简单、不易堵塞，被视为混凝-沉淀工艺的替代工艺[10]，且与混凝沉淀相比，粗滤无须添加药剂，运行管理简单。粗滤池可作为炭砂滤池的预处理工艺，延长炭砂滤池的使用寿命，提高其出水水质。此外，农村水处理多采用介质过滤工艺，很容易改造成炭砂滤池，其在农村具有较广阔的应用前景。
本研究以粗滤池代替混凝沉淀作为炭砂滤池的前处理工艺，考察炭砂滤池对农村饮用水常见超标项——浊度以及细菌总数的去除效果，并通过模拟实验考察了其对大肠杆菌的去除效果，以期为评价炭砂滤池出水安全性提供参考。
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炭砂滤池实验装置如图1所示。炭砂滤池由2根直径10 cm的有机玻璃柱组成，采用双层滤料结构，上层填充1.5 mm柱状颗粒活性炭，填充高度为60 cm；下层填充0.5~1 mm石英砂，填充高度为40 cm。炭砂滤池设计为下向流，运行流速为80 L·h−1(即10 m·h−1)，停留时间约为6 min。炭砂滤池采用自来水反洗，反洗水量为6~7 L·min−1(即12~15 L·(m2·s)−1)，反冲周期参照活性炭滤池，约为2周左右。原水为中国科学院城市环境研究所园区景观河河水，炭砂滤池进水为粗滤池出水，水质见表1。运行期间水温为16~21 ℃。
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实验采用便携式浊度仪(Thermo，Orion AQ 4500，美国)测定浊度。细菌总数和大肠杆菌的测定方法参照《生活饮用水标准检验方法 微生物指标》(GB/T 5750.12-2006)。所用微生物培养基都购自青岛海博生物技术有限公司。浊度及细菌总数去除率的计算方法见式(1)。
式中：Q为去除率；C0为进水中的浓度，NTU或CFU·mL−1；CT为出水中的浓度，NTU或CFU·mL−1。
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实验微生物为大肠杆菌(CMCC 44103)，购自广东省微生物菌种保藏中心，菌株保存在−80 ℃冰箱。使用前，从冰箱取出菌种，用LB肉汤活化过夜，培养条件为37 ℃，180 r·min−1。活化后，取1 mL菌液接入新鲜培养液中，培养24 h左右。7 800 r·min−1条件下离心(HERMLE，Z 326 K，德国)5 min，收集菌体，用无菌生理盐水重悬至浓度约为1×109 CFU·mL−1，作为储备菌液。
将大肠杆菌储备菌液用蠕动泵加入粗滤池出水中，使得炭砂滤池进水中大肠杆菌浓度约为1×103 CFU·mL−1，2 h后开始采集进出水样品，之后每个滤柱每隔1~2 h各采集1次样品，共采集4~5次，样品总数为8~10 个。样品采集后放置在4 ℃冰箱保存，用于后续检测。大肠杆菌对数去除率的计算方法见式(2)。
式中：R为大肠杆菌对数去除率；N0和Nt分别为进水和出水中大肠杆菌数量，CFU·mL−1。
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实验考察了炭砂滤池对浊度的去除效果。如图2所示，炭砂滤池的待滤水(粗滤池出水)浊度较低(1~4 NTU)，出水浊度为0.7~2.2 NTU。滤池对颗粒物的去除效果受进水中悬浮物浓度、粒径大小以及沉淀特性等因素影响。根据报道[6, 11-12]，以沉淀池出水为待滤水时，炭砂滤池出水平均浊度小于0.3 NTU，浊度去除率为60%~95%。本实验中滤池的出水浊度较文献报道偏高，可能是因为水源水水质不同(进水未经混凝或絮凝处理，低浊水等)造成的。
当以地表水或浅井水为水源时，农村水厂进水浊度易受暴雨等条件影响，从而出现短期的高浊度进水。粗滤池由于填充粗颗粒介质，对高浊原水的浊度去除效果很好，却也很难将浊度控制在较低水平。而炭砂滤池虽然对低浊水去除作用不是特别理想，但在进水浊度较高时，其浊度去除率可能会有较大提升，并在控制工艺出水浊度方面起屏障作用。
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本研究还考察了炭层和砂层对浊度去除的贡献度(图3)。进水流经炭层后，16.5%的浊度被去除，流经砂层后，浊度去除率增加至27.6%。以炭层出水为进水，砂层的平均浊度去除率为13.5%，在控制出水浊度方面起到了重要作用。刘阳等[13]对比了单层活性炭滤池和双层炭砂滤池对浊度的去除效果，结果表明，与单层活性炭滤池相比，炭砂滤池出水浊度降低了20%。
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生物滤池可以通过吸附和物理截留作用去除进水中的病原菌等微生物。农村地区水源水易受人畜及野生动物粪便污染，且保护力度不够，大肠菌群数量超标较为常见。而饮用水中病原微生物的存在会提高饮用水的生物风险，危害人们身体健康。因此，本实验以大肠杆菌为考察对象，研究了炭砂滤池对大肠菌群的去除效果，结果如图4所示。
在10 m·h−1条件下，炭砂滤池对大肠杆菌的去除效果波动范围较大，最低对数去除率仅为0.19，而最高对数去除率高达1.09，平均对数去除率为0.37。而在滤速为5 m·h−1条件下，炭砂滤池对大肠杆菌的对数去除率为0.35~1.33，平均对数去除率为0.79。本实验中滤池对大肠杆菌的去除效果虽然波动较大，但极差值仍小于1，波动范围与已有研究[14-15]相近。滤池对大肠杆菌的去除率随着滤速的降低而增大。增大流速会降低滤池对细菌的吸附能力，也可能会使已截留的细菌重悬，导致出水细菌数量增加，细菌去除率降低。LI等[14]的研究结果也表明，流速大小会影响滤池对大肠菌群的去除效果。
截留或吸附在滤层内部的大肠杆菌可在滤池中积累，甚至在生物膜中存活下来，在后续运行时逐渐释放到出水中[15-16]。因此，虽然炭砂滤池对大肠杆菌去除效果较好，但截留在滤层内或生长在滤料生物膜内的大肠杆菌也可能会成为滤后水微生物风险来源。
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砂层不仅在出水浊度保障方面起重要作用，而且对大肠杆菌去除效果明显(图5)。在10 m·h−1时，炭层对大肠杆菌的平均对数去除率为0.21，经砂层过滤后，大肠杆菌对数去除率提高了0.19。1 cm高度炭层对大肠杆菌的对数去除率为3.5×10−3，低于1 cm高度砂层对数去除率4.8×10−3。在5 m·h−1时，约86%的大肠杆菌去除率是由炭层完成的(炭层的对数去除率为0.80，砂层仅为0.13)，1 cm高度炭层和砂层对大肠杆菌的对数去除率分别为1.3×10−2和3.3×10−3。
当接触时间足够长时(5 m·h−1)，炭层截留的大肠杆菌数量远超砂层，且1 cm高度炭层的对数去除率是砂层的4倍左右。其原因可能是细菌截留主要是发生在滤层上部，中下层进水细菌浓度下降，对大肠杆菌的截留率也较低[15]。但当滤速较高时，炭层去除率显著降低，砂层对降低出水大肠杆菌数量起到了重要作用。
与砂层相比，炭层对大肠杆菌的去除率受滤速的影响更大。这可能是因为当滤速提高时，炭层不仅对细菌“胶体颗粒”的截留率会降低，而且对微生物的吸附能力也大大降低，而吸附是粒径较大的活性炭滤料除菌的重要机理。而砂层填料粒径更小，对细菌的物理截留作用强于炭层，受接触时间的影响相对较小。
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炭砂滤池对细菌总数的去除效果如图6所示。可以看出，炭砂滤池对细菌总数的去除基本没有作用，反而会经常出现细菌数量放大的情况。在反冲洗后采样检测，发现出水细菌数量依然可能大于进水细菌数。滤池进水中有一定水平的可生物利用有机物，可支持微生物在滤池内生长繁殖，使得滤池填料表面形成生物膜。活性炭滤料是适合微生物挂膜生长的载体，生物量大，生物膜老化脱落进入出水使得出水细菌数量增大。虽然砂层可以截留部分细菌，但炭砂滤池仍然可能会出现出水细菌数量多于进水的情况[4]。已有研究结果[17-18]也表明，炭砂滤池在挂膜成熟后会出现微生物泄露现象。但也有研究[8]表明，在滤速为8 m·h−1，反冲周期为48 h条件下运行时，炭砂滤池对细菌总数的去除率约为60%，且不会引起出水细菌数量的增加。因此，关于炭砂滤池对细菌总数的去除特性仍须进一步研究。
不同于砂滤池能有效控制出水微生物数量，炭砂滤池出水细菌数量可能会增大，具有一定的微生物风险。炭砂滤池后的消毒工艺必须行之有效。但在农村供水工程中，消毒一直是薄弱环节，常因消毒失败而导致微生物超标。因此，若采用炭砂过滤器，操作简单、易于管理的紫外线消毒器可能更为适宜。
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1)以粗滤为前处理工艺，炭砂滤池出水浊度为0.7~2.2 NTU，浊度去除率不高。炭砂滤池浊度处理虽达不到预期效果，但当农村水厂进水浊度较高、粗滤处理后不能达标时，其对出水浊度的控制尤为重要。
2)砂滤池对大肠杆菌去除效果较好，在实验滤速下对大肠杆菌对数去除率为0.19~1.33。但炭砂滤池出水可能会出现细菌数量放大的现象，具有一定的微生物风险。
3)炭砂滤池在农村水处理中具有良好的应用前景。为保障出水微生物安全性，炭砂滤池后必须接消毒工艺，且应重视消毒效果，以确保消毒工艺行之有效。
炭砂滤池对农村饮用水中浊度及细菌的去除效果
Removal effect of turbidity and bacteria in rural drinking water by GAC-sand filter
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摘要: 粗滤-炭砂过滤是简单实用的农村水处理工艺。通过中试装置，检测了滤池对浊度、细菌总数和大肠杆菌的去除效果，研究了炭砂滤池出水安全性。结果表明：炭砂滤池能进一步降低粗滤池出水浊度，并将其控制在0.7~2.2 NTU；砂层作为保证出水浊度的屏障，其浊度去除率在炭层基础上可再增加11.1%；炭砂滤池对大肠杆菌的平均去除率随着滤速的降低而增大，且该差异主要是由炭层贡献的；当滤速为5 m·h−1时，炭砂滤池对大肠杆菌平均对数去除率为0.79；但滤池运行过程中会产生微生物泄露的现象，对细菌总数基本无去除作用。因此，为保障出水的微生物安全性，炭砂滤工艺后须增加行之有效的消毒工艺。Abstract: Roughing filtration-GAC-sand filtration is a simple and practical rural drinking water treatment process. The removal effects of turbidity, total bacteria count and Escherichia coli were tested for the pilot-scale unit, and effluent safety of -GAC-sand filter was studied. Results indicated GAC-sand filter could further reduce the effluent turbidity of roughing filter to around 0.7~2.2 NTU. As a barrier for ensuring effluent turbidity, the turbidity removal efficiency of sand layer increased by 11.1% compared with that of the GAC layer. The average removal efficiency of Escherichia coli by GAC-sand filter increased with the decrease of filtration rate, which was dominated by GAC layer. The average log removal rate of Escherichia coli was 0.79 for GAC-sand filter at filtration rate of 5 m·h−1. However, microbial leakage phenomenon occurred during GAC-sand filter running, which had almost no removal effect for total bacterial counts. Thus, effective disinfection treatment should be added and guaranteed after GAC-sand filter to ensure the microbial safety of drinking water.
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Key words:
- GAC-sand filtration /
- turbidity /
- total bacterial count /
- Escherichia coli /
- rural water supply
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随着我国工业化和城市化的迅速发展，能源消耗日益增长，城市人口迅速膨胀，机动车保有量激增，导致NOx、一氧化碳（CO）和VOCs等臭氧（O3）前体物排放量不断增加[1-4]，O3逐渐成为我国城市环境空气的主要污染物，严重威胁了人类健康和植物生长[5]，也引起了众多学者的广泛关注. 近年来，大量研究围绕光化学烟雾和臭氧污染展开，结果表明，在短期内排放源大致不变的情况下，气象条件是影响臭氧污染最重要的因素，臭氧污染典型气象条件表现为太阳辐射强、气温高、相对湿度适宜、地面小风速及特定的风向[6-9].
宁夏回族自治区地处中国西北部内陆，气候干燥、太阳辐射强，日照时间长[10]，为臭氧前体物的转化提供了有利的气象条件，加之近年来，受城市化及宁东能源化工基地（简称“宁东基地”）污染排放影响，造成宁夏臭氧污染天气频发. 特别是2017年银川市日最大8小时浓度（O3−8 h）值超出二级标准，达到轻度及以上污染达48 d，臭氧污染引起了自治区政府及相关部门高度重视. 近年来，学者们对银川市臭氧污染及气象条件特征等方面开展了分析研究[11-14]，结果表明，银川市臭氧浓度日变化呈单峰性，午后易出现臭氧超标，臭氧浓度与紫外辐射强度和气温呈正相关、与相对湿度呈负相关. 目前，对宁夏其它地市的臭氧污染的气象条件特征研究较少，宁夏臭氧污染预报预警技术支撑薄弱. 按中国气象局要求，从2018年起，每年5—9月全国各省市开展臭氧污染气象条件等级预报业务，但由于缺乏技术支撑，目前宁夏臭氧污染气象条件等级预报业务也仅是以经验为主，随意性大，精细化程度不够，预报服务效果不理性.
本文针对宁夏臭氧污染现状及臭氧污染等级客观精细化预报服务业务需求，利用环境和气象数据，采用相关性分析和概率统计方法，从臭氧污染高影响气象因子着手，在分析各地市臭氧污染气象条件特征基础上，综合考虑各气象因子对臭氧生成的贡献大小，建立宁夏臭氧污染气象条件评价指标体系；基于评分及预报效果检验评估结果，参照《全国臭氧气象预报业务规范》，建立臭氧污染气象条件指数预报模型和等级预报标准. 研究结果将为宁夏臭氧污染气象条件客观化精细化预报提供技术支撑，实现臭氧污染气象条件定量化精细化监测，为宁夏各地市臭氧污染预报预警及科学应对臭氧污染提供技术支撑和决策参考.
1. 实验部分（Experimental section）
1.1 数据来源
环境空气质量数据来源于宁夏回族自治区生态环境监测站提供的2017—2020年宁夏五地市（银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市、固原市）18个环境空气质量国控监测点及宁东基地5个区控监测点O3质量浓度逐小时数据和城市O3−8 h数据. 同期气象数据来源于宁夏气象信息中心，为距离环境监测点最近的自动气象站逐小时气温、相对湿度、风速、风向、总云量、降水等，其中，2017—2019年总云量资料为银川市、中卫市和固原市气象站保留3次人工观测的中午14时总云量数据，用于臭氧污染气象条件指数预报模型建立；另外，还使用了风云4号卫星反演的2020年五地市及宁东地区总云量资料，用于指数预报模型预报效果检验评估. 宁夏行政区划及环境空气监测站点和气象观测站点位置见图1.
图 1 宁夏环境空气自动监测站点和气象观测站点分布Figure 1. Distribution of ambient air automatic monitoring stations and meteorological observation stations in Ningxia1.2 分析方法
臭氧超标率（E）定义：根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定》（HJ 633—2012）臭氧二级标准为1 h平均浓度大于200 μg·m−3.
E=t1t×100% (1) 式（1）中，t1是某个时间段内臭氧浓度超出200 μg·m−3的时次，t是总时次，E为臭氧超标率.
太阳辐射强度是影响臭氧浓度变化的重要原因之一，太阳辐射强弱又与温度有关[15]，因此分析温度对臭氧污染的影响非常重要. 本文参考相关文献[16]，统计不同度区间的臭氧平均浓度和超标率，分别将气温与其他气象因子联立，统计联立后的臭氧平均浓度和超标率，即以气温为参照，研究其他气象因子对臭氧平均浓度和超标率的影响，从而确定所有气象因子的影响权重，最后得出指数预报模型及等级预报分级标准.
2. 结果与讨论（Results and discussion）
2.1 气象因子与臭氧浓度的关联性分析
研究表明，臭氧是二次污染物，主要来源于挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）的光化学反应[17-18]。本文选取了白天的臭氧浓度和气象要素进行相关性分析，结果表明，各地臭氧浓度与气温均呈明显正相关，相关系数为0.64—0.72；与相对湿度均呈较明显负相关，相关系数−0.36—−0.55；与风速呈弱正相关，相关系数0.11—0.32. 由于风向用0—360数值表示，如：北风用0标记，东风用90标记；总云量用0—10的整数数据标记，如晴天无云标记为0，满天云系标记为10成云；宁夏全年降水过程较少，无降水或微量降水自动气象观测均标记为0，而臭氧浓度数值变化范围较大，因此，臭氧浓度与风向、总云量和降水量的相关性不明显（见表1）.
表 1 宁夏五地市及宁东基地气象要素与臭氧浓度相关系数Table 1. Correlation coefficients of meteorological elements and ozone concentration in five cities of Ningxia and Ningdong base站点Station 气温Temperature 湿度Humidity 风速Wind speed 风向Wind direction 云量Cloud cover 降水量Precipitation 银川 0.67 −0.36 0.18 0.013 −0.022 −0.039 石嘴山 0.71 −0.49 0.24 −0.018 −0.021 0.041 吴忠 0.69 −0.42 0.23 0.015 −0.101 −0.059 中卫 0.71 −0.49 0.24 −0.102 −0.026 0.026 固原 0.64 −0.55 0.32 −0.032 0.025 −0.132 宁东 0.72 −0.42 0.11 0.011 −0.011 −0.021 全区平均 0.69 −0.46 0.22 −0.019 −0.026 −0.031 | Show Table
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2.2 气象因子对臭氧浓度的影响
为进一步探讨气象要素变化对臭氧浓度的影响，通过对2017—2019年宁夏5个地市及宁东基地臭氧浓度和超标率进行分类统计发现，气温、相对湿度、风速、云量、降水等气象要素对臭氧浓度和超标率都有影响. 各地臭氧浓度和超标率均随气温升高而升高，气温超过30℃时，各地平均臭氧浓度和超标率分别为130.3—184.0 μg·m−3、0.1 %—19.2%. 各地臭氧浓度和超标率均随湿度增大而减小，较干燥的环境（相对湿度≤55%）臭氧浓度和超标率相对较高，各地分别为95.1—134.7 μg·m−3、0.1%—6.0%，相对湿度在55%以上时臭氧浓度和超标率较低. 风速小于1 m·s−1时，各地臭氧浓度和超标率均较低，风速在2—3 m·s−1之间时，臭氧浓度和超标率相对较高，各地分别为96.2—124.2 μg·m−3、0.2%—4.9%，风速在5 m·s−1及以上时，臭氧浓度也较高，但不易出现超标. 不同风向下各地臭氧浓度和超标率无明显变化. 云量对臭氧影响表现为：云量在0—3成的晴天各地臭氧平均浓度和超标率均较高，分别为112.4—149.0 μg·m−3、0.9%—7.9%，云量在4—10成的多云或阴天较低. 降水对臭氧浓度和超标率也有一定影响，无雨时臭氧浓度和超标率分别为102.8—135.8 μg·m−3、0.5%—3.0%，小时雨量大于1 mm，臭氧浓度明显降低，除银川超标率为1.6 %外，其它地市未出现臭氧浓度超标.
2.3 气象因子联合对臭氧浓度的影响
为了突出温度对臭氧浓度的影响并兼顾考虑其它气象因子的影响，以银川市为例，对气象因子联合对臭氧浓度的影响进行分析. 结果表明，当气温在30℃以上，相对湿度在15%—55%之间，臭氧浓度和超标率均较高，分别在149.7—189.2 μg·m−3、8.2%—23.9%之间；湿度大于55%，臭氧浓度和超标率相对较低（见图2）. 云量对于臭氧浓度和超标率的影响也与温度密切相关，阴天臭氧浓度和超标率均较低；当气温在30℃以上，云量在0—3成的晴好天气，臭氧浓度和超标率均增大，分别在202.1—218.9 μg·m−3、12.5%—19.2%之间（见图3）. 风速对于臭氧浓度的影响，在不同的温度区间下表现也不一样，温度在25℃以下，臭氧浓度相对较低，不会引起臭氧超标，当温度大于30℃，风速在2—3 m·s−1之间时，臭氧浓度和超标率均明显增大，分别在157.0—171.0 μg·m−3、10.8%—23.1%之间，风速在5 m·s−1及以上时，臭氧浓度也较高，但不易出现超标（见图4）. 风向对臭氧超标率的影响也与温度密切相关，温度在25℃以下，不同风向下的臭氧超标率都很小，当气温在30℃以上，不同风向下的臭氧浓度和超标率都较大，分别在152.1—179.8 μg·m−3、9.4%—29.5%之间（图略），进一步说明温度是影响臭氧浓度的最主要因子，风向对臭氧浓度影响较小.
图 2 气温与湿度联合对臭氧浓度及超标率的影响Figure 2. The combined effect of temperature and humidity on ozone concentration and over standard rate
图 3 气温与云量联合对臭氧浓度及超标率的影响Figure 3. The combined effect of air temperature and cloud cover on ozone concentration and over standard rate
图 4 气温与风速联合对臭氧浓度及超标率的影响Figure 4. The combined effect of temperature and wind speed on ozone concentration and over standard rate分析结果表明，气温超过30℃时，当相对湿度在15%—55%之间、云量小于3成、风速在2—3 m·s−1之间时，臭氧浓度和超标率均较高.
2.4 臭氧污染气象条件评分体系建立
从以上分析看，温度是臭氧污染的高敏感的气象因子[19]，臭氧浓度和超标率随着气温升高而明显升高，相对湿度、云量、风速对臭氧浓度的影响也较为明显，降水也有一定影响，但宁夏属于干旱少雨地区，全年各地降水次数少，同时降雨时气温也相对较低，湿度也较大，这两个气象要素也可间接代表降水对臭氧浓度影响，风向对臭氧浓度和超标率的影响不明显.
基于上述分析结果，选取气温、相对湿度、云量、风速做为臭氧污染气象条件评价气象因子，将温度作为臭氧污染的高敏感的气象因子，综合考虑五地市及宁东地区不同温度区间的臭氧浓度和超标率大小进行气温基础（Ts）评分，平均浓度越大、超标率越高，评分愈大. 评分规则为：臭氧平均浓度在80 μg·m−3以下得0分，80—100 μg·m−3得1分，100—120 μg·m−3得2分，以此类推，浓度每增加20 μg·m−3增加1分；超标率为0时得0分，0—2%得1分，2%—4%得2分，以此类推，超标率每增加2%增加1分，各地市气温基础分为臭氧浓度和超标率得分的平均值（见表2）. 从表2可看出，银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市、固原市、宁东气温基础分最高值分别为8分、8分、5分、4分、3分、5分，南北差异较大，由于银川市和石嘴山市是宁夏臭氧污染最严重的区域，臭氧浓度高，易出现臭氧超标[13]，气温基础分较高；而固原市臭氧浓度为全区最低，且不易出现臭氧超标，气温基础分最低，评分结果符合宁夏臭氧污染实际状况.
表 2 气温基础分（Ts）Table 2. Basic temperature score （Ts）站点Station 气温/℃ Temperature T< 20 20≤T<25 25≤T<30 30≤T<33 33≤T<35 T≥ 35 银川 平均浓度/（μg·m−3） 70.8 99.7 133.4 159.4 165.5 184.0 超标率（E）/% 0.0 0.3 4.2 10.8 12.8 19.2 气温基础分（Ts） 0 1 3 5 6 8 石嘴山 平均浓度/（μg·m−3） 76.4 104.9 132.9 157.1 167.0 181.1 超标率（E）/% 0.0 0.0 1.5 10.3 12.1 18.6 气温基础分（Ts） 0 1 2 5 6 8 吴忠 平均浓度/（μg·m−3） 67.5 91.9 121.8 141.3 143.5 150.4 超标率（E）/% 0.0 0.1 0.7 2.8 6.5 10.8 气温基础分（Ts） 0 1 2 3 4 5 中卫 平均浓度/（μg·m−3） 71.4 101.8 122.9 138.2 143.0 144.5 超标率（E）/% 0.0 0.0 0.2 0.7 3.1 6.5 气温基础分（Ts） 0 1 2 2 3 4 固原 平均浓度/（μg·m−3） 69.6 101.9 118.8 130.3 144.7 超标率（E）/% 0.0 0.0 0.0 0.1 2.1 气温基础分（Ts） 0 1 1 2 3 宁东 平均浓度/（μg·m−3） 74.4 99.4 121.1 141.2 144.4 165.8 超标率（E）/% 0.0 0.1 0.4 2.2 6.2 8.1 气温基础分（Ts） 0 1 2 3 4 5 | Show TableDownLoad:
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以银川市为例，基于上述分析并结合相关研究成果[13-14]，气温与相对湿度联合评分结果（见表3），表明了在同样的气温条件下，不同湿度对臭氧形成贡献不一样，例如温度在33—35℃之间时，相对湿度在15%—55%之间，评分为8分，大于气温基础分6分，说明该等级下相对湿度在15%—55%之间对臭氧的生成有促进作用；温度在33—35℃之间时，相对湿度≥65%，评分为5分，小于气温基础分6分，说明该等级下湿度≥65%对臭氧浓度有削弱作用. 参考相关文献[16]，各气象因子单独评分为气温与其它气象因子联合评分减去气温基础分.
表 3 气温与相对湿度联合评分Table 3. Combined scores of temperature and relative humidity相对湿度（Rhs）/%Relative humidity 气温/℃Temperature T＜20 20≤T＜25 25≤T＜30 30≤T＜33 33≤T＜35 T≥35 Rh<15 0 1 3 6 7 9 15≤Rh<25 0 1 3 7 8 10 25≤Rh<35 0 1 3 7 8 10 35≤Rh<45 0 1 3 7 8 10 45≤Rh<55 0 1 3 5 6 8 55≤Rh<65 0 1 3 5 6 8 65≤Rh<75 0 1 3 4 5 7 Rh≥75 0 1 3 4 5 7 气温基础分（Ts） 0 1 3 5 6 8 | Show TableDownLoad:
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银川市相对湿度单独评分：将气温与相对湿度联合评分减去气温基础分得到相对湿度单独评分（见表4）. 从表4可看出，湿度对臭氧浓度的作用，正值表示对臭氧生成有促进作用，负值表示对臭氧的生成有减弱作用. 气温超过30℃时，相对湿度在15%—55%之间，最有利臭氧生成，相对湿度超过65%以上时，不利于臭氧的生成.
表 4 单独评分（联合评分−气温基础分）Table 4. Individual scores （joint score-basic temperature score）气象要素Meteorological element 气温/℃ Temperature T＜20 20≤T＜25 25≤T＜30 30≤T＜33 33≤T＜35 T≥35 相对湿度/% Rh<15 0 0 0 1 1 1 15≤Rh<25 0 0 0 2 2 2 25≤Rh<35 0 0 0 2 2 2 35≤Rh<45 0 0 0 2 2 2 45≤Rh<55 0 0 0 0 0 0 55≤Rh<65 0 0 0 0 0 0 65≤Rh<75 0 0 0 −1 −1 −1 Rh≥75 0 0 0 −1 −1 −1 总云量/成 0—3 0 0 0 1 1 1 4—7 0 0 0 0 0 0 8—10 0 0 0 −1 −1 −1 风速/（m·s−1） V<1 0 0 0 0 0 0 1≤V<2 0 0 0 1 1 1 2≤V<3 0 0 0 1 1 1 3≤V<4 0 0 0 0 0 0 4≤V<5 0 0 0 −1 −1 −1 V≥5 0 0 0 −1 −1 −1 | Show TableDownLoad:
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银川市云量单独评分：将气温与云量联合评分减去气温基础分得到云量单独评分（见表4）. 从表4可看出云量对臭氧浓度的作用，正值表示对臭氧生成有促进作用，负值表示对臭氧的生成有减弱作用. 气温超过30℃时，云量小于3成，最有利臭氧生成，云量超过8成，不利于臭氧的生成.
银川市风速单独评分：将气温与风速联合评分减去气温基础分得到风速单独评分（见表4）. 从表4可看出风速对臭氧浓度的作用，正值表示对臭氧生成有促进作用，负值表示对臭氧的生成有减弱作用. 当气温超过30℃时，风速1—3 m·s−1最有利于臭氧生成，风速大于4 m·s−1不利于臭氧的生成.
由于气象因子对各地市臭氧浓度的影响较一致，气温基础分差异较大，气温与其它气象因子联合评分也会有明显差异，但两者的差值一致，所以各地市除气温外的其它气象因子单独评分均采用表4评分结果.
另外，由于宁夏属于高海拔、高辐射地区，五地市及宁东代表站海拔高度在1110.9—1753 m之间，海拔高度最低为银川市，海拔高度最高为固原市，地势南高北低，南北差异明显. 研究也表明，随着海拔高度增加，近地面紫外辐射强度也增加[20]，而太阳紫外线辐射强度与臭氧浓度呈正比[13-14]. 从表2也可看出，宁夏自北向南臭氧超标率明显降低，但臭氧浓度降低不明显，由于无紫外线辐射强度客观预报模式产品，为使臭氧污染气象条件指数预报模型算法实现业务化，且突出紫外线辐射对臭氧浓度影响，将海拔高度引入评分体系（Hbs）. 综合考虑宁夏各地下垫面特征、污染排放特征等，评分规则为：海拔高度在1500 m以下，评分为0分，超过1500 m评分为1分.
2.5 臭氧污染气象条件预报模型及分级标准
综合各气象因子并考虑太阳辐射对臭氧污染的影响，将海拔高度引入预报评价模型，给出的宁夏臭氧污染气象条件指数（OPMCI）预报模型为:
OPMCI＝Ts＋Rhs＋Cls＋WSs＋Hbs (2) 式（2）中，Ts为各地市气温基础评分，Rhs为相对湿度单独评分，Cls为总云量单独评分，WSs为风速单独评分，Hbs为海拔高度评分.
根据宁夏臭氧污染气象条件指数OPMCI总评分，参照《全国臭氧气象预报业务规范》，将OPMCI从小到大分为1—6级，从不易臭氧污染到极易臭氧污染，建立了臭氧污染气象条件指数预报模型和等级预报标准. 从2017—2020年宁夏各地市臭氧污染状况看，污染级别为轻度及以下，出现4级中度臭氧污染的天数也较少，未出现5级及以上重度臭氧污染. 为建立与宁夏臭氧污染实际情况相适应且对臭氧污染预报有指导意义的气象条件等级预报标准，等级预报分级标准评分区间的划分预留了5级评分，排除了6级预报结果（见表5）.
表 5 臭氧污染气象条件预报分级标准及等级描述Table 5. Classification standards and descriptions of meteorological conditions for ozone pollution臭氧污染气象条件指数OPMCI总评分Classification standards and descriptions of meteorological 等级Grade 描述Description ≤2分 1级 很不利于臭氧生成 3—5分 2级 不利于臭氧生成 6—8分 3级 较利于臭氧生成 9—10分 4级 有利于臭氧生成 11—12分 5级 非常有利于臭氧生成 >12分 6级 极有利于臭氧生成 | Show TableDownLoad:
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2.6 预报效果检验评估
基于臭氧污染气象条件评分标准、指数预报模型及等级预报分级标准，对2020年5—9月宁夏五地市及宁东基地进行逐时臭氧污染气象条件等级预报，统计了不同等级下的臭氧浓度和超标率. 并依据《环境空气质量指数（AQI）技术规定》（HJ 633—2012），对2020年5—9月宁夏五地市及宁东基地臭氧浓度进行了分级. 结果表明，银川市、石嘴山市臭氧污染气象条件等级预报为1—5级，吴忠市、中卫市、宁东基地为1—3级，固原市为1—2级，且气象条件等级越高，各地臭氧浓度和超标率也越大（见图5）. 臭氧污染气象条件等级预报与臭氧污染等级相一致的准确率银川市为77.4%、石嘴山市为87.9%、吴忠市为89.5%、中卫市为93.4%、固原市为99.9%、宁东基地为92.1% ，各地臭氧污染气象条件等级预报与臭氧浓度实际等级较为一致，其中，银川市等级预报准确率最低，固原市最高，也说明了银川市作为宁夏首府城市，随着城市人口增多，汽车保有量增大，本地及其周边污染企业臭氧前体物的排放和输送，加之有利于臭氧浓度升高的气象条件对臭氧污染的影响较大，而固原市为宁夏经济最不发达地区，人口和污染企业少、海拔高、辐射强，气象条件对臭氧污染的影响较大. 检验评估结果符合宁夏臭氧污染实际情况，指数预报模型算法及等级预报分级标准可为宁夏臭氧污染气象条件客观精细化预报业务提供技术支撑，对臭氧污染预报有指导意义.
图 5 臭氧污染气象条件等级预报效果检验评估Figure 5. Inspection and evaluation of the forecast effect of ozone pollution meteorological conditions3. 结论（Conclusion）
（1）宁夏各地市臭氧浓度与气温均呈明显正相关，相关系数为0.64—0.72，臭氧浓度和超标率随着气温升高而明显升高；与相对湿度呈较明显负相关，相关系数−0.36—−0.55，相对湿度≤55%的较干燥的环境臭氧浓度和超标率相对较高；与风速呈弱正相关，相关系数0.11—0.32，风速在2—3 m·s−1之间时，臭氧浓度和超标率较高；与风向的相关性不明显，不同风向下的臭氧浓度和超标率变化不明显；与总云量相关性也不明显，但总云量在3成及以下时，臭氧浓度和超标率较大.
（2）选取气温、相对湿度、总云量、风速作为臭氧污染气象条件预报的评价因子，并将海拔高度引入预报评价模型，间接表征了太阳辐射对臭氧浓度的影响，建立了宁夏臭氧污染气象条件指数预报模型；考虑宁夏臭氧污染的实际状况，建立了宁夏臭氧污染气象条件预报分级标准.
（3）预报效果检验评估结果表明，各地臭氧污染气象条件等级预报与臭氧浓度实际等级较为一致，且气象条件等级越高，各地臭氧浓度和超标率也越大. 指数预报模型算法及等级预报分级标准可为宁夏臭氧污染气象条件客观精细化预报业务提供技术支撑，对臭氧污染预报有指导意义.
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图 4 10 m·h−1和5 m·h−1条件下炭砂滤池对大肠杆菌的去除效果
Figure 4. E.coli removal efficiencies by GAC-sand filter at 10 m·h−1 and 5 m·h−1
图 6 炭砂滤池对细菌总数的去除效果
Figure 6. Total bacteria count removal efficiency by GAC-sand filter
表 1 原水和炭砂滤池进水水质
Table 1. Water quality of raw water and influent of GAC-sand filter
水样 浊度/NTU 氨氮/(mg·L−1) 总有机碳/(mg·L−1) 细菌总数/(CFU·mL−1) 原水 3.1~7.7 0.1~1.0 3.6~5.0 900~2 400 粗滤池出水 0.7~3.2 0.1~0.6 3.6~4.7 500~1 500
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[1] 杨越, 杨天琳, 王学军, 等. 2008—2017年武威市农村生活饮用水水质监测分析[J]. 疾病预防控制通报, 2018, 33(5): 72-75. [2] 孙熙珍, 王宝强, 杨培军, 等. 2016年定西市生活饮用水水质卫生监测分析[J]. 疾病预防控制通报, 2018, 33(4): 68-71. [3] 王龄庆, 王金玉, 李盛, 等. 2016年兰州市农村环境卫生状况调查[J]. 疾病预防控制通报, 2017, 32(6): 70-73. [4] 冯硕. 炭砂滤池的构建技术、处理效果和工艺特性研究[D]. 北京: 清华大学, 2012. [5] TAN W C, WANG T, WANG Y B, et al. Experimental study on GAC-sand filter for advanced treatment in drinking water[J]. Advanced Materials Research, 2013, 726-731: 3044-3047. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.726-731.3044 [6] 刘清华, 丁卫, 陈丽珠, 等. 炭砂滤池与砂滤池在水厂实际运行过程中的比较研究[J]. 城镇供水, 2015(2): 74-76. doi: 10.3969/j.issn.1002-8420.2015.02.020 [7] MOHAMED M A, HASSAN A H, EL MESSIRY M A, et al. Removal of trihalomethanes by dual filtering media (GAC-sand) at El-Manshia water purification plant[J]. Journal of the Egyptian Public Health Association, 2006, 81(3/4): 241-258. [8] 田家宇, 陈伟雄, 王威, 等. 滤料粒径对生物活性滤池除污染效能的影响[J]. 工业水处理, 2007, 27(11): 15-18. doi: 10.11894/1005-829x.2007.27(11).15 [9] 尹文超, 张金松, 刘丽君, 等. 砂垫层控制活性炭滤池无脊椎动物穿透研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2013, 45(2): 41-46. doi: 10.11918/j.issn.0367-6234.2013.02.008 [10] OKAMOTO T, OGURA K, KOBAYASHI Y, et al. Development of biological roughing filter as an alternative to coagulation-sedimentation process[C]//International Water Association. Proceedings of the Progress in Slow Sand and Alternative Biofiltration Processes: Further Developments and Applications, 2014: 465-472. [11] 何嘉莉, 张晓娜, 陈丽珠, 等. 炭砂滤池长期运行效果研究[J]. 给水排水, 2017, 53(2): 18-20. doi: 10.3969/j.issn.1002-8471.2017.02.004 [12] 张硕, 王如华, 蔡报祥. 处理沉后水的炭砂滤池优化研究[J]. 环境科技, 2015, 28(6): 48-52. doi: 10.3969/j.issn.1674-4829.2015.06.011 [13] 刘阳, 张燕. 活性炭柱中砂垫层在微污染水源水处理工艺中的应用[J]. 环境工程学报, 2012, 6(11): 3822-3826. [14] LI Y, YU J J, LIU Z G, et al. Estimation and modeling of direct rapid sand filtration for total fecal coliform removal from secondary clarifier effluents[J]. Water Science & Technology, 2012, 65(9): 1615-1623. [15] 刘丽君, 李拓, 张金松. 生物活性炭对典型水媒病原菌的去除作用及其迁移特征[J]. 净水技术, 2019, 38(2): 36-41. [16] LI J, MCLELLAN S, OGAWA S. Accumulation and fate of green fluorescent labeled Escherichia coli in laboratory-scale drinking water biofilters[J]. Water Research, 2006, 40(16): 3023-3028. doi: 10.1016/j.watres.2006.06.029 [17] 黄孟斌, 王长平, 邵志昌, 等. 村镇水厂工艺升级改造及运行效果[J]. 水处理技术, 2018, 44(9): 40-426. [18] 邵志昌, 王长平, 黄孟斌, 等. 老旧水厂深度处理改造工程实践[J]. 中国给水排水, 2018, 34(2): 81-85. -
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