深圳市某水廠嗅味物質全流程控制技術應用

黃孟斌，邵志昌，楊 頌，張偉德，楊 峰，武 洋

(深圳市深水寶安水務集團有限公司，廣東深圳 518001)

嗅味作為水質的物理感官性狀，會嚴重損害飲用水的質量，直接影響水的可飲性[1]，用戶飲用后可能會出現惡心、腹瀉等不良癥狀。人們要求解決飲用水中嗅味問題的呼聲越來越強烈[2]。水源水的嗅味問題主要由水中的藻類代謝物包括2-甲基異莰醇(2-MIB)引起[3]。當前，我國自來水廠多采用常規處理工藝(混凝→沉淀→過濾→消毒)，對嗅味物質的去除效果有限[4]。因此，探索通過常規工藝優化以實現嗅味物質有效控制的技術措施，是極其重要和緊迫的。

本文以2-MIB為主要控制目標，研究水廠粉末活性炭吸附去除工藝、沿程非破壁除藻方法的關鍵技術，通過工藝優化和技術改造集成，將研究成果在深圳市長流陂水廠進行示范應用，基本建立了以預處理(高錳酸鉀、粉炭)強化混凝、石英砂過濾、加氯消毒的多級屏障嗅味物質的全流程控制技術，出廠水2-MIB濃度的控制得到了全面保障。

1 水廠概況

長流陂水廠位于沙井街道新玉路，占地面積為10.3萬m2，設計規模為35萬m3/d；分四期建設，一期為5萬m3/d，二、三、四期分別為10萬m3/d。水廠常規凈水工藝如圖1所示。

圖1 長流陂水廠示范前工藝流程圖Fig.1 Process Flow before Demonstration of Changliupi WTP

2 水質及水廠現狀分析

(1)原水水質

原水水質執行《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質標準。pH值波動大，在6.89～9.76；總磷、總氮、五日生化需氧量長期不合格；鐵、錳季節性超標；耐氯片狀菌群不間斷出現，原水微生物指標嚴峻。

(2)水源高藻所致的嗅味問題

4月—8月，水廠季節性高藻暴發，最高達1.7×108個/L，產嗅藻類帶來的嗅味問題突出。其中，優勢藻種是假魚腥藻和顫藻為代表的藍藻類[5]，約占藻類總生物量的50%～60%；屬于產嗅藻的假魚腥藻數量高達107個/L，導致近些年原水經常出現2-MIB異常增高的情況。原水中2-MIB濃度為40～60 ng/L，夏季最高可達98.82 ng/L。

(3)水廠投藥系統設施落后

完善的藥劑投加系統是保障水廠穩定運行的基礎，而長流陂水廠現狀加藥設施簡陋、布置分散，應對水質突變能力差；水廠無粉末活性炭投加系統和高錳酸鉀投加設備設施，無法有效應對季節性高藻暴發時帶來的水質問題。因此，增加優質的投藥系統，以及與現有工藝系統耦合，強化對藻類的去除，是有效應對嗅味問題的關鍵。

(4)水處理構筑物效能差

斜管沉淀池效率低，管徑為25 mm的傳統型蜂窩斜管存在過水斷面偏小、易跑礬花、斜管掛泥快、滑泥不順暢和積泥多等問題；濾池反沖洗系統老舊，沖洗強度偏低，沖洗不徹底，導致藻類易穿過濾料層進入清水池，加氯氧化藻類后，釋放嗅味物質；清水池混合效果差，現有三、四期清水池由于導流墻間距過寬(平均寬度為12.14 m)、長寬比較小(14.6)，水流速度緩慢，存在死水區和滯留區，混合效果差，需投加更多的氯化消毒劑來保障消毒效果，從而加速了清水池中殘留藻細胞破裂和嗅味物質釋放。

3 前期試驗探索

針對原水水質特點及水廠存在的嗅味問題，從活性炭吸附優選、氧化除藻以及生物降解方面進行了試驗研究，初步確定了適合水廠嗅味問題的聯合處理技術。

3.1 粉末活性炭吸附技術

(1)選擇粉末活性炭吸附去除2-MIB類嗅味物質時應考慮：①活性炭的微孔特征，以微孔孔容為主要參考的篩選指標，建議采用微孔孔容為0.2 cm3/g以上的活性炭，如表1所示；②粒徑對粉末活性炭的吸附作用也有較大的影響，粒徑越小，吸附嗅味物質效果越好，適當選擇目數較大的活性炭，建議采用250～350目的活性炭。

(2)活性炭吸附2-MIB的性能與其微孔特性(比表面積和微孔孔容)顯著正相關，與其比表面積及總孔容的相關特性不顯著，這說明有較多微孔結構的活性炭對嗅味物質具有較好的吸附性能。綜合考慮利用活性炭去除水中典型物質的效能及投加量，建議活性炭的孔容控制在0.2 cm3/g。粉末活性炭投加后的吸附時間宜控制在1～1.5 h。對2-MIB來說，可以利用其90%的吸附性能，在原水2-MIB濃度不超過100 ng/L的條件下，投加20～30 mg/L的粉末活性炭，保證出廠水2-MIB控制在閾值(10 ng/L)以下。

由圖2可知，Ct/C0表示吸附量，2-MIB在90～120 min可達到吸附平衡，GSM在30～60 min即達到吸附平衡，能夠最大程度地發揮其吸附能力。示范工程因投加條件限制，投加活性炭的吸附時間能達到1～1.5 h， 2-MIB基本能夠利用其約90%的吸附性能。

表1 活性炭吸附量與2-MIB相關性分析Tab.1 Correlation Analysis between Adsorption Capacity of Activated Carbon and 2-MIB

圖2 活性炭的吸附平衡曲線Fig.2 Adsorption Equilibrium Curve of Activated Carbon

3.2 氧化除藻技術優化

(1)以產嗅藻——假魚腥藻為試驗對象，研究KMnO4、Cl2、O3這3種氧化劑的作用效果，發現其破壞藻細胞后產生的2-MIB濃度各不相同。對Cl2來說，其破壁能力高于O3、KMnO4，3種投加量的Cl2在反應進行10 min時均已破壞，其胞外2-MIB濃度隨著反應時間的上升而上升，幾乎沒有氧化去除。對O3來說，在0.2 mg/L的低投加量時，胞內外2-MIB濃度變化不大，對藻細胞無明顯破壞；當投加量增至0.5 mg/L時，藻細胞被破壞，胞外2-MIB濃度逐漸上升，隨著反應的進行，部分2-MIB得到降解，濃度有一定的下降。但是，O3通常作為深度處理技術應用，常規工藝條件下作為預處理，從成本上來說并不合適。對于1.0 mg/L的KMnO4，藻細胞基本沒有破壞，胞外2-MIB濃度無明顯變化，只有在高投加量條件下，胞外2-MIB濃度才會出現顯著升高。因而，對產嗅藻類來說，KMnO4的氧化特性滿足適度預氧化的需要。

(2)對水廠原水進行預氧化試驗，發現與投加量為1.2 mg/L的NaClO和0.6 mg/L的ClO2相比，投加量為0.2 mg/L的KMnO4對藻細胞的去除率不高，但結合后續的混凝沉淀試驗，KMnO4對藻細胞的去除顯著提升，且無明顯藻細胞破裂現象。說明，經過適度KMnO4氧化后，可以滿足強化混凝去除產嗅藻細胞、避免嗅味物質釋放的需求。因而，KMnO4投加量基本控制在0.1～0.3 mg/L。

4 示范工程改造內容

結合水廠的水質提升需求和嗅味控制工程應用示范的要求，對水廠進行升級改造。主要核心內容為吸附去除技術和沿程非破壁除藻技術，其工藝流程為：原水-預處理(高錳酸鉀、粉炭)-機械混合池-隔板/網格反應池-斜管沉淀池-砂濾池-加氯消毒-清水池。

改造內容是預處理工藝的優化，利用KMnO4適度的預氧化作用，達到強化混凝的效果，避免藻類胞內嗅味物質的釋放；通過粉炭吸附，去除大部分胞外的嗅味物質，利用后續的沉淀混凝和過濾工藝，實現對藻細胞的截流去除；通過沉淀池及濾池系統的改造，實現反沖和排泥的優化，降低藻類及嗅味物質二次進入工藝池的風險；優化消毒投加工藝，防止后續加氯消毒過程中嗅味物質的釋放，從而實現嗅味物質的多屏障控制技術示范功能[5]。升級改造后的工藝流程如圖3所示。

圖3 改造后示范工程工藝流程Fig.3 Process Flow Chart of the Demonstration Project after Reconstruction

5 示范工程技術設計

5.1 吸附去除技術

新增1套一體化粉末活性炭投加系統，設計投加量為50 mg/L，儲存量為35 t，配藥濃度為10%，投加點設置在原水總管。試驗確定粉末活性炭投加量為20～30 mg/L，接觸時間保持在60 min以上，從而吸附去除原水中已有的嗅味物質。

5.2 沿程非破壁除藻技術

(1)替代Cl2預氧化技術：采用KMnO4替代Cl2預氧化，投加量控制在0.1～0.3 mg/L，配藥濃度為3%，減少預氧化引起的藻細胞破壁情況，從而降低細胞破碎產生的致嗅物質釋放。

(2)強化混凝沉淀技術：采用新型U型斜管代替傳統蜂窩型斜管，優化自控排泥方式，進一步強化混凝效果，提高對藻細胞的沉淀去除，同時減少沉淀池積泥引起的嗅味物質釋放。

(3)濾池反沖洗系統改造：新增反沖洗水泵2臺，流量為1 400 m3/h，H=11 m，變頻控制；羅茨鼓風機2臺，Q=100 m3/min，變頻控制，代替原有流量偏小的反沖洗水泵和鼓風機，改善濾池反沖洗效果，保持濾池良好的過濾效果，提高濾池對藻類的截流作用。

(4)清水池消毒工藝優化：改造清水池的導流墻，導流墻間距平均寬度為7.7 m。水流廊道長寬比為59.7，L/D>50，提高了消毒效果，控制氯化消毒劑的使用量，可避免藻類細胞破裂；優化NaClO投加系統，采用模糊控制算法改進常規的PID控制器，使NaClO投加自控系統穩定性更好，可精確控制NaClO的投加量，減少過度投加而加劇藻細胞破碎。

6 技術應用運行效果

(1)通過全流程非破壁除藻、粉末活性炭吸附技術的應用，嗅味物質的去除效果改善明顯，其去除率平均值為90.27%，較改造前提高了48.9%，出廠水的2-MIB濃度基本上低于5 ng/L。

由表2可知：改造前出廠水的2-MIB濃度長期超出標準(10 ng/L)；改造后穩定運行的出廠水2-MIB濃度低于5 ng/L，符合要求，表示示范工程對2-MIB起到了很好的去除效果。

表2 示范工程前后的2-MIB去除效果對比Tab.2 Comparison of 2-MIB Removal Effect before and after the Demonstration Project

(2)通過優化預氧化工藝，采用KMnO4代替Cl2預氧化工藝，藻細胞基本無破碎現象。因此，經過預處理后，2-MIB含量基本不變，KMnO4預氧化基本不會導致藻細胞2-MIB的釋放。

(3)改造斜管沉淀池和優化沉淀池排泥控制技術大大提高了除藻效果。改造前后，沉淀池除藻率提升了10.06%，出廠水總藻數下降了80.0%。

(4)本次示范工程單位制水成本為0.069 3元/m3，相比同類型水廠、同等規模的工藝，改造成本較低，表3所示。

表3 單位制水成本費用明細Tab.3 Unit Costs List of Water Production

7 結語

為控制嗅味物質2-MIB的產生，長流陂水廠通過工藝優化升級改造，以沿程降藻為核心，以活性炭吸附技術為主要手段，以不破碎藻體的除藻工藝流程為導向，從粉末活性炭選擇優化、產嗅藻強化去除、消毒工藝優化等方面著手，形成了1套多級屏障嗅味物質的全流程控制技術。采用全流程工藝強化相結合的技術方法實現了嗅味物質的控制，充分保障了水廠的供水水質安全。