高錳酸鉀-多節點粉末活性炭聯用技術去除致嗅物質的優化控制

張 冉, 葉浩宇

(合肥供水集團有限公司, 安徽 合肥 230011)

感官性狀指標直接影響用戶的飲水感受,帶嗅味的飲用水使飲用者產生不信任感和不安全感。 嗅味是由水中各種有機與無機物質綜合作用而表現出來,主要由腐殖質等有機物、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。 2-MIB 和GSM具有強烈土霉味,由放射菌和藍藻等藻類大量繁殖產生的兩種代謝產物。 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,在常規水處理工藝中,通過混凝、沉淀、過濾等工藝過程對溶解性嗅味物質去除率低,且混凝過程中的攪拌作用會讓藻細胞破裂,使嗅味物質分散到水體中,降低了常規工藝的除嗅效果。 GB 5749—2022《生活飲用水衛生標準》規定飲用水中不得含有異臭、異味,并規定了2-MIB 和GSM 的限值分別為10 ng/L。 目前,國內針對水中2-MIB 和GSM 的去除手段主要有活性炭吸附、化學氧化、生物處理以及臭氧-活性炭、高錳酸鉀-活性炭聯用等方法。 化學氧化法容易受催化劑性質影響,光能利用率低,催化劑回收困難;臭氧氧化、活性炭吸附運行成本比較高;生物處理受現有水廠工藝局限性影響,不易推廣。

本文主要針對原水中致嗅物質2-MIB、GSM 達到較高濃度時,如何保證出廠水水質嗅味指標。 通過分析單因素對致嗅物質去除效果,結合A 水廠現有常規處理工藝,開展水中致嗅物質2-MIB、GSM處理生產性試驗,在高錳酸鉀、粉末活性炭消耗總量不變的情況下,高錳酸鉀-多節點粉末活性炭聯用投加技術極大地提高了水中致嗅物質的去除率,生產上操控簡便、易于實施,適用性強,可在大部分水廠推廣,同時也為應急供水工藝提供技術參考。

1 水廠現狀

1.1 A 水廠工藝基本情況

A 水廠采用常規處理工藝,設計制水能力為2.5×104m3/d,日供水能力約為2.0×104m3/d。 取水泵房至廠區原水管管徑DN800,管長約2.5 km,以設計水量2.5×104m3/d 計算,滿管情況下原水到達廠部需要1 h。 原水經集水塘后,由取水泵房送至廠區,反應池采用相對折板絮凝池,混合時間25 s,絮凝時間19.3 min,平流沉淀池停留時間113 min,水平流速7.9 mm/s。 該水廠采用聚合鋁鐵作為混凝劑,在靜態混合器前投加,設有2 個高錳酸鉀投加點、3 個粉末活性炭投加點,分別在取水泵房、反應池前端設有高錳酸鉀和活性炭投加點,沉淀池末端設有應急活性炭投加點,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 原水水質基本情況

A 水廠采用水庫水為水源,該水庫總庫容為1 400萬m3,原水水質基本為Ⅲ類,整個湖面處于中營養狀態,4—8 月份水質變化較大,夏季高溫時原水中2-MIB濃度最高可達200 ng/L,GSM 濃度最高可達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,土腥味較重,原水部分指標見表1。

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

2 試驗部分

2.1 試驗儀器

Z4 型混凝攪拌機、DB-5MS 色譜柱、賽默飛全自動固相微萃取-氣相色譜/質譜聯用儀等。

2.2 試驗研究

試驗用水為模擬的夏季高溫時2-MIB、GSM 濃度分別為150、50 ng/L 的水庫原水。 探究常規處理工藝下單因素對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,在轉速120 r/min、吸附時間120 min 的條件下對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 去除率成負相關,活性炭顆粒粒徑越小對2-MIB、GSM 的吸附效果越好。

圖2 粒徑對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,轉速120 r/min,投加量分別為5、10、25、50、75、100 mg/L,吸附時間120 min,對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,投加量越多二者吸附效果越好。

圖3 投量對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,轉速120 r/min,吸附時間分別為20、40、60、80、100、120 min,對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2-MIB 的吸附量隨著吸附時間的增加而增加。

圖4 吸附時間對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,模擬生產工藝進行攪拌試驗,對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,2-MIB 的去除率達到90%以上,當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2-MIB、GSM 的影響Fig.5 The effect of potassium permanganate dosage on 2-MIB and GSM

3 生產驗證試驗結果及分析

隨著氣溫的升高,致嗅物質2-MIB 和GSM 的風險頻發。 為保證出廠水濁度＜0.30 NTU,色度＜5,嗅味0級,2-MIB、GSM 控制在標準限值以內,A 水廠采取相關措施進行控制。

3.1 單獨投加粉末活性炭

取水頭部按照120 kg/kt 水的投加量,投加粒徑為0.044～0.075 mm,吸附時間約40 min,對該水廠原水2-MIB、GSM 含量進行分析。 結合前期試驗結果,理論上基本可以去除水中致嗅物質,但經過連續幾日實際監測發現,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 的去除率達到75%以上,結果見圖6。 實際生產過程中2-MIB 去除效果不理想,主要原因是活性炭吸附時間不夠,反應時間短,另外由于工藝條件受限,導致大部分活性炭的吸附沒有達到飽和。

圖6 單獨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-粉末性活性炭聯用投加

連續幾日單獨投加粉末活性炭去除致嗅物質效果不理想,因此采用高錳酸鉀-粉末活性炭聯用投加技術去除水中致嗅物質,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,通過連續監測發現沉淀池出口水2-MIB、GSM 的去除率穩定在70%以上,見圖7。 結果表明通過在取水頭部投加高錳酸鉀和活性炭,利用高錳酸鉀的強氧化能力,使水體中的有機物在活性炭表面發生氧化聚合,既提高活性炭的吸附能力,同時活性炭吸附部分反應中間產物,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同作用：一方面,高錳酸鉀通過強氧化性質使水中的大分子嗅味物質氧化成小分子有機物,從而便于活性炭吸附;另一方面,高錳酸鉀的還原產物二氧化錳自身也可以吸附有機物進而發生聚沉,達到去除嗅味物質的效果。

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

3.3 高錳酸鉀-多節點粉末活性炭聯用投加

為了進一步研究水中致嗅物質去除效果,采用高錳酸鉀-多節點粉末活性炭聯用投加技術,在取水泵房處預加高錳酸鉀,利用水體紊流在原水集水塘內投加一定量粉末活性炭,降低進廠原水致嗅物質2-MIB、GSM 的濃度,再在反應池前端投加活性炭,緊急情況時在沉淀池末端指形鋼槽內應急投加少量的粉末活性炭。

根據A 水廠制水量和工藝構筑物的尺寸、水位,計算各構筑物的水力停留時間,在保持粉末活性炭投加總量不變的前提下,在取水頭部、反應池、沉淀池末端按照4 ∶3 ∶1 多節點投加粉末活性炭,同時在取水頭部投加高錳酸鉀。 經檢測,進廠原水中致嗅物質含量下降50%左右,反應池采用活性炭吸附后,沉淀池出水致嗅物質濃度又有下降,去除率達到80%以上,通過砂濾池后,最終出廠水水質達標。 多節點投加濾后水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-多節點粉末活性炭聯用投加技術,有效地提高了2-MIB和GSM 的去除率,出廠水去除率可達85%以上。

圖8 多節點投加濾后水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-多節點粉末活性炭聯用投加技術通過在原水頭部利用高錳酸鉀強氧化能力,將原水中的部分致嗅物質快速氧化并被粉末活性炭吸附,降低進廠原水中致嗅物質含量,提高反應池活性炭最大吸附能力,保證沉淀池出口水中的致嗅物質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《生活飲用水衛生標準》的限值要求,從而保證出廠水水質。

在應急處置期間,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,為保證出口水水質和濾池運行效率,需提高沉淀池排泥機排泥頻率和濾池反沖洗次數。 在沉淀池末端指形鋼槽內投加活性炭會造成濾池表面活性碳積聚,但不會影響出水水質。

4 結論

① 高錳酸鉀-多節點粉末活性炭聯用投加技術對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88.5%,出廠水中的2-MIB、GSM 濃度符合GB 5749—2022 標準限值要求。當原水中2-MIB、GSM 含量不高時,根據工藝適當調整高錳酸鉀、粉末活性炭的投加量。

② 采用高錳酸鉀-多節點粉末活性炭聯用投加技術去除水中高濃度致嗅物質時,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入清水池,應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沖洗干凈。

③ 采用高錳酸鉀-多節點粉末活性炭聯用投加技術去除水中致嗅物質,操控簡便,易于實施,適用性強,可在大部分水廠推廣,同時也為應急供水工藝提供技術參考。