深圳市某水廠嗅味物質全流程控制技術應用

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。

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 Water Treatment Plant (WTP)

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。

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。

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。

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。

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。

（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）由表1可知，r代表曲線斜率，p代表曲線x=0時y值。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。

圖2 活性炭的吸附平衡曲線

Fig 2 Adsorption Equilibrium Curve of Activated Carbon

（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。

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。

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。

（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1400 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。

（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。

（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0.0693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。