臭氧去除饮用水中嗅味物质效果与原理的研究

陈学姝

摘 要：饮用水安全保障一直是人们普遍关注的热点问题，然而随着太湖流域经济水平的不断提升，水体污染日益严重，富营养化引起的藻类嗅味问题已极大地影响了水源地水质，太湖流域饮用水安全受到严重威胁。本研究全面探究臭氧预处理对嗅味物质的去除效果及机理，从而为对水体嗅味问题提供理论依据。

关键词：臭氧预氧化;嗅味物质;去除效果

一、近年我国饮用水水质状况

水是人类生存的根本，水库与湖泊是重要的淡水资源。但是随着人类社会的进步，城市化的快速发展，生活污水、生产废水等的大量排放，水库、湖泊等水体污染日益严重，富营养化问题日益突出。《2014 年中国环境状况公报》指出，中国重点湖泊、水库及主要河流主要污染指标为 BOD5、TP 和 COD，在 968个国控地表水检测断面（点位）中只有 33.8%达到 II 类水质标准，重点湖、库仅有 18 个达到 II 类水质标准或以上，无一个达到 I 类水质标准。太湖总体平均为IV 类水体，环湖河流中 5.9%为 II 类水质。

二、嗅味物质对饮用水的影响

水体中嗅味的产生与微生物、藻类有着密切的关系。2007 年夏天，无锡市内太湖区域出现 50 年来最低水位。在天气连续高温情况下，加剧了太湖水体富营养化问题，引发蓝藻水华提前爆发，使大批市民家饮用水水质发生变化，并伴随难闻气味。太湖水污染事件引起了各界的高度重视。在我国，普遍存在水体中藻类大量繁殖，形成异嗅、异味的现象。随着生活水平的提高，人们越来越注重生活质量，对饮用水水质的要求就愈来愈高。饮用水的色、嗅、味是人们评价其安全性最直接参数。水体异味的产生严重影响了饮用水可饮用性，降低了消费者对饮用水的感官评价。

三、主要嗅味物质及其危害

根据人的感觉感官可将水中嗅味分为 3 大类 13 种，分别为味觉异味（4 种）、嗅觉异味（8 种），以及口鼻感官异感（1 种）。研究认为嗅味物质载体包括 4 个，分别为饮用水、空气、废水和堆肥。其中水中嗅味物质主要是有氧氧化产物和厌氧氧化产物。其中最为常见的嗅味物质是具有土霉味的土臭素（Geosmin，GSM）也被称为反-1.10-二甲基-反-萘烷醇、二甲基异莰醇（MIB，或 2-MIB），也被称为二甲基异冰片、2，3，6-三履带茴香醚（TCA）、2-异丁基-甲氧基吡嗪（IBMP）等。土霉味的嗅味物质广泛存在水体中，目前 GSM 和 2-MIB 被研究的最多。

四、传统工艺对嗅味物质的去除效果有限

饮用水传统处理工艺即“原水—澄清—消毒—出水”，主要去除原水中的悬浮颗粒、细菌以及胶体物质。

总结国内外的研究结果以及实际生产经验值，均表明传统处理工艺处理污染水源水效果并不理想，有机物的去除率仅为 20%～30%，且水中溶解性有机物的存在，降低了传统工艺对原水中浊度的去除效果;通过增大混凝剂的投加量降低浊度，不仅增大了生产成本，而且可能增大金属离子在水中的浓度，威胁消费者的身心健康。常规水处理工艺对嗅味物质的去除效果有限，且不能满足饮用水水质其他指标的要求，深度处理工艺的实施势在必行。

五、臭氧的理化特性与臭氧去除水体嗅味物质的原理研究

1、臭氧的理化特性

臭氧是氧气的同素异形体。在常温常压条件下，低浓度的臭氧为无色气体，当质量浓度大于 15%时则为淡蓝色。臭氧的密度为氧气的 15 倍，空气的 16 倍。臭氧的熔点是-192℃，沸点是-111℃。臭氧可溶于水，在常温常压下，臭氧在水中的溶解度是氧气的 14 倍，约为 0.54 g /L。在 20℃的条件下，臭氧在液相中的平衡浓度和在气相中的平衡浓度之比为 0.285。臭氧在水中的溶解度随温度而变化。臭氧在水中的高溶解度确保了它在水处理中的高效性和可行性。

在常温下，臭氧的化学性质极不稳定，极易分解成氧气。酸性条件下，臭氧的氧化还原电位（2.07V）仅次于氟（2.87V）。臭氧的分解速度在液相中比在气相中快很多。臭氧在水中的半衰期受水质、温度和 pH 等的影响，从几秒到几小时不等。随温度与 pH 值的升高，臭氧的分解速度加快。常温下，臭氧在水中的半衰期一般为 15～30min，分解产物主要是氧气及具有更高活性的自由基，如·OH、·H、·HO2，因此臭氧氧化不但不会造成二次污染，而且能增加水体溶解氧，提高水體自净能力。

2、臭氧去除水体嗅味物质的原理研究

臭氧作为强氧化剂在饮用水处理中主要应用于以下的三个阶段：预处理氧化、中间氧化以及最终消毒。臭氧预氧化可降解部分天然有机物，从而提高混凝、沉淀等后续工艺去除浊度、色度、嗅和味的效率。

臭氧氧化有机物存在 2 种途径，一是直接氧化（Directmolecular ozone attack）即臭氧分子直接氧化，二是间接氧化（Indirect radicalsattack）即自由基氧化。直接氧化是臭氧分子直接攻击目标有机物进行氧化反应;间接氧化是臭氧在水中分解产生氧化性更强的活性自由基（主要为·OH），自由基对目标有机物进行攻击，从而达到降解的效果。

有研究表明 O3投加量对臭氧氧化去除 2-MIB 和 GSM 的效果有很大的影响。当 O3投加量为 0.5 mg/L 时，此时 O3对 2-MIB 的去除率仅为 20%;当 O3投加量为 2 mg/L 时，2-MIB 去除率可达 80%。

研究发现主臭氧（即投加点置于砂滤出水处）的除臭效果比预臭氧（即投加点置于进厂水处）要好，这可能由于原水中的浊度、UV254、TOC 等含量较高，另外主臭氧化具有一定的消毒功能。因此，O3投加点对臭氧氧化效果有一定的影响，生产中应优化 O3投加点的选择以达到最优的氧化效果。

参考文献

[1]王淑芳.水体富营养化及其防治[J].环境科学与管理，2005，30（6）：63-65.

[2]中国环境状况公报，北京，2014.

[3]于建伟，李宗来，曹楠，等.2007 无锡市饮用水嗅味事件原因及潜在问题分析[J].环境科学学报，2007，27（11）：177l-1777.