探讨去除嗅味物质的研究方式

2022-12-29吴冬冬马汇源鞠玲刘永剑吴青刘硕

区域治理 2022年29期

吴冬冬,马汇源,鞠玲,刘永剑,吴青,刘硕

1.水发规划设计有限公司；2.山东建筑大学

湖泊和水库中出现藻类会在饮用水处理中造成一系列问题。藻类已知增加混凝剂需求，缩短过滤器运行，并导致微生物再生分配系统。此外，它们的代谢物，如令人不快的味道和气味，会恶化水质。土嗅素和2-甲基异莰醇通常被报道为最常见的导致味觉和气味化合物，因为生物或人为因素，可在饮用水源中季节性检测到。常规处理对这些化合物的去除通常很低（土嗅素＜20%，2-甲基异莰醇＜15%）[1]。因此，它们在饮用水中的存在是水处理公用事业主要担忧之一。中国饮用水中2-甲基异莰醇和土嗅素的阈值浓度为10ng/L。

2-甲基异莰醇和土嗅素气味可以在非常低的浓度下被人类的鼻子直接检测到。研究表明，2-甲基异莰醇和土嗅素不易通过常规的水处理（通常指混凝沉淀和砂滤）或典型的化学氧化（包括高锰酸钾或氯）去除。目前，去除2-甲基异莰醇/土嗅素的处理工艺性能排名为:过滤＞澄清＞粉末活性炭和颗粒活性炭＞粉末活性炭≈常规过滤＞混凝澄清＞氯化法，但是未对臭氧的影响性能做出有关评价[2]。因此，需要先进的水处理工艺或联合工艺来有效去除。臭氧氧化技术，作为一种非选择性的高级氧化技术，在水处理行业中已经被广泛研究。它涉及臭氧和羟基自由基与污染物的反应，是去除异味非常有效的方法。

目前，基于臭氧高级氧化技术的研究进展还不全面。我们通过系统地讨论不同的臭氧高级氧化去除2-甲基异莰醇和土嗅素，总结了不同技术的降解效率和技术特点。本文旨在为嗅味化合物的去除提供可靠的理论依据，为实际项目中具体工艺的选择提供理论支持。

一、臭氧单独氧化

臭氧化是一种强大的工具，能够在典型的饮用水处理条件下将大多数味道和气味化合物氧化到一半以上。对于耐臭氧味道和气味的化合物，应用高级氧化工艺可能是适当的。

刘禧文等人[3]研究发现对于2-甲基异莰醇和土嗅素，随着臭氧投加量的增大，去除率也逐渐升高。顾玉蓉等人[4]的研究结果表明，相较于曝气吹脱法和混凝沉淀法，臭氧氧化法是去除嗅味物质的有效方法。2-甲基异莰醇和土嗅素的去除率随着臭氧投量及溶液初始pH的升高而增加，随着其初始浓度的升高而降低。

二、臭氧与其他技术的联合处理

（一）臭氧与过氧化氢的联合处理

2-甲基异莰醇的去除率随着臭氧剂量增加而增加，不过臭氧的效率受诸多因素的影响，如源水pH值、碱度和温度等。且当水中所含溴化物处于中等水平（即50mg/L）时，可能会产生大量的溴酸盐[5]。为了克服这个难题，可以在臭氧氧化过程中加入过氧化氢（即臭氧/过氧化氢）。

Yao等人[6]比较了传统臭氧氧化和臭氧/过氧化氢工艺对地表水中2-甲基异莰醇和土嗅素的去除效果。通过添加臭氧原液的批量试验和连续氧气/臭氧气体喷射的半批量试验（模拟真实的臭氧接触器），研究了这两个过程中臭氧的分解、OH的生成、2-甲基异莰醇和土嗅素的消除以及溴酸盐的生成。但H2O2与O3的浓度最佳比例需要进一步优化，即H2O2催化O3反应时H2O2与O3的比值是影响其去除效率的主要因素。实际应用中，还要控制H2O2的投加量，若H2O2投加过量，还需要增加其他处理工艺来消除H2O2的影响。

（二）臭氧与生物处理的联合处理

在生物过滤前应用臭氧已被证明对去除土嗅素、2-甲基异莰醇和消毒副产物前体物是有效的[7,8]。生物活性炭因其减少可生物降解有机物和消毒副产物前体物的能力而得到认可。由于这些因素，生物活性炭在去除土嗅素、2-甲基异莰醇和消毒副产物前体物方面的性能可能存在显著差异。

Newcombe等人[9]对臭氧生物过滤处理进行了一项中试的研究，报告称1.3mg/L的臭氧单独处理可去除36-54%的2-甲基异莰醇，然后通过生物活性炭去除26-46%。在22°C的水温条件下，使用生物活性炭的生物过滤对于去除土臭素和2-甲基异莰醇（＞80%）效果较好，但在16℃和10℃的水温下效果较差。在生物过滤之前使用臭氧，可在16℃和10℃条件下将土臭素的浓度降至10ng/L。

（三）臭氧与活性炭的联合处理

目前，采用活性炭去除水体中季节性嗅味化合物属于最常用的水处理技术，粉末活性炭的用量可以根据进水中的气味浓度进行调整（Srinivasan和Sorial，2011）。颗粒活性炭通常用于水处理厂的过滤床。

Ridal等人[10]在加拿大的一个污水处理厂中研究了颗粒活性炭滤床的长期性能，并在两个月的研究中确定了处理水中的2-甲基异莰醇浓度低于阈值浓度。陈国光等人[11]研究发现，臭氧氧化生物活性炭工艺与增加臭氧用量相结合，可以将处理水中的2-甲基异莰醇浓度降低到10ng/L以下。

（四）臭氧与紫外线氧化的联合处理

紫外/臭氧(UV/臭氧)工艺作为一类新型、绿色的高级氧化工艺,由于具有反应条件温和、氧化选择性可调控、反应速率快、操作简便、适用范围广等优点,近年来已成为水处理领域的研究热点，已有研究人员将其应用于2-甲基异莰醇和土嗅素的降解研究中。

陈海涵等人[12]研究发现，臭氧与紫外线照射的组合可以有效地提高2-甲基异莰醇和土嗅素的降解效果。利用此工艺降解土嗅素和2-甲基异莰醇时，在不同水质和不同处理工艺条件下其降解率不同。UV/臭氧在纯水中的氧化处理效果最好。而对UV/过氧化氢工艺的研究更加广泛，适用的水质种类更多，在实际应用过程中需要针对不同的水质优选最佳的组合工艺。在水中观察到的较慢降解过程，证实了水质对反应显著影响的存在。

三、工程案例

夏季藻类大量繁殖，是水体嗅味物质高爆发期。原水中土嗅素浓度较低，而2-甲基异莰醇浓度较高。臭氧-生物活性炭工艺与臭氧-颗粒活性炭工艺对土嗅素均具有很好的去除效果，去除率稳定在99%以上；原水中2-甲基异莰醇浓度在较低时，去除率稳定在99%以上，当原水浓度较高时，偶尔会出现水质不稳定情况，但整体去除效果依然稳定，出水稳定达到出水标准[2]。郭[14]等人通过对水厂的连续动态监测分析也得出了类似的结论，臭氧-颗粒活性炭工艺的出水土嗅素和2-甲基异莰醇浓度低，出水水质稳定，粉末活性炭可有效应对嗅味物质激增的突发状况。

乔铁军[13]等通过对梅林水厂的研究发现采用臭氧-生物活性炭工艺能够将出水中的颗粒度以及浊度进一步降低，并且可以使贾第虫、隐孢子虫和总有机碳得到有效去除。此水厂采用的是“臭氧发生器、臭氧接触池、生物活性炭滤池”组合工艺优化饮用水深度处理技术工艺。

朱建文[14]等通过对南星桥水厂的调查研究显示采用臭氧活性炭深度处理虽然在浊度的去除上相较于传统工艺区别不大，但是相较于传统工艺，在色度、氨氮的去除率方面效果显著。该水厂采用的工艺为“预臭氧化-絮凝沉淀-砂滤-后臭氧化-生物活性炭-加氯、加氨消毒处理”。

董艳红[15]等研究了哈尔滨三厂，发现臭氧预氧化具有于助凝作用，可以通过设置主臭氧氧化来提高后续活性炭滤池的净水效果。该水厂对松花江流域采取处理工艺为通过臭氧-生物活性炭技术强化常规处理来对微污染原水进行深度处理。运用臭氧-生物活性炭技术后可以大幅减少工艺所需的臭氧投加量，并且抗冲击负荷能力较强，可以使系统稳定运行，即使是在低温低浊期也能使出水稳定达标。

王正林[16]等人通过对充山水厂的研究表明，有机物可以被组合活性炭滤池吸附分解，大大减少了消毒副产物前体物，使出水水质保持稳定并且达到优质；水中的有机物可以被臭氧的强氧化性由大分子的有机物降解为小分子的有机物，从而增强原水中有机物的可吸附性以及可生化性。该水厂处理含高氨氮、高藻、高有机物的太湖水，采用的处理工艺是“生物预处理-气浮-臭氧-生物活性炭-砂滤-消毒”的组合工艺。