深圳市某水厂嗅味物质全流程控制技术应用

黄孟斌，邵志昌，杨 颂，张伟德，杨 峰，武 洋

(深圳市深水宝安水务集团有限公司，广东深圳 518001)

嗅味作为水质的物理感官性状，会严重损害饮用水的质量，直接影响水的可饮性[1]，用户饮用后可能会出现恶心、腹泻等不良症状。人们要求解决饮用水中嗅味问题的呼声越来越强烈[2]。水源水的嗅味问题主要由水中的藻类代谢物包括2-甲基异莰醇(2-MIB)引起[3]。当前，我国自来水厂多采用常规处理工艺(混凝→沉淀→过滤→消毒)，对嗅味物质的去除效果有限[4]。因此，探索通过常规工艺优化以实现嗅味物质有效控制的技术措施，是极其重要和紧迫的。

本文以2-MIB为主要控制目标，研究水厂粉末活性炭吸附去除工艺、沿程非破壁除藻方法的关键技术，通过工艺优化和技术改造集成，将研究成果在深圳市长流陂水厂进行示范应用，基本建立了以预处理(高锰酸钾、粉炭)强化混凝、石英砂过滤、加氯消毒的多级屏障嗅味物质的全流程控制技术，出厂水2-MIB浓度的控制得到了全面保障。

1 水厂概况

长流陂水厂位于沙井街道新玉路，占地面积为10.3万m2，设计规模为35万m3/d；分四期建设，一期为5万m3/d，二、三、四期分别为10万m3/d。水厂常规净水工艺如图1所示。

图1 长流陂水厂示范前工艺流程图Fig.1 Process Flow before Demonstration of Changliupi WTP

2 水质及水厂现状分析

(1)原水水质

原水水质执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质标准。pH值波动大，在6.89～9.76；总磷、总氮、五日生化需氧量长期不合格；铁、锰季节性超标；耐氯片状菌群不间断出现，原水微生物指标严峻。

(2)水源高藻所致的嗅味问题

4月—8月，水厂季节性高藻暴发，最高达1.7×108个/L，产嗅藻类带来的嗅味问题突出。其中，优势藻种是假鱼腥藻和颤藻为代表的蓝藻类[5]，约占藻类总生物量的50%～60%；属于产嗅藻的假鱼腥藻数量高达107个/L，导致近些年原水经常出现2-MIB异常增高的情况。原水中2-MIB浓度为40～60 ng/L，夏季最高可达98.82 ng/L。

(3)水厂投药系统设施落后

完善的药剂投加系统是保障水厂稳定运行的基础，而长流陂水厂现状加药设施简陋、布置分散，应对水质突变能力差；水厂无粉末活性炭投加系统和高锰酸钾投加设备设施，无法有效应对季节性高藻暴发时带来的水质问题。因此，增加优质的投药系统，以及与现有工艺系统耦合，强化对藻类的去除，是有效应对嗅味问题的关键。

(4)水处理构筑物效能差

斜管沉淀池效率低，管径为25 mm的传统型蜂窝斜管存在过水断面偏小、易跑矾花、斜管挂泥快、滑泥不顺畅和积泥多等问题；滤池反冲洗系统老旧，冲洗强度偏低，冲洗不彻底，导致藻类易穿过滤料层进入清水池，加氯氧化藻类后，释放嗅味物质；清水池混合效果差，现有三、四期清水池由于导流墙间距过宽(平均宽度为12.14 m)、长宽比较小(14.6)，水流速度缓慢，存在死水区和滞留区，混合效果差，需投加更多的氯化消毒剂来保障消毒效果，从而加速了清水池中残留藻细胞破裂和嗅味物质释放。

3 前期试验探索

针对原水水质特点及水厂存在的嗅味问题，从活性炭吸附优选、氧化除藻以及生物降解方面进行了试验研究，初步确定了适合水厂嗅味问题的联合处理技术。

3.1 粉末活性炭吸附技术

(1)选择粉末活性炭吸附去除2-MIB类嗅味物质时应考虑：①活性炭的微孔特征，以微孔孔容为主要参考的筛选指标，建议采用微孔孔容为0.2 cm3/g以上的活性炭，如表1所示；②粒径对粉末活性炭的吸附作用也有较大的影响，粒径越小，吸附嗅味物质效果越好，适当选择目数较大的活性炭，建议采用250～350目的活性炭。

(2)活性炭吸附2-MIB的性能与其微孔特性(比表面积和微孔孔容)显著正相关，与其比表面积及总孔容的相关特性不显著，这说明有较多微孔结构的活性炭对嗅味物质具有较好的吸附性能。综合考虑利用活性炭去除水中典型物质的效能及投加量，建议活性炭的孔容控制在0.2 cm3/g。粉末活性炭投加后的吸附时间宜控制在1～1.5 h。对2-MIB来说，可以利用其90%的吸附性能，在原水2-MIB浓度不超过100 ng/L的条件下，投加20～30 mg/L的粉末活性炭，保证出厂水2-MIB控制在阈值(10 ng/L)以下。

由图2可知，Ct/C0表示吸附量，2-MIB在90～120 min可达到吸附平衡，GSM在30～60 min即达到吸附平衡，能够最大程度地发挥其吸附能力。示范工程因投加条件限制，投加活性炭的吸附时间能达到1～1.5 h， 2-MIB基本能够利用其约90%的吸附性能。

表1 活性炭吸附量与2-MIB相关性分析Tab.1 Correlation Analysis between Adsorption Capacity of Activated Carbon and 2-MIB

图2 活性炭的吸附平衡曲线Fig.2 Adsorption Equilibrium Curve of Activated Carbon

3.2 氧化除藻技术优化

(1)以产嗅藻——假鱼腥藻为试验对象，研究KMnO4、Cl2、O3这3种氧化剂的作用效果，发现其破坏藻细胞后产生的2-MIB浓度各不相同。对Cl2来说，其破壁能力高于O3、KMnO4，3种投加量的Cl2在反应进行10 min时均已破坏，其胞外2-MIB浓度随着反应时间的上升而上升，几乎没有氧化去除。对O3来说，在0.2 mg/L的低投加量时，胞内外2-MIB浓度变化不大，对藻细胞无明显破坏；当投加量增至0.5 mg/L时，藻细胞被破坏，胞外2-MIB浓度逐渐上升，随着反应的进行，部分2-MIB得到降解，浓度有一定的下降。但是，O3通常作为深度处理技术应用，常规工艺条件下作为预处理，从成本上来说并不合适。对于1.0 mg/L的KMnO4，藻细胞基本没有破坏，胞外2-MIB浓度无明显变化，只有在高投加量条件下，胞外2-MIB浓度才会出现显著升高。因而，对产嗅藻类来说，KMnO4的氧化特性满足适度预氧化的需要。

(2)对水厂原水进行预氧化试验，发现与投加量为1.2 mg/L的NaClO和0.6 mg/L的ClO2相比，投加量为0.2 mg/L的KMnO4对藻细胞的去除率不高，但结合后续的混凝沉淀试验，KMnO4对藻细胞的去除显著提升，且无明显藻细胞破裂现象。说明，经过适度KMnO4氧化后，可以满足强化混凝去除产嗅藻细胞、避免嗅味物质释放的需求。因而，KMnO4投加量基本控制在0.1～0.3 mg/L。

4 示范工程改造内容

结合水厂的水质提升需求和嗅味控制工程应用示范的要求，对水厂进行升级改造。主要核心内容为吸附去除技术和沿程非破壁除藻技术，其工艺流程为：原水-预处理(高锰酸钾、粉炭)-机械混合池-隔板/网格反应池-斜管沉淀池-砂滤池-加氯消毒-清水池。

改造内容是预处理工艺的优化，利用KMnO4适度的预氧化作用，达到强化混凝的效果，避免藻类胞内嗅味物质的释放；通过粉炭吸附，去除大部分胞外的嗅味物质，利用后续的沉淀混凝和过滤工艺，实现对藻细胞的截流去除；通过沉淀池及滤池系统的改造，实现反冲和排泥的优化，降低藻类及嗅味物质二次进入工艺池的风险；优化消毒投加工艺，防止后续加氯消毒过程中嗅味物质的释放，从而实现嗅味物质的多屏障控制技术示范功能[5]。升级改造后的工艺流程如图3所示。

图3 改造后示范工程工艺流程Fig.3 Process Flow Chart of the Demonstration Project after Reconstruction

5 示范工程技术设计

5.1 吸附去除技术

新增1套一体化粉末活性炭投加系统，设计投加量为50 mg/L，储存量为35 t，配药浓度为10%，投加点设置在原水总管。试验确定粉末活性炭投加量为20～30 mg/L，接触时间保持在60 min以上，从而吸附去除原水中已有的嗅味物质。

5.2 沿程非破壁除藻技术

(1)替代Cl2预氧化技术：采用KMnO4替代Cl2预氧化，投加量控制在0.1～0.3 mg/L，配药浓度为3%，减少预氧化引起的藻细胞破壁情况，从而降低细胞破碎产生的致嗅物质释放。

(2)强化混凝沉淀技术：采用新型U型斜管代替传统蜂窝型斜管，优化自控排泥方式，进一步强化混凝效果，提高对藻细胞的沉淀去除，同时减少沉淀池积泥引起的嗅味物质释放。

(3)滤池反冲洗系统改造：新增反冲洗水泵2台，流量为1 400 m3/h，H=11 m，变频控制；罗茨鼓风机2台，Q=100 m3/min，变频控制，代替原有流量偏小的反冲洗水泵和鼓风机，改善滤池反冲洗效果，保持滤池良好的过滤效果，提高滤池对藻类的截流作用。

(4)清水池消毒工艺优化：改造清水池的导流墙，导流墙间距平均宽度为7.7 m。水流廊道长宽比为59.7，L/D>50，提高了消毒效果，控制氯化消毒剂的使用量，可避免藻类细胞破裂；优化NaClO投加系统，采用模糊控制算法改进常规的PID控制器，使NaClO投加自控系统稳定性更好，可精确控制NaClO的投加量，减少过度投加而加剧藻细胞破碎。

6 技术应用运行效果

(1)通过全流程非破壁除藻、粉末活性炭吸附技术的应用，嗅味物质的去除效果改善明显，其去除率平均值为90.27%，较改造前提高了48.9%，出厂水的2-MIB浓度基本上低于5 ng/L。

由表2可知：改造前出厂水的2-MIB浓度长期超出标准(10 ng/L)；改造后稳定运行的出厂水2-MIB浓度低于5 ng/L，符合要求，表示示范工程对2-MIB起到了很好的去除效果。

表2 示范工程前后的2-MIB去除效果对比Tab.2 Comparison of 2-MIB Removal Effect before and after the Demonstration Project

(2)通过优化预氧化工艺，采用KMnO4代替Cl2预氧化工艺，藻细胞基本无破碎现象。因此，经过预处理后，2-MIB含量基本不变，KMnO4预氧化基本不会导致藻细胞2-MIB的释放。

(3)改造斜管沉淀池和优化沉淀池排泥控制技术大大提高了除藻效果。改造前后，沉淀池除藻率提升了10.06%，出厂水总藻数下降了80.0%。

(4)本次示范工程单位制水成本为0.069 3元/m3，相比同类型水厂、同等规模的工艺，改造成本较低，表3所示。

表3 单位制水成本费用明细Tab.3 Unit Costs List of Water Production

7 结语

为控制嗅味物质2-MIB的产生，长流陂水厂通过工艺优化升级改造，以沿程降藻为核心，以活性炭吸附技术为主要手段，以不破碎藻体的除藻工艺流程为导向，从粉末活性炭选择优化、产嗅藻强化去除、消毒工艺优化等方面着手，形成了1套多级屏障嗅味物质的全流程控制技术。采用全流程工艺强化相结合的技术方法实现了嗅味物质的控制，充分保障了水厂的供水水质安全。