臭味严重影响饮用水水质, 它不仅标志水质受到有机污染, 而且其感官性特点会引起居民对饮用水水质的担心, 因而成为关注的重点。目前对臭味去除研究虽然较多, 但集中于单项的技术处理, 如活性炭吸附以及氧化等, 对于工艺处理的研究非常少^[1]。臭氧生物活性炭深度工艺应用广泛, 但是否可以有效去除臭味, 并没有确切的结论。虽然有生产性的深度工艺去除臭味的报道, 但臭味的出现具有不确定性和突然性, 而且浓度变化很大, 这给深度工艺的去除臭味规律研究带来困难^[2,3]。此外, 当原水的臭味含量增加, 如突发水质污染, 工艺能否应对, 是否需要采取另外的技术措施, 这对水厂应对臭味至关重要。但是, 我们至今不清楚饮用水处理工艺处理臭味的能力以及规律, 水厂制定技术措施应对臭味缺乏依据。

了解深度工艺去除臭味物质的效果与机理, 需将原水的臭味浓度保持并持续在一定数值, 需要采用人工添加的方式向原水持续投加, 但通常中试运行流量较大, 如果持续投加, 试验成本太高, 实施困难。因此, 只能采用短时间投加, 但这样无法真实反映实际原水臭味对处理工艺的影响。因此, 唯一可行的方法是将试验流程处理水量减小, 使之臭味物质绝对投加量减少。为此, 设计了处理规模为100L/h的深度处理工艺。选择土臭素和二甲基异茨醇作为目标臭味物质。

试验通过投加臭味物质的方式, 稳定原水的臭味浓度在一定范围, 为研究臭味在工艺流程中的去除规律提供保证。通过投加一定量的臭味物质, 考察深度工艺的各技术单元去除臭味的效果以及它们之间的协同关系。

试验流程由预臭氧-混凝沉淀-砂滤-后臭氧-活性炭构成。混凝池有效容积9L, 絮凝时间12min;沉淀池有效容积67L, 沉淀时间30min;预臭氧柱有效容积19L, 接触时间10min;砂滤柱石英砂高0.9m, 滤速5m/h;活性炭柱高3m, 炭层高1m, 滤速2.4m/h, 工艺流程见图1。

试验的每个工况在稳定运行1周的情况下, 向原水连续投加土臭素和二甲基异茨醇, 使水中的臭味浓度保持试验所要求的数值, 然后对流程的各个处理环节取样, 分析臭味以及有机物的浓度。

试验的原水为东太湖水, 试验期间的主要水质:水温为31.6℃, pH为7.3, 浊度为15.23NTU, TOC为3.59mg/L, UV₂₅₄为0.05cm^-1。

土臭素和二甲基异茨醇采用顶空固相微萃取进行富集后, 用GC-MS检测。浊度采用Hach2100Q测定, TOC采用Shimadzu TOC-L测定仪测定, UV₂₅₄采用Hach DR5000测定。

在混凝剂投加量40 mg/L, 前臭氧0.5 mg/L和后臭氧1mg/L的运行参数下, 通过向原水投加臭味物质的方法, 使原水的2-MIB和GSM分别为50ng/L、100ng/L和250ng/L, 但实测的2种臭味浓度分别是:2-MIB为60ng/L、76ng/L和199ng/L, GSM为52ng/L、65ng/L和235ng/L。试验结果如图2所示。图2表明, 在试验的臭味浓度变化范围内, 活性炭出水的臭味基本检测不出, 除了原水的2-MIB为100ng/L时, 活性炭出水为3.85ng/L, 但这也远低于国家水质标准的10ng/L。这结果表明, 深度工艺对臭味有很好的去除效果。

深度工艺的各技术处理环节去除臭味的效果如图3所示。图3表明, 各个技术环节均对臭味的去除有所贡献, 其中的砂滤去除效果最好, 远高于生物活性炭。砂滤对臭味的去除占总去除的40%左右, 活性炭去除明显低于砂滤。这种情况似乎出乎我们的意料, 普遍认为臭味的去除大多依赖于活性炭的吸附, 但实际情况并非如此。由此可见, 臭味在深度工艺的去除依赖于各技术环节的共同和协同作用, 而非单个技术单元。

砂滤可有效去除臭味, 可能是由于预臭氧导致砂滤变成生物滤池的缘故。为此, 考察有无预臭氧时的臭味浓度在工艺流程中的变化, 臭味的投加量为250ng/L, 结果如图4所示。图4表明, 当没有预臭氧时, 活性炭无法全部去除臭味, 而且出水的臭味超过水质标准。但是, 在混凝前采用曝气的措施, 活性炭尽管还无法全部去除臭味, 但出水的臭味浓度均低于水质标准。随着臭氧的投加, 活性炭出水的臭味浓度进一步下降, 当预臭氧投加量达1mg/L时, 活性炭出水的臭味已经完全检测不出。由此可见, 深度工艺去除臭味效果与有无预臭氧以及它们的投加量有密切的关系。

有无预氧化对臭味去除的效果如图5所示。对于2-MIB, 当没有预臭氧或只有空气曝气时, 砂滤仍有17%的去除效果, 投加0.5mg/L的预臭氧时, 砂滤的去除效果反而下降, 但投加量增加至1 mg/L时, 砂滤的去除效果增至40%。图5还表明, 虽然后臭氧的投加量没有变化, 但去除臭味的效果却与预氧化以及后续的活性炭有着密切的相关。如果砂滤去除效果较差, 后臭氧的去除效果明显提高, 同时活性炭的去除效果变好;如果砂滤的去除效果较佳, 后臭氧的去除效果下降, 同时活性炭的效果也下降。简言之, 砂滤、后臭氧和活性炭之间形成某种互补的关系。考察GSM的去除效果, 预氧化对臭味去除的影响更加明显。没有预臭氧时, 砂滤去除臭味效果较差, 当施以预臭氧时, 砂滤的去除效果明显增加。同时看到, 当砂滤去除臭味较差时, 活性炭有较好的去除效果, 但当砂滤去除效果较好时, 活性炭的去除效果反而下降, 这在投加量为1 mg/L时表现尤为明显。

砂滤与生物活性炭所形成的互补关系表明它们去除臭味物质的机理是一致的, 即通过生物的作用去除臭味。

不同臭氧投加量去除TOC的效果如图6所示。由图6可见, 有无预臭氧对深度工艺去除有机物的影响较为明显。当施以预臭氧以及增加投加量时, 深度工艺去除有机物的效果明显增加, 从没有预臭氧的32%增加至投加1 mg/L臭氧的54%。图6还表明, 预臭氧不仅有助于混凝去除有机物, 而且还有助于提升活性炭去除有机物的效果。这说明, 预臭氧不仅与混凝有协同作用, 而且它还会与活性炭产生协同作用。

图7为预氧化对去除UV₂₅₄的影响。图7表明, 曝气的去除效果最差, 其中对活性炭去除的影响最大, 其次为氧化。预臭氧与没有预臭氧相比, 去除效果略好。

中试所在水厂的生产深度工艺与中试一致, 即预臭氧-混凝沉淀-砂滤-后臭氧-生物活性炭, 去除臭味的效果如图8所示。由图8可见, 太湖水的2-MIB浓度变化很大, 并且经常出现较高的浓度。深度工艺去除2-MIB的效果甚佳, 出水基本检测不出。图8表明, 砂滤后的2-MIB大为降低, 常规工艺的平均去除率为83%, 而深度工艺仅为17%, 说明去除臭味主要由常规工艺完成。

(1) 原水的GSM和2-MIB浓度在50～250ng/L变化范围, 投加0.5mg/L预臭氧的深度工艺可有效去除臭味, 出水满足国家水质标准;没有预臭氧的情况下, 深度工艺出水的臭味可能超标。

(2) 中试和生产实践表明, 砂滤在去除臭味上起到重要的作用, 并与预臭氧密切相关, 预臭氧投加量的增加有助于砂滤去除臭味。

(3) 砂滤去除臭味的效果下降则生物活性炭去除效果增加, 砂滤与生物活性炭共同去除臭味, 它们之间存在互补的关系。

(4) 预臭氧有助于深度工艺去除有机物。