粉末活性炭吸附技术处理源水臭味的应用研究
摘要：随着水资源日益紧缺、水质恶化，原水嗅味问题成为我国自来水厂迫切关注的水质问题。本研究对北京市地表水水源突发嗅味问题进行了较为全面的分析，确定2－MIB为水体主要致嗅物质。常规工艺不能有效解决嗅味问题，采用粉末活性炭可以有效地吸附嗅味物质，经试验研究及运行验证， 在原水2-MIB浓度100ng/L以上的条件下，可将出厂水2-MIB浓度控制在10ng/L以下，解决了因嗅味引起的用户投诉。
关键词：嗅味；2-MIB；粉末活性炭；常规处理；
引言
随着生活水平的提高，人们对饮用水的质量提出了更高的要求。合乎需要的饮用水必须拥有良好的视觉、嗅觉和味觉。水的感官性状是人们对饮用水质量的直观判断，是评价水质的重要依据。感官性状指标包括：水的色度、嗅味、和混浊度1。而嗅和味是人类评价饮用水质量的最早的参数，因为它能被饮用者最直观地判断2。饮用水中出现令人讨厌的气味是一个全球性的问题，在美洲、澳洲、欧洲、非洲和亚洲的饮用水中普遍存在异味问题，国外在饮用水中嗅味研究方面起步早，在嗅味分析检测方法，水源地污染源种类及其成因和去除技术研究方面都取得了很多成果。早在1993年，日本便规定了采用粉末活性炭处理2-MIB和Geosmin浓度为20ng/L，活性炭滤池出水浓度为10ng/L3。在给水厂处理嗅味的常用方法有粉末炭吸附和臭氧氧化。第九水厂原水取自密云水库。随着水库蓄水量的逐年减少，水库富营养化程度加剧，在2002年9月曾经发生局部水华现象，出厂水嗅味一度达到一级，用户反映强烈。后经试验研究，确定了高锰酸钾预氧化技术去除嗅味，出厂水基本无味，用户反映有所缓解。2005年8月，自来水公司陆续接到用户投诉，并有上升趋势，虽经提高高锰酸钾投药量，仍不能彻底解决管网水嗅味问题。为此，第九水厂采用粉末炭与活性炭滤池联用技术对饮用水中嗅味开展处理研究，同时，与高锰酸钾和臭氧预氧化进行技术比较，最终确定了粉末炭吸附工艺并建立应急处理方案，改善了出厂水水质。
1原水嗅味问题
1.1原水藻类分析
富营养化水体发生异嗅的藻类和放线菌在新陈代谢过程中产生的发臭物使水体产生异嗅2。通过对密云水库长期监测，发现藻类高发期为春秋两季，尤以秋季最高。见图1。同样嗅味投诉事件的出现也具有一定的规律性，春秋季节多发，且秋季尤其明显。
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由图1可见虽然2002年藻类总数较2004年少，但由于蓝藻数量占藻类总数的30%以上，引起了出厂水嗅味问题。而2004年9月藻类以硅藻为主，占77%，蓝藻占19%。在工艺中通过提高高锰酸钾投加量，提高加药量强化混凝沉淀工艺后，便可控制出厂水嗅味，用户投诉很少。
2005年由于改变藻类的监测方法，藻类总体数量较往年下降了4倍左右。根据对密云水库藻类品种的分析可以发现在蓝绿藻衰退后和上升阶段，用户嗅味反映最强烈，与相关研究成果规律相同2、6。
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1.2水库原水中的嗅味物质分析
目前，已被查明的致嗅物质主要是2-MIB（二甲基异莰醇）和Geosmin（土臭素）。为更好的应对原水嗅味问题，通过对水库水中嗅味物质进行分析，发现原水2-MIB为主要致嗅物质6。取水库原水经SDE富集后，通过GC-MS进行定性和定量分析，结果如表1所示。
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国内对嗅味物质无量化标准，参考日本饮水标准，嗅味物质2-MIB、Geosmin应达到10ng/L以下；法国相关资料认为当2-MIB 浓度在5ng/L时便会产生2级嗅阈值3，因此对5－10ng/L的嗅味物质含量人便可感知。由表1可以确定，2005年原水9月初水库原水2-MIB浓度高达100 ng/l以上，Geosmin浓度较低，水库水致嗅物质以2-MIB为主，高出日本标准10余倍。2-MIB经过九厂常规＋活性炭对2-MIB的处理未能达到10ng/L以下，本年度出厂水和管网水主要致嗅物质为2-MIB，Geosmin对出厂水嗅味贡献较小。
2 主要处理技术与效果评估
2.1常规＋活性炭处理流程对2-MIB的去除效果
第九水厂设计供水能力150万m3/日，分三期建设，水处理工艺均为常规加活性炭深度处理工艺。一期原水为回流水和密云水库水：机械加速澄清池、煤砂虹吸滤池和活性炭滤池。二、三期处理水库水：波形板反应沉淀池、气水反冲煤滤池、炭滤池。
全厂生产工艺流程如图3所示：
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由于2005年9月初期，用户对嗅味的反映主要集中在一期供水范围，便对一期各生产环节进行嗅味物质检测。见表2。发现，混合了回流水的一期进水中2-MIB浓度高达280 ng/l。由于生产回流水包括污泥上清液和反冲排水上清液，两水源中浓缩了较高浓度的嗅味物质，活性炭滤池难以全部吸附处理，导致出厂水嗅味浓度较高。原水经过混凝沉淀、过滤等常规水处理单元时对MIB去除效率低54％。通过高锰酸钾预氧化、调整混凝药剂的投加量，很难将溶解性的嗅味物质去除。虽然经过活性炭工艺的吸附，水厂常规＋活性炭工艺对对2-MIB等嗅味物质去除率达到90％，但仍不能达到将炭后水MIB降到10ng/l以下的满意效果3。
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2.2 回流水质对原水水质的影响
通过表2看出，混合有回流水的一期进厂水，嗅味物质浓度增加幅度非常大，说明反冲水中含有高浓度的MIB。由于反冲洗排水约90％的上清液回流至配水井，占一期处理水量的10％以上，因此研究回流水中嗅味物质的变化规律有重要的意义。
由于一期进水嗅味物质比原水浓度高将近一倍，再次对炭池反冲洗排水进行检测，结果如表3所示。反冲初始2-MIB浓度较高，说明水冲也可以起到释放活性炭吸附的污染物，恢复部分炭吸附能力的作用。基于分析结果，决定将炭池反冲周期由原6天一次缩短到3天一次，缓解由于炭吸附饱和后的嗅味穿透。
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由表中数据可以看出，污泥上清液较回流水中嗅味物质含量低，是否与污泥停留时间较长，受到微生物的降解有关有待进一步研究。
2.3粉末活性炭应急处理方案研究
2.3.1处理水中嗅味物质技术方案比选
臭氧预氧化技术应用于改善饮用水的嗅味，去除色度和农药等有机污染物，但由于设备庞大，耗电量高在国内较少使用。针对嗅味物质进行臭氧氧化试验，臭氧投加量最高2mg/L。
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由图4可以看出，预臭氧对MIB和geosmin的去除效率较低，在预臭氧投量达1.5ppm条件下，MIB和geosmin仅能去除25％左右。从试验结果和设备购置周期的角度分析，臭氧氧化技术不宜作为应急技术方案。
高锰酸钾预氧化技术是第九水厂2002年开始使用，经上述对进厂水嗅味物质分析结果证明，此项技术已不能满足2005年秋季的水质处理要求。
粉末活性炭是一种具有多孔结构、巨大比表面积和吸附能力的粉状炭。通常采用碳源丰富的木材、煤、骨等材料制成。投加粉末活性炭是饮用水处理中常用的手段之一，具有悠久的历史，技术成熟。早在1927年，美国便采用粉末炭去除水中的苯酚，80年代，有近200家水厂使用粉末炭控制嗅味。我国在1967年便使用活性炭脱色去味，在日本粉末炭的应用更为广泛。粉末炭对于饮用水中大部分有机污染物、有机臭味物质的去除具有广泛适用性。同时，粉末活性炭由于使用方便，可以根据饮用水嗅味的实际情况决定短期或应急措施处理藻类爆发期的嗅味问题。粉末活性炭直接投加到水中，与有机污染物吸附后，可经混凝沉淀和过滤分离出来4、5。由此，确定采用粉末活性炭作为处理九厂嗅味问题的应急处理措施。
2.3.2粉末炭选型
在粉末炭选型时，煤质活性炭比木质炭更易沉降，而且价格便宜。根据九厂在用的颗粒活性炭指标确定了粉炭指标参数，粒径为200目。通过对两家炭厂生产的煤质粉末炭进行嗅味物质吸附试验，发现相同指标的SX炭效果较优，高浓度吸附效果比NX炭显示出更强的优势。随着吸附时间的延长，两种炭的差异逐渐缩小，见图5
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2.3.3确定粉末炭投加点
粉炭投加点可设在水源处、混凝前和滤池前7。通过进行粉末炭对不同嗅味物质吸附动力学试验曲线，可以看出MIB需要较长时间进行吸附才能达到平衡。虽然粉末炭对这些痕量目标化合物的去除主要在1小时之内的吸附，之后的吸附速率有所降低，但如有条件延长吸附时间将会使嗅味物质浓度进一步降低，提高吸附效率，见图6。据此，九厂应考虑在密云取水站投加，以延长粉末炭对嗅味物质的吸附时间。
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2.3.4确定粉末炭投加量
针对原水2-MIB含量进行投加量试验，并进一步验证接触时间、炭选择试验结果，如图7，图8。
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由图7、图8可以看出，为保证充分利用PAC的吸附能力，延长PAC在工艺中的接触时间是非常必要的；同样，与动力学结果一致，山西PAC吸附效果优于宁夏PAC，但对geosmin的效果影响不大。
MIB和geosmin在天然水体中的去除率与其初始浓度无关，根据需要降低到的目标浓度，利用吸附特性曲线，计算出实际需要的PAC投加量。粉末炭投加量与嗅味关系试验图可知，在一个给定的粉末炭投加量和吸附时间后，痕量嗅味物质的去除率与开始浓度无关，必须考虑过量投加。经试验15mg/l与20mg/l粉末炭的处理效果相当，投加量确定15mg/L，见图9。净水药剂采用聚合氯化铝，投加率20mg/L，即使在粉末炭投量稍少的情况下嗅味仍为一级弱，去除嗅味效果稳定。
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以上试验表明，采用15 mg/L 的SX粉末活性炭，投加点置于密云取水站，经过18小时长距离管道吸附输送到净配水厂，净水药剂投加率20 mg/L提高沉淀效果，确定了对原水主要致嗅物质2-MIB的初步技术参数。
2.4粉末炭中试试验结果
为考察投加粉末炭对后续处理工艺-滤池的影响，进一步开展了中试运行试验。结果证明粉末炭与适当的混凝剂使用对后续工艺影响不大，在滤池过滤后嗅味即可降低到一级弱或无，效果非常明显。即使滤后出水含有较低浓度嗅味物质也会被活性炭滤池吸附，进一步提高水质。
中试试验条件：
水量：5m3/h连续运行
采用进厂水为试验原水，原水中已投加高锰酸盐复合剂1.2mg/L
混合池：将粉末活性炭制成乳液后再进行投加，投加率15mg/L；PACL20mg/L；接触时间30sec
反应时间：10min，三级机械搅拌
沉淀时间：60min
实验结果：
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如图10、图11所示，原水投加15mg/L的粉末炭，经沉淀过滤工艺去除对嗅味和UV254去除效果非常明显，平均煤后嗅味去除率达到80%；UV254达到50%以上。图12显示了适合的净水药剂投加量，对加炭原水浊度去除效果达到70%，煤池出水浊度可以控制在0.2NTU以下。
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任何技术方案的实施，都必须对现有水厂生产工艺不能有过大的扰动。滤池的滤程和出水浊度是直接关系到技术参数的可靠性和可实施性。由图13可见，投加粉末炭与未加试验条件对照，虽然对滤池滤程无缩短的影响，相反有延长的趋势。通过加药絮凝过程，炭颗粒与药剂形成絮体的颗粒比一般絮体比重大，有利于沉淀。根据滤池水头损失增长趋势来看，达到36小时反冲周期的可能性很大。因此投加粉末炭对滤池滤程和出水浊度无明显负面影响，建议生产中投加15mg/L粉末炭，净水药剂PAC20mg/L。
2.5 粉末活性炭的生产应用与实际效果
2.5.1 粉末炭的投加
粉末活性炭可采用干法和湿法投加两种方式。干法投加利用水射器将粉末炭投入水中，湿法投加则将粉末炭配成乳液加注。由于时间紧迫，没有条件购置溶炭搅拌和加药设备实现湿法投加，在应急生产应用中利用水射器将粉末炭与水混合制浆后，加入原水输水管路，见图14。由于水中余氯与粉末炭发生氧化还原反应，减少粉末炭对目标化合物的去除率，进厂水应停止预加氯。
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2.5.2 粉末炭投加效果
经过静态试验、中试连续试验，最终于9月21日及时向密云调流阀后投加了15 mg/l的粉末炭，经十几个小时的输送，次日上午10：00到达净配水厂。滤池滤程略有缩短，其它各项水质指标均正常，符合水质标准。由此管网水水质有了极大的改观，用户反映由开始的每日二十余个降低到无，比较圆满的解决了管网水嗅味的问题。
9月26日管网水检测MIB浓度为6.5ng/l，无嗅味，到了预期的目的。25日开始便无用户反映，粉末活性炭处理突发嗅味效果令人满意，见图15。
3结论与建议
3.1结论
1）2005年水库原水主要致嗅物质为2-MIB（二甲基异莰醇），采用高锰酸钾预氧化，常规处理与活性炭滤池工艺不能满意去除水中高浓度的嗅味物质。
2）确定了原水投加粉末炭延长吸附时间提高吸附效果，与现有活性炭深度处理工艺形成双重水质保障的应急技术措施。
3）通过粉末炭对嗅味物质吸附特性曲线，确定粉末炭选炭方法和投加量计算方法。
4）研究得出了在嗅味高发期，及时调整炭池反冲，回流水对嗅味物质具有富集作用的结论。
3.2建议
1）建议粉末活性炭技术应作为地表水厂常备技术措施，应对水体突发嗅味和有机污染物对水质的影响。
2）回流水量占进厂水量的5％，水质恶化期间对水厂工艺处理效果影响巨大，必须尽快加以单独处理。
3）继续深入系统地研究嗅味发生规律，建立嗅味发生预警系统，及时采用粉末炭进行处理，避免再次引起被动。
4）考察粉末炭在输水管道中的沉积状况。
参考文献
1）《生活饮用水卫生标准》（DB5749-85）
2）《微污染水源水处理》 王占生 刘文君 中国建筑工业出版社 P43
3）《国际饮用水水质标准汇编》（日本生活饮用水水质标准）1993.1.1 张金松 范晓军 中国建筑工业出版社
4）《饮用水强化处理技术》高乃云 严敏 乐林生等 化学工业出版社
5）《当代给水与废水处理原理》许保玖 龙腾锐 高等教育出版社
6）《水源异臭和给水除臭》谢志平 中国城镇供水协会安徽分会
70《Water Treatment Plant Design》 （Third Edition，American）
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