高錳酸鉀-多節(jié)點(diǎn)粉末活性炭聯(lián)用技術(shù)去除致嗅物質(zhì)的優(yōu)化控制

張 冉, 葉浩宇

(合肥供水集團(tuán)有限公司, 安徽 合肥 230011)

感官性狀指標(biāo)直接影響用戶的飲水感受,帶嗅味的飲用水使飲用者產(chǎn)生不信任感和不安全感。 嗅味是由水中各種有機(jī)與無機(jī)物質(zhì)綜合作用而表現(xiàn)出來,主要由腐殖質(zhì)等有機(jī)物、藻類、放線菌和真菌以及過量投氯引起的。 目前已知的嗅味物質(zhì)有一百多種,其中二甲基異坎醇(2-MIB)和土臭素(GSM)是飲用水中最常見的兩種嗅味物質(zhì)。 2-MIB 和GSM具有強(qiáng)烈土霉味,由放射菌和藍(lán)藻等藻類大量繁殖產(chǎn)生的兩種代謝產(chǎn)物。 2-MIB 和GSM 的嗅閾濃度很低,嗅味敏感者在含量5 ng/L 左右即可聞出。

除嗅、除味一直是飲用水處理的核心問題之一,在常規(guī)水處理工藝中,通過混凝、沉淀、過濾等工藝過程對(duì)溶解性嗅味物質(zhì)去除率低,且混凝過程中的攪拌作用會(huì)讓藻細(xì)胞破裂,使嗅味物質(zhì)分散到水體中,降低了常規(guī)工藝的除嗅效果。 GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定飲用水中不得含有異臭、異味,并規(guī)定了2-MIB 和GSM 的限值分別為10 ng/L。 目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)水中2-MIB 和GSM 的去除手段主要有活性炭吸附、化學(xué)氧化、生物處理以及臭氧-活性炭、高錳酸鉀-活性炭聯(lián)用等方法。 化學(xué)氧化法容易受催化劑性質(zhì)影響,光能利用率低,催化劑回收困難;臭氧氧化、活性炭吸附運(yùn)行成本比較高;生物處理受現(xiàn)有水廠工藝局限性影響,不易推廣。

本文主要針對(duì)原水中致嗅物質(zhì)2-MIB、GSM 達(dá)到較高濃度時(shí),如何保證出廠水水質(zhì)嗅味指標(biāo)。 通過分析單因素對(duì)致嗅物質(zhì)去除效果,結(jié)合A 水廠現(xiàn)有常規(guī)處理工藝,開展水中致嗅物質(zhì)2-MIB、GSM處理生產(chǎn)性試驗(yàn),在高錳酸鉀、粉末活性炭消耗總量不變的情況下,高錳酸鉀-多節(jié)點(diǎn)粉末活性炭聯(lián)用投加技術(shù)極大地提高了水中致嗅物質(zhì)的去除率,生產(chǎn)上操控簡(jiǎn)便、易于實(shí)施,適用性強(qiáng),可在大部分水廠推廣,同時(shí)也為應(yīng)急供水工藝提供技術(shù)參考。

1 水廠現(xiàn)狀

1.1 A 水廠工藝基本情況

A 水廠采用常規(guī)處理工藝,設(shè)計(jì)制水能力為2.5×104m3/d,日供水能力約為2.0×104m3/d。 取水泵房至廠區(qū)原水管管徑DN800,管長(zhǎng)約2.5 km,以設(shè)計(jì)水量2.5×104m3/d 計(jì)算,滿管情況下原水到達(dá)廠部需要1 h。 原水經(jīng)集水塘后,由取水泵房送至廠區(qū),反應(yīng)池采用相對(duì)折板絮凝池,混合時(shí)間25 s,絮凝時(shí)間19.3 min,平流沉淀池停留時(shí)間113 min,水平流速7.9 mm/s。 該水廠采用聚合鋁鐵作為混凝劑,在靜態(tài)混合器前投加,設(shè)有2 個(gè)高錳酸鉀投加點(diǎn)、3 個(gè)粉末活性炭投加點(diǎn),分別在取水泵房、反應(yīng)池前端設(shè)有高錳酸鉀和活性炭投加點(diǎn),沉淀池末端設(shè)有應(yīng)急活性炭投加點(diǎn),該水廠工藝流程見圖1。

圖1 水廠工藝流程Fig.1 Process flow diagram of waterworks

1.2 原水水質(zhì)基本情況

A 水廠采用水庫(kù)水為水源,該水庫(kù)總庫(kù)容為1 400萬m3,原水水質(zhì)基本為Ⅲ類,整個(gè)湖面處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),4—8 月份水質(zhì)變化較大,夏季高溫時(shí)原水中2-MIB濃度最高可達(dá)200 ng/L,GSM 濃度最高可達(dá)60 ng/L,藻類含量較高,多以隱藻、針桿藻和小球藻為主,嗅味為Ⅲ級(jí),土腥味較重,原水部分指標(biāo)見表1。

表1 原水部分指標(biāo)Tab.1 Part index of raw water

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)儀器

Z4 型混凝攪拌機(jī)、DB-5MS 色譜柱、賽默飛全自動(dòng)固相微萃取-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀等。

2.2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)用水為模擬的夏季高溫時(shí)2-MIB、GSM 濃度分別為150、50 ng/L 的水庫(kù)原水。 探究常規(guī)處理工藝下單因素對(duì)2-MIB、GSM 去除效果。

2.2.1 粉末活性炭粒徑選擇

取模擬后的原水,粉末活性炭投加量為100 mg/L,探究活性炭粒徑分別為0.15 ～0.18 mm、0.10 ～0.15 mm、0.075～0.10 mm、0.044～0.075 mm 時(shí),在轉(zhuǎn)速120 r/min、吸附時(shí)間120 min 的條件下對(duì)2-MIB、GSM 的去除效果,見圖2。 由圖2 可知,粉末活性炭粒徑大小與2-MIB、GSM 去除率成負(fù)相關(guān),活性炭顆粒粒徑越小對(duì)2-MIB、GSM 的吸附效果越好。

圖2 粒徑對(duì)2-MIB、GSM 的影響Fig.2 The effect of particle size on 2-MIB and GSM

2.2.2 粉末活性炭投加量選擇

取粒徑為0.044 ～0.075 mm 的粉末活性炭,轉(zhuǎn)速120 r/min,投加量分別為5、10、25、50、75、100 mg/L,吸附時(shí)間120 min,對(duì)2-MIB、GSM 的去除效果見圖3。 由圖3 可知,粉末活性炭投加量多少與2-MIB、GSM 去除率成正相關(guān),投加量越多二者吸附效果越好。

圖3 投量對(duì)2-MIB、GSM 的影響Fig.3 The impact of investment on 2-MIB and GSM

2.2.3 粉末活性炭吸附時(shí)間選擇

取粒徑為0.044～0.075 mm 的粉末活性炭,投加量為100 mg/L,轉(zhuǎn)速120 r/min,吸附時(shí)間分別為20、40、60、80、100、120 min,對(duì)2-MIB、GSM 的去除效果見圖4。由圖4 可知,粉末活性炭可以快速吸附GSM,去除率在98%以上,粉末活性炭對(duì)2-MIB 的吸附量隨著吸附時(shí)間的增加而增加。

圖4 吸附時(shí)間對(duì)2-MIB、GSM 的影響Fig.4 The effect of adsorption time on 2-MIB and GSM

2.2.4 高錳酸鉀投加量選擇

取模擬后的原水,分別投加0.4、0.7、1.0、1.3、1.6、2.0 mg/L 高錳酸鉀,模擬生產(chǎn)工藝進(jìn)行攪拌試驗(yàn),對(duì)2-MIB、GSM 的去除效果見圖5。 由圖5 可知,隨著高錳酸鉀投加量的增加,GSM 基本沒有去除,投加量為1.0 mg/L 時(shí),2-MIB 的去除率達(dá)到90%以上,當(dāng)再次增加高錳酸鉀投加量,去除率幾乎不變。

圖5 高錳酸鉀投加量對(duì)2-MIB、GSM 的影響Fig.5 The effect of potassium permanganate dosage on 2-MIB and GSM

3 生產(chǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果及分析

隨著氣溫的升高,致嗅物質(zhì)2-MIB 和GSM 的風(fēng)險(xiǎn)頻發(fā)。 為保證出廠水濁度＜0.30 NTU,色度＜5,嗅味0級(jí),2-MIB、GSM 控制在標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi),A 水廠采取相關(guān)措施進(jìn)行控制。

3.1 單獨(dú)投加粉末活性炭

取水頭部按照120 kg/kt 水的投加量,投加粒徑為0.044～0.075 mm,吸附時(shí)間約40 min,對(duì)該水廠原水2-MIB、GSM 含量進(jìn)行分析。 結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果,理論上基本可以去除水中致嗅物質(zhì),但經(jīng)過連續(xù)幾日實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),沉淀池出口水2-MIB 的去除率只有20%～35%左右,去除效果不理想,但GSM 的去除率達(dá)到75%以上,結(jié)果見圖6。 實(shí)際生產(chǎn)過程中2-MIB 去除效果不理想,主要原因是活性炭吸附時(shí)間不夠,反應(yīng)時(shí)間短,另外由于工藝條件受限,導(dǎo)致大部分活性炭的吸附?jīng)]有達(dá)到飽和。

圖6 單獨(dú)投加粉末活性炭出口水2-MIB、GSM 去除率Fig.6 Separate addition of powdered activated carbon outlet water with 2-MIB and GSM removal rate

3.2 高錳酸鉀-粉末性活性炭聯(lián)用投加

連續(xù)幾日單獨(dú)投加粉末活性炭去除致嗅物質(zhì)效果不理想,因此采用高錳酸鉀-粉末活性炭聯(lián)用投加技術(shù)去除水中致嗅物質(zhì),在取水頭部按照高錳酸鉀1.0 kg/kt、粉末活性炭100 kg/kt 的投加量,通過連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)沉淀池出口水2-MIB、GSM 的去除率穩(wěn)定在70%以上,見圖7。 結(jié)果表明通過在取水頭部投加高錳酸鉀和活性炭,利用高錳酸鉀的強(qiáng)氧化能力,使水體中的有機(jī)物在活性炭表面發(fā)生氧化聚合,既提高活性炭的吸附能力,同時(shí)活性炭吸附部分反應(yīng)中間產(chǎn)物,還原水中殘留的高錳酸鉀,從而提高2-MIB、GSM 的去除效率。 高錳酸鉀與一定孔徑的粉末活性炭具有協(xié)同作用：一方面,高錳酸鉀通過強(qiáng)氧化性質(zhì)使水中的大分子嗅味物質(zhì)氧化成小分子有機(jī)物,從而便于活性炭吸附;另一方面,高錳酸鉀的還原產(chǎn)物二氧化錳自身也可以吸附有機(jī)物進(jìn)而發(fā)生聚沉,達(dá)到去除嗅味物質(zhì)的效果。

圖7 聯(lián)用投加出口水2-MIB、GSM 去除率Fig.7 Combined dosing outlet water 2-MIB and GSM removal rate

3.3 高錳酸鉀-多節(jié)點(diǎn)粉末活性炭聯(lián)用投加

為了進(jìn)一步研究水中致嗅物質(zhì)去除效果,采用高錳酸鉀-多節(jié)點(diǎn)粉末活性炭聯(lián)用投加技術(shù),在取水泵房處預(yù)加高錳酸鉀,利用水體紊流在原水集水塘內(nèi)投加一定量粉末活性炭,降低進(jìn)廠原水致嗅物質(zhì)2-MIB、GSM 的濃度,再在反應(yīng)池前端投加活性炭,緊急情況時(shí)在沉淀池末端指形鋼槽內(nèi)應(yīng)急投加少量的粉末活性炭。

根據(jù)A 水廠制水量和工藝構(gòu)筑物的尺寸、水位,計(jì)算各構(gòu)筑物的水力停留時(shí)間,在保持粉末活性炭投加總量不變的前提下,在取水頭部、反應(yīng)池、沉淀池末端按照4 ∶3 ∶1 多節(jié)點(diǎn)投加粉末活性炭,同時(shí)在取水頭部投加高錳酸鉀。 經(jīng)檢測(cè),進(jìn)廠原水中致嗅物質(zhì)含量下降50%左右,反應(yīng)池采用活性炭吸附后,沉淀池出水致嗅物質(zhì)濃度又有下降,去除率達(dá)到80%以上,通過砂濾池后,最終出廠水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。 多節(jié)點(diǎn)投加濾后水2-MIB、GSM 去除率見圖8。 在粉末活性炭投加總量與前期相同的前提下,采用高錳酸鉀-多節(jié)點(diǎn)粉末活性炭聯(lián)用投加技術(shù),有效地提高了2-MIB和GSM 的去除率,出廠水去除率可達(dá)85%以上。

圖8 多節(jié)點(diǎn)投加濾后水2-MIB、GSM 去除率Fig.8 Removal rate of 2-MIB and GSM in water after adding filtration at multiple nodes

高錳酸鉀-多節(jié)點(diǎn)粉末活性炭聯(lián)用投加技術(shù)通過在原水頭部利用高錳酸鉀強(qiáng)氧化能力,將原水中的部分致嗅物質(zhì)快速氧化并被粉末活性炭吸附,降低進(jìn)廠原水中致嗅物質(zhì)含量,提高反應(yīng)池活性炭最大吸附能力,保證沉淀池出口水中的致嗅物質(zhì)能被投加的活性炭完全吸附,使濾后水中2-MIB、GSM含量符合GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的限值要求,從而保證出廠水水質(zhì)。

在應(yīng)急處置期間,由于活性炭投加量較大,在沉淀池底和濾池截留大量活性炭,為保證出口水水質(zhì)和濾池運(yùn)行效率,需提高沉淀池排泥機(jī)排泥頻率和濾池反沖洗次數(shù)。 在沉淀池末端指形鋼槽內(nèi)投加活性炭會(huì)造成濾池表面活性碳積聚,但不會(huì)影響出水水質(zhì)。

4 結(jié)論

① 高錳酸鉀-多節(jié)點(diǎn)粉末活性炭聯(lián)用投加技術(shù)對(duì)2-MIB 有良好的去除效果,沉淀池出口水中2-MIB 的最高去除率可達(dá)88.5%,出廠水中的2-MIB、GSM 濃度符合GB 5749—2022 標(biāo)準(zhǔn)限值要求。當(dāng)原水中2-MIB、GSM 含量不高時(shí),根據(jù)工藝適當(dāng)調(diào)整高錳酸鉀、粉末活性炭的投加量。

② 采用高錳酸鉀-多節(jié)點(diǎn)粉末活性炭聯(lián)用投加技術(shù)去除水中高濃度致嗅物質(zhì)時(shí),需投加大量粉末活性炭,為防止沉淀池中活性炭和二氧化錳的富集,避免濾砂中截留的活性炭穿透砂層進(jìn)入清水池,應(yīng)增加沉淀池排泥頻次和砂濾池的反沖洗頻次,將沉淀池和濾池及時(shí)沖洗干凈。

③ 采用高錳酸鉀-多節(jié)點(diǎn)粉末活性炭聯(lián)用投加技術(shù)去除水中致嗅物質(zhì),操控簡(jiǎn)便,易于實(shí)施,適用性強(qiáng),可在大部分水廠推廣,同時(shí)也為應(yīng)急供水工藝提供技術(shù)參考。