探討去除嗅味物質(zhì)的研究方式

吳冬冬,馬匯源,鞠玲,劉永劍,吳青,劉碩

1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司；2.山東建筑大學(xué)

湖泊和水庫(kù)中出現(xiàn)藻類會(huì)在飲用水處理中造成一系列問(wèn)題。藻類已知增加混凝劑需求，縮短過(guò)濾器運(yùn)行，并導(dǎo)致微生物再生分配系統(tǒng)。此外，它們的代謝物，如令人不快的味道和氣味，會(huì)惡化水質(zhì)。土嗅素和2-甲基異莰醇通常被報(bào)道為最常見(jiàn)的導(dǎo)致味覺(jué)和氣味化合物，因?yàn)樯锘蛉藶橐蛩兀稍陲嬘盟粗屑竟?jié)性檢測(cè)到。常規(guī)處理對(duì)這些化合物的去除通常很低（土嗅素＜20%，2-甲基異莰醇＜15%）[1]。因此，它們?cè)陲嬘盟械拇嬖谑撬幚砉檬聵I(yè)主要擔(dān)憂之一。中國(guó)飲用水中2-甲基異莰醇和土嗅素的閾值濃度為10ng/L。

2-甲基異莰醇和土嗅素氣味可以在非常低的濃度下被人類的鼻子直接檢測(cè)到。研究表明，2-甲基異莰醇和土嗅素不易通過(guò)常規(guī)的水處理（通常指混凝沉淀和砂濾）或典型的化學(xué)氧化（包括高錳酸鉀或氯）去除。目前，去除2-甲基異莰醇/土嗅素的處理工藝性能排名為:過(guò)濾＞澄清＞粉末活性炭和顆?；钚蕴浚痉勰┗钚蕴俊殖Ｒ?guī)過(guò)濾＞混凝澄清＞氯化法，但是未對(duì)臭氧的影響性能做出有關(guān)評(píng)價(jià)[2]。因此，需要先進(jìn)的水處理工藝或聯(lián)合工藝來(lái)有效去除。臭氧氧化技術(shù)，作為一種非選擇性的高級(jí)氧化技術(shù)，在水處理行業(yè)中已經(jīng)被廣泛研究。它涉及臭氧和羥基自由基與污染物的反應(yīng)，是去除異味非常有效的方法。

目前，基于臭氧高級(jí)氧化技術(shù)的研究進(jìn)展還不全面。我們通過(guò)系統(tǒng)地討論不同的臭氧高級(jí)氧化去除2-甲基異莰醇和土嗅素，總結(jié)了不同技術(shù)的降解效率和技術(shù)特點(diǎn)。本文旨在為嗅味化合物的去除提供可靠的理論依據(jù)，為實(shí)際項(xiàng)目中具體工藝的選擇提供理論支持。

一、臭氧單獨(dú)氧化

臭氧化是一種強(qiáng)大的工具，能夠在典型的飲用水處理?xiàng)l件下將大多數(shù)味道和氣味化合物氧化到一半以上。對(duì)于耐臭氧味道和氣味的化合物，應(yīng)用高級(jí)氧化工藝可能是適當(dāng)?shù)摹?/p>

劉禧文等人[3]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于2-甲基異莰醇和土嗅素，隨著臭氧投加量的增大，去除率也逐漸升高。顧玉蓉等人[4]的研究結(jié)果表明，相較于曝氣吹脫法和混凝沉淀法，臭氧氧化法是去除嗅味物質(zhì)的有效方法。2-甲基異莰醇和土嗅素的去除率隨著臭氧投量及溶液初始pH的升高而增加，隨著其初始濃度的升高而降低。

二、臭氧與其他技術(shù)的聯(lián)合處理

（一）臭氧與過(guò)氧化氫的聯(lián)合處理

2-甲基異莰醇的去除率隨著臭氧劑量增加而增加，不過(guò)臭氧的效率受諸多因素的影響，如源水pH值、堿度和溫度等。且當(dāng)水中所含溴化物處于中等水平（即50mg/L）時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生大量的溴酸鹽[5]。為了克服這個(gè)難題，可以在臭氧氧化過(guò)程中加入過(guò)氧化氫（即臭氧/過(guò)氧化氫）。

Yao等人[6]比較了傳統(tǒng)臭氧氧化和臭氧/過(guò)氧化氫工藝對(duì)地表水中2-甲基異莰醇和土嗅素的去除效果。通過(guò)添加臭氧原液的批量試驗(yàn)和連續(xù)氧氣/臭氧氣體噴射的半批量試驗(yàn)（模擬真實(shí)的臭氧接觸器），研究了這兩個(gè)過(guò)程中臭氧的分解、OH的生成、2-甲基異莰醇和土嗅素的消除以及溴酸鹽的生成。但H2O2與O3的濃度最佳比例需要進(jìn)一步優(yōu)化，即H2O2催化O3反應(yīng)時(shí)H2O2與O3的比值是影響其去除效率的主要因素。實(shí)際應(yīng)用中，還要控制H2O2的投加量，若H2O2投加過(guò)量，還需要增加其他處理工藝來(lái)消除H2O2的影響。

（二）臭氧與生物處理的聯(lián)合處理

在生物過(guò)濾前應(yīng)用臭氧已被證明對(duì)去除土嗅素、2-甲基異莰醇和消毒副產(chǎn)物前體物是有效的[7,8]。生物活性炭因其減少可生物降解有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物前體物的能力而得到認(rèn)可。由于這些因素，生物活性炭在去除土嗅素、2-甲基異莰醇和消毒副產(chǎn)物前體物方面的性能可能存在顯著差異。

Newcombe等人[9]對(duì)臭氧生物過(guò)濾處理進(jìn)行了一項(xiàng)中試的研究，報(bào)告稱1.3mg/L的臭氧單獨(dú)處理可去除36-54%的2-甲基異莰醇，然后通過(guò)生物活性炭去除26-46%。在22°C的水溫條件下，使用生物活性炭的生物過(guò)濾對(duì)于去除土臭素和2-甲基異莰醇（＞80%）效果較好，但在16℃和10℃的水溫下效果較差。在生物過(guò)濾之前使用臭氧，可在16℃和10℃條件下將土臭素的濃度降至10ng/L。

（三）臭氧與活性炭的聯(lián)合處理

目前，采用活性炭去除水體中季節(jié)性嗅味化合物屬于最常用的水處理技術(shù)，粉末活性炭的用量可以根據(jù)進(jìn)水中的氣味濃度進(jìn)行調(diào)整（Srinivasan和Sorial，2011）。顆粒活性炭通常用于水處理廠的過(guò)濾床。

Ridal等人[10]在加拿大的一個(gè)污水處理廠中研究了顆?；钚蕴繛V床的長(zhǎng)期性能，并在兩個(gè)月的研究中確定了處理水中的2-甲基異莰醇濃度低于閾值濃度。陳國(guó)光等人[11]研究發(fā)現(xiàn)，臭氧氧化生物活性炭工藝與增加臭氧用量相結(jié)合，可以將處理水中的2-甲基異莰醇濃度降低到10ng/L以下。

（四）臭氧與紫外線氧化的聯(lián)合處理

紫外/臭氧(UV/臭氧)工藝作為一類新型、綠色的高級(jí)氧化工藝,由于具有反應(yīng)條件溫和、氧化選擇性可調(diào)控、反應(yīng)速率快、操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)已成為水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，已有研究人員將其應(yīng)用于2-甲基異莰醇和土嗅素的降解研究中。

陳海涵等人[12]研究發(fā)現(xiàn)，臭氧與紫外線照射的組合可以有效地提高2-甲基異莰醇和土嗅素的降解效果。利用此工藝降解土嗅素和2-甲基異莰醇時(shí)，在不同水質(zhì)和不同處理工藝條件下其降解率不同。UV/臭氧在純水中的氧化處理效果最好。而對(duì)UV/過(guò)氧化氫工藝的研究更加廣泛，適用的水質(zhì)種類更多，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要針對(duì)不同的水質(zhì)優(yōu)選最佳的組合工藝。在水中觀察到的較慢降解過(guò)程，證實(shí)了水質(zhì)對(duì)反應(yīng)顯著影響的存在。

三、工程案例

夏季藻類大量繁殖，是水體嗅味物質(zhì)高爆發(fā)期。原水中土嗅素濃度較低，而2-甲基異莰醇濃度較高。臭氧-生物活性炭工藝與臭氧-顆?；钚蕴抗に噷?duì)土嗅素均具有很好的去除效果，去除率穩(wěn)定在99%以上；原水中2-甲基異莰醇濃度在較低時(shí)，去除率穩(wěn)定在99%以上，當(dāng)原水濃度較高時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)水質(zhì)不穩(wěn)定情況，但整體去除效果依然穩(wěn)定，出水穩(wěn)定達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)[2]。郭[14]等人通過(guò)對(duì)水廠的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析也得出了類似的結(jié)論，臭氧-顆?；钚蕴抗に嚨某鏊列崴睾?-甲基異莰醇濃度低，出水水質(zhì)穩(wěn)定，粉末活性炭可有效應(yīng)對(duì)嗅味物質(zhì)激增的突發(fā)狀況。

喬鐵軍[13]等通過(guò)對(duì)梅林水廠的研究發(fā)現(xiàn)采用臭氧-生物活性炭工藝能夠?qū)⒊鏊械念w粒度以及濁度進(jìn)一步降低，并且可以使賈第蟲(chóng)、隱孢子蟲(chóng)和總有機(jī)碳得到有效去除。此水廠采用的是“臭氧發(fā)生器、臭氧接觸池、生物活性炭濾池”組合工藝優(yōu)化飲用水深度處理技術(shù)工藝。

朱建文[14]等通過(guò)對(duì)南星橋水廠的調(diào)查研究顯示采用臭氧活性炭深度處理雖然在濁度的去除上相較于傳統(tǒng)工藝區(qū)別不大，但是相較于傳統(tǒng)工藝，在色度、氨氮的去除率方面效果顯著。該水廠采用的工藝為“預(yù)臭氧化-絮凝沉淀-砂濾-后臭氧化-生物活性炭-加氯、加氨消毒處理”。

董艷紅[15]等研究了哈爾濱三廠，發(fā)現(xiàn)臭氧預(yù)氧化具有于助凝作用，可以通過(guò)設(shè)置主臭氧氧化來(lái)提高后續(xù)活性炭濾池的凈水效果。該水廠對(duì)松花江流域采取處理工藝為通過(guò)臭氧-生物活性炭技術(shù)強(qiáng)化常規(guī)處理來(lái)對(duì)微污染原水進(jìn)行深度處理。運(yùn)用臭氧-生物活性炭技術(shù)后可以大幅減少工藝所需的臭氧投加量，并且抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，即使是在低溫低濁期也能使出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

王正林[16]等人通過(guò)對(duì)充山水廠的研究表明，有機(jī)物可以被組合活性炭濾池吸附分解，大大減少了消毒副產(chǎn)物前體物，使出水水質(zhì)保持穩(wěn)定并且達(dá)到優(yōu)質(zhì)；水中的有機(jī)物可以被臭氧的強(qiáng)氧化性由大分子的有機(jī)物降解為小分子的有機(jī)物，從而增強(qiáng)原水中有機(jī)物的可吸附性以及可生化性。該水廠處理含高氨氮、高藻、高有機(jī)物的太湖水，采用的處理工藝是“生物預(yù)處理-氣浮-臭氧-生物活性炭-砂濾-消毒”的組合工藝。

四、結(jié)論

如上所述，臭氧氧化及其聯(lián)合處理工藝在嗅味物質(zhì)降解方面具有巨大的潛力。臭氧單獨(dú)氧化和臭氧聯(lián)合過(guò)氧化氫、生物處理、活性炭、紫外線和金屬氧化物催化氧化技術(shù)對(duì)于降解2-甲基異莰醇和土嗅素是完全可行且高效的。目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于小試方面的研究較多，中試研究的規(guī)模也不足以應(yīng)用于大型水處理廠。