深圳市某水廠嗅味物質(zhì)全流程控制技術(shù)應(yīng)用

深圳市某水廠嗅味物質(zhì)全流程控制技術(shù)應(yīng)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(wù)集團(tuán)有限公司，廣東深圳，518001)

嗅味作為水質(zhì)的物理感官性狀，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害飲用水的質(zhì)量，直接影響水的可飲性^[1]，用戶飲用后可能會(huì)出現(xiàn)惡心、腹瀉等不良癥狀。人們要求解決飲用水中嗅味問(wèn)題的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈^[2]。

水源水的嗅味問(wèn)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(dāng)前，我國(guó)自來(lái)水廠多采用常規(guī)處理工藝（混凝→沉淀→過(guò)濾→消毒），對(duì)嗅味物質(zhì)的去除效果有限^[4]。因此，探索通過(guò)常規(guī)工藝優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)嗅味物質(zhì)有效控制的技術(shù)措施，是極其重要和緊迫的。

本文以2-MIB為主要控制目標(biāo)，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(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)工藝優(yōu)化和技術(shù)改造集成，將研究成果在深圳市長(zhǎng)流陂水廠進(jìn)行示范應(yīng)用，基本建立了以預(yù)處理（高錳酸鉀、粉炭）強(qiáng)化混凝、石英砂過(guò)濾、加氯消毒的多級(jí)屏障嗅味物質(zhì)的全流程控制技術(shù)，出廠水2-MIB濃度的控制得到了全面保障。

長(zhǎng)流陂水廠位于沙井街道新玉路，占地面積為10.3萬(wàn)m²，設(shè)計(jì)規(guī)模為35萬(wàn)m³/d；分四期建設(shè)，一期為5萬(wàn)m³/d，二、三、四期分別為10萬(wàn)m³/d。水廠常規(guī)凈水工藝如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)流陂水廠示范前工藝流程圖

Fig.1 Process Flow before Demonstration of Changliupi Water Treatment Plant (WTP)

原水水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。pH值波動(dòng)大，在6.89~9.76；總磷、總氮、五日生化需氧量長(zhǎng)期不合格；鐵、錳季節(jié)性超標(biāo)；耐氯片狀菌群不間斷出現(xiàn)，原水微生物指標(biāo)嚴(yán)峻。

4月-8月，水廠季節(jié)性高藻暴發(fā)，最高達(dá)1.7×10⁸個(gè)/L，產(chǎn)嗅藻類帶來(lái)的嗅味問(wèn)題突出。其中，優(yōu)勢(shì)藻種是假魚腥藻和顫藻為代表的藍(lán)藻類^[5]，約占藻類總生物量的50%～60%；屬于產(chǎn)嗅藻的假魚腥藻數(shù)量高達(dá)10⁷個(gè)/L，導(dǎo)致近些年原水經(jīng)常出現(xiàn)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(dá)98.82 ng/L。

完善的藥劑投加系統(tǒng)是保障水廠穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，而長(zhǎng)流陂水廠現(xiàn)狀加藥設(shè)施簡(jiǎn)陋、布置分散，應(yīng)對(duì)水質(zhì)突變能力差；水廠無(wú)粉末活性炭投加系統(tǒng)和高錳酸鉀投加設(shè)備設(shè)施，無(wú)法有效應(yīng)對(duì)季節(jié)性高藻暴發(fā)時(shí)帶來(lái)的水質(zhì)問(wèn)題。因此，增加優(yōu)質(zhì)的投藥系統(tǒng)，以及與現(xiàn)有工藝系統(tǒng)耦合，強(qiáng)化對(duì)藻類的去除，是有效應(yīng)對(duì)嗅味問(wèn)題的關(guān)鍵。

斜管沉淀池效率低，管徑為25 mm的傳統(tǒng)型蜂窩斜管存在過(guò)水?dāng)嗝嫫?、易跑礬花、斜管掛泥快、滑泥不順暢和積泥多等問(wèn)題；濾池反沖洗系統(tǒng)老舊，沖洗強(qiáng)度偏低，沖洗不徹底，導(dǎo)致藻類易穿過(guò)濾料層進(jìn)入清水池，加氯氧化藻類后，釋放嗅味物質(zhì)；清水池混合效果差，現(xiàn)有三、四期清水池由于導(dǎo)流墻間距過(guò)寬（平均寬度為12.14 m）、長(zhǎng)寬比較?。?4.6），水流速度緩慢，存在死水區(qū)和滯留區(qū)，混合效果差，需投加更多的氯化消毒劑來(lái)保障消毒效果，從而加速了清水池中殘留藻細(xì)胞破裂和嗅味物質(zhì)釋放。

針對(duì)原水水質(zhì)特點(diǎn)及水廠存在的嗅味問(wèn)題，從活性炭吸附優(yōu)選、氧化除藻以及生物降解方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，初步確定了適合水廠嗅味問(wèn)題的聯(lián)合處理技術(shù)。

（1）選擇粉末活性炭吸附去除2-MIB類嗅味物質(zhì)時(shí)應(yīng)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(biāo)，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(duì)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(zhì)效果越好，適當(dāng)選擇目數(shù)較大的活性炭，建議采用250~350目的活性炭。

（2）由表1可知，r代表曲線斜率，p代表曲線x=0時(shí)y值?；钚蕴课?-MIB的性能與其微孔特性（比表面積和微孔孔容）顯著正相關(guān)，與其比表面積及總孔容的相關(guān)特性不顯著，這說(shuō)明有較多微孔結(jié)構(gòu)的活性炭對(duì)嗅味物質(zhì)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(zhì)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(shí)間宜控制在1～1.5 h。對(duì)2-MIB來(lái)說(shuō)，可以利用其90%的吸附性能，在原水2-MIB濃度不超過(guò)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。

圖2 活性炭的吸附平衡曲線

Fig 2 Adsorption Equilibrium Curve of Activated Carbon

（1）以產(chǎn)嗅藻——假魚腥藻為試驗(yàn)對(duì)象，研究KMnO₄、Cl₂、O₃這3種氧化劑的作用效果，發(fā)現(xiàn)其破壞藻細(xì)胞后產(chǎn)生的2-MIB濃度各不相同。對(duì)Cl₂來(lái)說(shuō)，其破壁能力高于O₃、KMnO₄，3種投加量的Cl₂在反應(yīng)進(jìn)行10 min時(shí)均已破壞，其胞外2-MIB濃度隨著反應(yīng)時(shí)間的上升而上升，幾乎沒(méi)有氧化去除。對(duì)O₃來(lái)說(shuō)，在0.2 mg/L的低投加量時(shí)，胞內(nèi)外2-MIB濃度變化不大，對(duì)藻細(xì)胞無(wú)明顯破壞；當(dāng)投加量增至0.5 mg/L時(shí)，藻細(xì)胞被破壞，胞外2-MIB濃度逐漸上升，隨著反應(yīng)的進(jìn)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(shù)應(yīng)用，常規(guī)工藝條件下作為預(yù)處理，從成本上來(lái)說(shuō)并不合適。對(duì)于1.0 mg/L的KMnO₄，藻細(xì)胞基本沒(méi)有破壞，胞外2-MIB濃度無(wú)明顯變化，只有在高投加量條件下，胞外2-MIB濃度才會(huì)出現(xiàn)顯著升高。因而，對(duì)產(chǎn)嗅藻類來(lái)說(shuō)，KMnO₄的氧化特性滿足適度預(yù)氧化的需要。

結(jié)合水廠的水質(zhì)提升需求和嗅味控制工程應(yīng)用示范的要求，對(duì)水廠進(jìn)行升級(jí)改造。主要核心內(nèi)容為吸附去除技術(shù)和沿程非破壁除藻技術(shù)，其工藝流程為：原水-預(yù)處理（高錳酸鉀、粉炭）-機(jī)械混合池-隔板/網(wǎng)格反應(yīng)池-斜管沉淀池-砂濾池-加氯消毒-清水池。

改造內(nèi)容是預(yù)處理工藝的優(yōu)化，利用KMnO₄適度的預(yù)氧化作用，達(dá)到強(qiáng)化混凝的效果，避免藻類胞內(nèi)嗅味物質(zhì)的釋放；通過(guò)粉炭吸附，去除大部分胞外的嗅味物質(zhì)，利用后續(xù)的沉淀混凝和過(guò)濾工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)藻細(xì)胞的截流去除；通過(guò)沉淀池及濾池系統(tǒng)的改造，實(shí)現(xiàn)反沖和排泥的優(yōu)化，降低藻類及嗅味物質(zhì)二次進(jìn)入工藝池的風(fēng)險(xiǎn)；優(yōu)化消毒投加工藝，防止后續(xù)加氯消毒過(guò)程中嗅味物質(zhì)的釋放，從而實(shí)現(xiàn)嗅味物質(zhì)的多屏障控制技術(shù)示范功能^[5]。升級(jí)改造后的工藝流程如圖3所示。

新增1套一體化粉末活性炭投加系統(tǒng)，設(shè)計(jì)投加量為50 mg/L，儲(chǔ)存量為35 t，配藥濃度為10%，投加點(diǎn)設(shè)置在原水總管。試驗(yàn)確定粉末活性炭投加量為20~30 mg/L，接觸時(shí)間保持在60 min以上，從而吸附去除原水中已有的嗅味物質(zhì)。

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

（2）強(qiáng)化混凝沉淀技術(shù)：采用新型U型斜管代替?zhèn)鹘y(tǒng)蜂窩型斜管，優(yōu)化自控排泥方式，進(jìn)一步強(qiáng)化混凝效果，提高對(duì)藻細(xì)胞的沉淀去除，同時(shí)減少沉淀池積泥引起的嗅味物質(zhì)釋放。

（3）濾池反沖洗系統(tǒng)改造：新增反沖洗水泵2臺(tái)，流量為1400 m³/h，H=11 m，變頻控制；羅茨鼓風(fēng)機(jī)2臺(tái)，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(fēng)機(jī)，改善濾池反沖洗效果，保持濾池良好的過(guò)濾效果，提高濾池對(duì)藻類的截流作用。

（4）清水池消毒工藝優(yōu)化：改造清水池的導(dǎo)流墻，導(dǎo)流墻間距平均寬度為7.7 m。水流廊道長(zhǎng)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(xì)胞破裂；優(yōu)化NaClO投加系統(tǒng)，采用模糊控制算法改進(jìn)常規(guī)的PID控制器，使NaClO投加自控系統(tǒng)穩(wěn)定性更好，可精確控制NaClO的投加量，減少過(guò)度投加而加劇藻細(xì)胞破碎。

（1）通過(guò)全流程非破壁除藻、粉末活性炭吸附技術(shù)的應(yīng)用，嗅味物質(zhì)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(zhǎng)期超出標(biāo)準(zhǔn)（10 ng/L）；改造后穩(wěn)定運(yùn)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(duì)2-MIB起到了很好的去除效果。

（2）通過(guò)優(yōu)化預(yù)氧化工藝，采用KMnO₄代替Cl₂預(yù)氧化工藝，藻細(xì)胞基本無(wú)破碎現(xiàn)象。因此，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，2-MIB含量基本不變，KMnO₄預(yù)氧化基本不會(huì)導(dǎo)致藻細(xì)胞2-MIB的釋放。

（3）改造斜管沉淀池和優(yōu)化沉淀池排泥控制技術(shù)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(shù)下降了80.0%。

（4）本次示范工程單位制水成本為0.0693元/m³，相比同類型水廠、同等規(guī)模的工藝，改造成本較低，表3所示。