臭氧去除飲用水中嗅味物質(zhì)效果與原理的研究

陳學(xué)姝

摘 要：飲用水安全保障一直是人們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，然而隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，水體污染日益嚴(yán)重，富營(yíng)養(yǎng)化引起的藻類嗅味問(wèn)題已極大地影響了水源地水質(zhì)，太湖流域飲用水安全受到嚴(yán)重威脅。本研究全面探究臭氧預(yù)處理對(duì)嗅味物質(zhì)的去除效果及機(jī)理，從而為對(duì)水體嗅味問(wèn)題提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：臭氧預(yù)氧化;嗅味物質(zhì);去除效果

一、近年我國(guó)飲用水水質(zhì)狀況

水是人類生存的根本，水庫(kù)與湖泊是重要的淡水資源。但是隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，城市化的快速發(fā)展，生活污水、生產(chǎn)廢水等的大量排放，水庫(kù)、湖泊等水體污染日益嚴(yán)重，富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益突出?！?014 年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》指出，中國(guó)重點(diǎn)湖泊、水庫(kù)及主要河流主要污染指標(biāo)為 BOD5、TP 和 COD，在 968個(gè)國(guó)控地表水檢測(cè)斷面（點(diǎn)位）中只有 33.8%達(dá)到 II 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)湖、庫(kù)僅有 18 個(gè)達(dá)到 II 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或以上，無(wú)一個(gè)達(dá)到 I 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。太湖總體平均為IV 類水體，環(huán)湖河流中 5.9%為 II 類水質(zhì)。

二、嗅味物質(zhì)對(duì)飲用水的影響

水體中嗅味的產(chǎn)生與微生物、藻類有著密切的關(guān)系。2007 年夏天，無(wú)錫市內(nèi)太湖區(qū)域出現(xiàn) 50 年來(lái)最低水位。在天氣連續(xù)高溫情況下，加劇了太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，引發(fā)藍(lán)藻水華提前爆發(fā)，使大批市民家飲用水水質(zhì)發(fā)生變化，并伴隨難聞氣味。太湖水污染事件引起了各界的高度重視。在我國(guó)，普遍存在水體中藻類大量繁殖，形成異嗅、異味的現(xiàn)象。隨著生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越注重生活質(zhì)量，對(duì)飲用水水質(zhì)的要求就愈來(lái)愈高。飲用水的色、嗅、味是人們?cè)u(píng)價(jià)其安全性最直接參數(shù)。水體異味的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了飲用水可飲用性，降低了消費(fèi)者對(duì)飲用水的感官評(píng)價(jià)。

三、主要嗅味物質(zhì)及其危害

根據(jù)人的感覺(jué)感官可將水中嗅味分為 3 大類 13 種，分別為味覺(jué)異味（4 種）、嗅覺(jué)異味（8 種），以及口鼻感官異感（1 種）。研究認(rèn)為嗅味物質(zhì)載體包括 4 個(gè)，分別為飲用水、空氣、廢水和堆肥。其中水中嗅味物質(zhì)主要是有氧氧化產(chǎn)物和厭氧氧化產(chǎn)物。其中最為常見(jiàn)的嗅味物質(zhì)是具有土霉味的土臭素（Geosmin，GSM）也被稱為反-1.10-二甲基-反-萘烷醇、二甲基異莰醇（MIB，或 2-MIB），也被稱為二甲基異冰片、2，3，6-三履帶茴香醚（TCA）、2-異丁基-甲氧基吡嗪（IBMP）等。土霉味的嗅味物質(zhì)廣泛存在水體中，目前 GSM 和 2-MIB 被研究的最多。

四、傳統(tǒng)工藝對(duì)嗅味物質(zhì)的去除效果有限

飲用水傳統(tǒng)處理工藝即“原水—澄清—消毒—出水”，主要去除原水中的懸浮顆粒、細(xì)菌以及膠體物質(zhì)。

總結(jié)國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果以及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)值，均表明傳統(tǒng)處理工藝處理污染水源水效果并不理想，有機(jī)物的去除率僅為 20%～30%，且水中溶解性有機(jī)物的存在，降低了傳統(tǒng)工藝對(duì)原水中濁度的去除效果;通過(guò)增大混凝劑的投加量降低濁度，不僅增大了生產(chǎn)成本，而且可能增大金屬離子在水中的濃度，威脅消費(fèi)者的身心健康。常規(guī)水處理工藝對(duì)嗅味物質(zhì)的去除效果有限，且不能滿足飲用水水質(zhì)其他指標(biāo)的要求，深度處理工藝的實(shí)施勢(shì)在必行。

五、臭氧的理化特性與臭氧去除水體嗅味物質(zhì)的原理研究

1、臭氧的理化特性

臭氧是氧氣的同素異形體。在常溫常壓條件下，低濃度的臭氧為無(wú)色氣體，當(dāng)質(zhì)量濃度大于 15%時(shí)則為淡藍(lán)色。臭氧的密度為氧氣的 15 倍，空氣的 16 倍。臭氧的熔點(diǎn)是-192℃，沸點(diǎn)是-111℃。臭氧可溶于水，在常溫常壓下，臭氧在水中的溶解度是氧氣的 14 倍，約為 0.54 g /L。在 20℃的條件下，臭氧在液相中的平衡濃度和在氣相中的平衡濃度之比為 0.285。臭氧在水中的溶解度隨溫度而變化。臭氧在水中的高溶解度確保了它在水處理中的高效性和可行性。

在常溫下，臭氧的化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，極易分解成氧氣。酸性條件下，臭氧的氧化還原電位（2.07V）僅次于氟（2.87V）。臭氧的分解速度在液相中比在氣相中快很多。臭氧在水中的半衰期受水質(zhì)、溫度和 pH 等的影響，從幾秒到幾小時(shí)不等。隨溫度與 pH 值的升高，臭氧的分解速度加快。常溫下，臭氧在水中的半衰期一般為 15～30min，分解產(chǎn)物主要是氧氣及具有更高活性的自由基，如·OH、·H、·HO2，因此臭氧氧化不但不會(huì)造成二次污染，而且能增加水體溶解氧，提高水體自凈能力。

2、臭氧去除水體嗅味物質(zhì)的原理研究

臭氧作為強(qiáng)氧化劑在飲用水處理中主要應(yīng)用于以下的三個(gè)階段：預(yù)處理氧化、中間氧化以及最終消毒。臭氧預(yù)氧化可降解部分天然有機(jī)物，從而提高混凝、沉淀等后續(xù)工藝去除濁度、色度、嗅和味的效率。

臭氧氧化有機(jī)物存在 2 種途徑，一是直接氧化（Directmolecular ozone attack）即臭氧分子直接氧化，二是間接氧化（Indirect radicalsattack）即自由基氧化。直接氧化是臭氧分子直接攻擊目標(biāo)有機(jī)物進(jìn)行氧化反應(yīng);間接氧化是臭氧在水中分解產(chǎn)生氧化性更強(qiáng)的活性自由基（主要為·OH），自由基對(duì)目標(biāo)有機(jī)物進(jìn)行攻擊，從而達(dá)到降解的效果。

有研究表明 O3投加量對(duì)臭氧氧化去除 2-MIB 和 GSM 的效果有很大的影響。當(dāng) O3投加量為 0.5 mg/L 時(shí)，此時(shí) O3對(duì) 2-MIB 的去除率僅為 20%;當(dāng) O3投加量為 2 mg/L 時(shí)，2-MIB 去除率可達(dá) 80%。

研究發(fā)現(xiàn)主臭氧（即投加點(diǎn)置于砂濾出水處）的除臭效果比預(yù)臭氧（即投加點(diǎn)置于進(jìn)廠水處）要好，這可能由于原水中的濁度、UV254、TOC 等含量較高，另外主臭氧化具有一定的消毒功能。因此，O3投加點(diǎn)對(duì)臭氧氧化效果有一定的影響，生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)化 O3投加點(diǎn)的選擇以達(dá)到最優(yōu)的氧化效果。

參考文獻(xiàn)

[1]王淑芳.水體富營(yíng)養(yǎng)化及其防治[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2005，30（6）：63-65.

[2]中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)，北京，2014.

[3]于建偉，李宗來(lái)，曹楠，等.2007 無(wú)錫市飲用水嗅味事件原因及潛在問(wèn)題分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（11）：177l-1777.