飲用水中嗅味物質(zhì)去除技術研究進展

張衛(wèi)康，王子凡*，張百德，王衍爭，孔 進

(1.山東建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，山東 濟南 250101； 2.山東濰坊市市政工程設計研究院有限公司，山東 濰坊 261000； 3.山東省建筑科學研究院有限公司，山東 濟南 250031)

隨著人們對飲用水水質(zhì)要求的提高，水中的嗅味更加受到關注。衛(wèi)生部在2001年頒布的《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》中規(guī)定：飲用水不得有異臭、異味。在常規(guī)給水處理中，混凝、沉淀過程對溶解性嗅味物質(zhì)去除率低，且混凝過程中的攪拌作用會破壞藻類細胞，其含有的嗅味物質(zhì)釋放到水體中，從而降低了常規(guī)工藝的除嗅效果[1]。現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)的附錄A中將土臭素(Geosmin，GSM)和2-甲基異莰醇(2-methylisoboneol，2-MIB)列為生活飲用水水質(zhì)參考指標，其限值均為10 ng/L，因此去除飲用水中GSM和2-MIB具有重要意義。

1 去除技術

1.1 吸附處理

1.1.1 活性炭吸附

活性炭比表面積大、微孔發(fā)達、吸附能力強，且活性炭會優(yōu)先吸附有機物，因此對嗅味物質(zhì)的去除效果好?；钚蕴繉π嵛段镔|(zhì)的去除主要是通過活性炭的物理吸附和微生物降解作用。常用活性炭吸附劑有粉末活性炭(PAC)、顆粒活性炭(GAC)和活性炭纖維(ACF)。

PAC吸附法最早用于去除飲用水中的嗅味物質(zhì)。李勇[2]等通過實驗發(fā)現(xiàn)100 ng/L的GSM和100 ng/L的2-MIB經(jīng)PAC分別接觸吸附60 min和180 min后濃度均低于10 ng/L。PAC對GSM的吸附效果好于2-MIB，這是因為GSM具有類似苯環(huán)的結(jié)構(gòu)，易于被活性炭吸附。PAC使用方便，主要用于季節(jié)性或應急性的嗅味處理，但存在溶解性有機碳的情況下會和GSM、2-MIB存在吸附競爭關系，同時水中余氯也會降低PAC的吸附效果。

GAC主要用于富營養(yǎng)化較為嚴重、需長期進行嗅味去除的情況，其前期投資大，但運行成本相對較低。Ridal[3]等人調(diào)查了加拿大給水廠中GAC濾床對圣勞倫斯河水中GSM和2-MIB(濃度在5～60 ng/L范圍內(nèi))的去除效果，經(jīng)濾床處理后水中GSM和2-MIB濃度均降到規(guī)定嗅閾值以下。

ACF是20世紀70年代發(fā)展起來的多功能吸附材料，其吸附容量高，容易再生，不產(chǎn)生二次污染。Srinivasan[4]等人研究對比了不同孔徑ACF和GAC對GSM和2-MIB的吸附情況，結(jié)果表明ACF吸附能力均高于GAC。

1.1.2 沸石吸附

沸石是一種獨特的吸附劑，其吸附能力與被吸附物的大小和形狀有關，只有當吸附質(zhì)直徑比孔徑小時才能迅速在沸石上吸附和擴散。采用疏水性脫鋁沸石去除100 mg/L的GSM和2-MIB，其去除率分別為94%和74%，GSM比2-MIB更易被去除[5]。沸石比活性炭易于再生，再生過程中具有更高的穩(wěn)定性，且不受腐殖質(zhì)、氧化物和水硬度的影響。

1.1.3 其他吸附處理

近年來，凹凸棒土因其發(fā)達的內(nèi)孔通道和較大的比表面積使其具有很強的吸附性能。韓珊珊[6]等研究發(fā)現(xiàn)當水中GSM和2-MIB在ng/L水平時，凹凸棒土對GSM和2-MIB去除率分別為30%和26%左右，但當強化混凝或與高錳酸鉀聯(lián)用時，對GSM和2-MIB的去除率均有不同程度的提高。葛蘇陽[7]等發(fā)現(xiàn)合成陶瓷吸附劑在10 h接觸時間內(nèi)對200 ng/L的GSM去除率為81.5%。合成陶瓷吸附劑具有去除率高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點，同時還具有較好的pH緩沖能力和再生性能。

1.2 化學氧化

GSM和2-MIB均為飽和環(huán)叔醇類，由于叔醇具有氧化抗性，因此氯、二氧化氯、高錳酸鉀等氧化劑對這兩種嗅味物質(zhì)的去除效果不佳[8]。高級氧化如臭氧氧化、光催化氧化等則是基于羥基自由基(·OH)而使目標化合物氧化降解，對GSM和2-MIB的去除效果良好。

1.2.1 臭氧氧化

臭氧的氧化能力很強，它能破壞污染物的分子結(jié)構(gòu)從而改變污染物性質(zhì)。與氯、二氧化氯等氧化劑相比，臭氧對GSM和2-MIB有較高的去除能力[9]。Yuan[10]等研究發(fā)現(xiàn)在臭氧濃度為4.19 mg/L時，100 ng/L的GSM和2-MIB被處理20 min后90%都被降解。但臭氧投加量大時會抑制氧化作用，易生成溴酸鹽等副產(chǎn)物，因此臭氧處理后往往需增加GAC或生物處理來保證去除效果。

1.2.2 催化氧化技術

相比單純的臭氧氧化，以臭氧為氧化劑的催化氧化技術既可提高臭氧的氧化能力，還能減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生。陳忠林[11]等通過實驗得出，在自來水本底條件下，加入γ-Al2O3催化劑后，2-MIB的去除率比單獨臭氧氧化提高40%以上。光催化氧化法是在光催化劑(TiO2)的作用下，利用光能降解難降解有機物的新型水處理技術。該方法具有分解能力高、操作簡便、不需額外氧化劑等優(yōu)點。Kutschera[12]等通過實驗得出，采用紫外線/真空紫外線(UV/VUV)能對GSM和2-MIB快速降解，相同條件下對GSM的降解速率更快。

1.2.3 其他氧化技術

孫昕[13]等還進行了真空紫外光(VUV)/氯高級氧化技術對嗅味物質(zhì)去除效果的研究，結(jié)果表明，該方法在30 min內(nèi)對GSM和2-MIB的去除率高達98%和96%。由于在紫外光照射下，體系中的水分子和自由氯可生成大量·OH。因此隨著紫外光強度和氯濃度的增加，嗅味物質(zhì)的降解速率加快。Bu[14]等使用摻硼金剛石電極通過電化學氧化降解GSM和2-MIB，結(jié)果顯示30 min內(nèi)GSM和2-MIB的去除率分別為73%和68%。相比其它高級氧化技術，電化學氧化不需要額外的氧化劑，還能與其他去除技術相結(jié)合。

1.3 生物處理

活性炭吸附和臭氧氧化有較好的除嗅效果，但運行費用較高，需額外的化學藥劑或吸附劑，而生物處理運行成本低，具有一定的優(yōu)勢。Ho[15]等研究發(fā)現(xiàn)生物砂濾能有效去除GSM和2-MIB，且通過PCR-DGGE技術確定了最有可能參與GSM降解的四種細菌為Pseudomona、Alphaproteobacterium、Sphingomonas和Acidobacteriaceae。目前用微生物來降解水中GSM和2-MIB的完整途徑尚不清晰。Saito[16]等通過實驗發(fā)現(xiàn)GSM生物降解的部分中間產(chǎn)物，并得出GSM部分生物降解涉及脫水和氧化反應，一些學者[17]對生物降解2-MIB進行了研究發(fā)現(xiàn)其部分降解過程也包括脫水反應。

生物處理目前廣泛采用的是地下滲濾和生物膜法。Ho[15]等通過生物濾池和常規(guī)處理工藝對澳洲某流域表面水體中2-MIB和GSM的去除率達到100%，其中生物濾池去除效果占主導。生物處理去除GSM和2-MIB有降低成本、減少副產(chǎn)物、不產(chǎn)生新污染等優(yōu)點，但該方法易受水溫、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)等多種因素影響，處理效果不夠穩(wěn)定，而對于高濃度GSM和2-MIB可采用與吸附或氧化聯(lián)合法進行處理。

1.4 聯(lián)用技術

1.4.1 臭氧-活性炭

臭氧-活性炭技術將臭氧的強氧化性與活性炭的吸附性能相結(jié)合，主要包括臭氧-顆?；钚蕴?O3-GAC)、臭氧-生物活性炭(O3-BAC)等技術。

O3-GAC技術主要通過O3快速分解產(chǎn)生·OH和GAC較大的比表面積達到氧化和吸附嗅味的目的。王文東[18]等考察了2-MIB在O3-GAC工藝各凈化單元中的去除率得出，相同進水2-MIB濃度下，O3和GAC單元分別比傳統(tǒng)水質(zhì)凈化單元去除率高出約25%和55%。

O3-BAC技術主要通過臭氧氧化、活性炭吸附和微生物降解作用來去除嗅味物質(zhì)。高煒[19]等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過O3-BAC工藝處理后2-MIB濃度基本在10ng/L以下，其中臭氧單元對2-MIB平均去除率為44.6%，BAC單元平均去除率為39.9%。O3-BAC聯(lián)用可以通過微生物降解去除活性炭吸附的有機物，使活性炭保持長時間的吸附能力，延長活性炭的使用壽命，提高除嗅效果；還可去除水中某些消毒副產(chǎn)物的前體物，使飲用水保持良好的生物穩(wěn)定性，因此具有廣闊的應用前景。

1.4.2 高錳酸鉀-粉末活性炭

高錳酸鉀(PP)與粉末活性炭(PAC)聯(lián)用對嗅味物質(zhì)去除效果較兩者單獨使用更好，原因是高錳酸鉀使得水中被氧化的有機物在活性炭表面發(fā)生氧化聚合，活性炭的吸附能力有所提高，同時活性炭可以吸附部分氧化中間產(chǎn)物，還原水中殘留的高錳酸鉀。Hu[20]等試驗結(jié)果表明當僅投加KMnO4時嗅味物質(zhì)去除率為68.2%，而同時投加KMnO4和PAC時嗅味物質(zhì)去除率達到91.9%。PP-PAC聯(lián)用技術具有占地面積小、投資少、處理效果好的優(yōu)點，因此具有很好的應用前景。

1.4.3 其他聯(lián)用技術

區(qū)良益[21]等研究了活性炭強化混凝對GSM和2-MIB的去除效果，研究表明活性炭強化混凝工藝對GSM去除率達到90%以上，對2-MIB的去除率均達到80%左右。Jo[22]等進行了紫外線-過氧化氫(UV/H2O2)工藝降解GSM和2-MIB的研究，結(jié)果表明，在濃度為6 mg/L的H2O2和強度為1200 mJ/cm2的紫外線光照條件下，GSM和2-MIB的去除率分別為90%和60%。這種工藝的優(yōu)點是保證高去除率的同時，還能去除額外的消毒副產(chǎn)物。孫昕[23]等研究了VUV活化過二硫酸鹽(PS)對GSM和2-MIB的去除效果，結(jié)果表明，在0.5 mmol/L的PS及 487.6 μW·cm-2的VUV條件下，對GSM和2-MIB的去除率分別提高74%和76%，對嗅味物質(zhì)可達到較理想的去除效果。

2 結(jié)論與展望

(1)飲用水中嗅味問題是當下我國普遍存在的問題，常規(guī)給水處理對典型嗅味物質(zhì)GSM和2-MIB的去除率較低。

(2)傳統(tǒng)工藝對嗅味物質(zhì)去除效果有限，且會產(chǎn)生副產(chǎn)物。PAC和GAC吸附處理經(jīng)濟可行，但仍存在不易再生等缺點。ACF易再生、不產(chǎn)生二次污染，但原材料制作復雜且成本相對較高。沸石、凹凸棒土、合成陶瓷吸附劑等各有優(yōu)點，但目前技術尚不成熟。

(3)高級氧化技術去除效果好但成本相對較高，且易產(chǎn)生副產(chǎn)物。生物處理去除效果好，副產(chǎn)物少且不產(chǎn)生新污染，但易受到環(huán)境因素的影響，需要控制相應菌落的穩(wěn)定性。

(4)O3-GAC、O3-BAC、PP-PAC等聯(lián)用工藝對嗅味物質(zhì)的去除比單一工藝去除效果好，優(yōu)勢互補，能更好地解決成本、副產(chǎn)物、二次污染等問題，對嗅味物質(zhì)的去除具有很好的應用前景。