深圳市某水厂嗅味物质全流程控制技术应用

深圳市某水厂嗅味物质全流程控制技术应用

黄孟斌，邵志昌，杨颂，张伟德，杨峰，武洋

(深圳市深水宝安水务集团有限公司，广东深圳，518001)

嗅味作为水质的物理感官性状，会严重损害饮用水的质量，直接影响水的可饮性^[1]，用户饮用后可能会出现恶心、腹泻等不良症状。人们要求解决饮用水中嗅味问题的呼声越来越强烈^[2]。

水源水的嗅味问题主要由水中的藻类代谢物包括2-甲基异莰醇（2-MIB）引起^[3]。当前，我国自来水厂多采用常规处理工艺（混凝→沉淀→过滤→消毒），对嗅味物质的去除效果有限^[4]。因此，探索通过常规工艺优化以实现嗅味物质有效控制的技术措施，是极其重要和紧迫的。

本文以2-MIB为主要控制目标，研究水厂粉末活性炭吸附去除工艺、沿程非破壁除藻方法的关键技术，通过工艺优化和技术改造集成，将研究成果在深圳市长流陂水厂进行示范应用，基本建立了以预处理（高锰酸钾、粉炭）强化混凝、石英砂过滤、加氯消毒的多级屏障嗅味物质的全流程控制技术，出厂水2-MIB浓度的控制得到了全面保障。

长流陂水厂位于沙井街道新玉路，占地面积为10.3万m²，设计规模为35万m³/d；分四期建设，一期为5万m³/d，二、三、四期分别为10万m³/d。水厂常规净水工艺如图1所示。

图1 长流陂水厂示范前工艺流程图

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

原水水质执行《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水质标准。pH值波动大，在6.89~9.76；总磷、总氮、五日生化需氧量长期不合格；铁、锰季节性超标；耐氯片状菌群不间断出现，原水微生物指标严峻。

4月-8月，水厂季节性高藻暴发，最高达1.7×10⁸个/L，产嗅藻类带来的嗅味问题突出。其中，优势藻种是假鱼腥藻和颤藻为代表的蓝藻类^[5]，约占藻类总生物量的50%～60%；属于产嗅藻的假鱼腥藻数量高达10⁷个/L，导致近些年原水经常出现2-MIB异常增高的情况。原水中2-MIB浓度为40～60 ng/L，夏季最高可达98.82 ng/L。

完善的药剂投加系统是保障水厂稳定运行的基础，而长流陂水厂现状加药设施简陋、布置分散，应对水质突变能力差；水厂无粉末活性炭投加系统和高锰酸钾投加设备设施，无法有效应对季节性高藻暴发时带来的水质问题。因此，增加优质的投药系统，以及与现有工艺系统耦合，强化对藻类的去除，是有效应对嗅味问题的关键。

斜管沉淀池效率低，管径为25 mm的传统型蜂窝斜管存在过水断面偏小、易跑矾花、斜管挂泥快、滑泥不顺畅和积泥多等问题；滤池反冲洗系统老旧，冲洗强度偏低，冲洗不彻底，导致藻类易穿过滤料层进入清水池，加氯氧化藻类后，释放嗅味物质；清水池混合效果差，现有三、四期清水池由于导流墙间距过宽（平均宽度为12.14 m）、长宽比较小（14.6），水流速度缓慢，存在死水区和滞留区，混合效果差，需投加更多的氯化消毒剂来保障消毒效果，从而加速了清水池中残留藻细胞破裂和嗅味物质释放。

针对原水水质特点及水厂存在的嗅味问题，从活性炭吸附优选、氧化除藻以及生物降解方面进行了试验研究，初步确定了适合水厂嗅味问题的联合处理技术。

（1）选择粉末活性炭吸附去除2-MIB类嗅味物质时应考虑：①活性炭的微孔特征，以微孔孔容为主要参考的筛选指标，建议采用微孔孔容为0.2 cm³/g以上的活性炭，如表1所示；②粒径对粉末活性炭的吸附作用也有较大的影响，粒径越小，吸附嗅味物质效果越好，适当选择目数较大的活性炭，建议采用250~350目的活性炭。

（2）由表1可知，r代表曲线斜率，p代表曲线x=0时y值。活性炭吸附2-MIB的性能与其微孔特性（比表面积和微孔孔容）显著正相关，与其比表面积及总孔容的相关特性不显著，这说明有较多微孔结构的活性炭对嗅味物质具有较好的吸附性能。综合考虑利用活性炭去除水中典型物质的效能及投加量，建议活性炭的孔容控制在0.2 cm³/g。粉末活性炭投加后的吸附时间宜控制在1～1.5 h。对2-MIB来说，可以利用其90%的吸附性能，在原水2-MIB浓度不超过100 ng/L的条件下，投加20～30 mg/L的粉末活性炭，保证出厂水2-MIB控制在阈值（10 ng/L）以下。

图2 活性炭的吸附平衡曲线

Fig 2 Adsorption Equilibrium Curve of Activated Carbon

（1）以产嗅藻——假鱼腥藻为试验对象，研究KMnO₄、Cl₂、O₃这3种氧化剂的作用效果，发现其破坏藻细胞后产生的2-MIB浓度各不相同。对Cl₂来说，其破壁能力高于O₃、KMnO₄，3种投加量的Cl₂在反应进行10 min时均已破坏，其胞外2-MIB浓度随着反应时间的上升而上升，几乎没有氧化去除。对O₃来说，在0.2 mg/L的低投加量时，胞内外2-MIB浓度变化不大，对藻细胞无明显破坏；当投加量增至0.5 mg/L时，藻细胞被破坏，胞外2-MIB浓度逐渐上升，随着反应的进行，部分2-MIB得到降解，浓度有一定的下降。但是，O₃通常作为深度处理技术应用，常规工艺条件下作为预处理，从成本上来说并不合适。对于1.0 mg/L的KMnO₄，藻细胞基本没有破坏，胞外2-MIB浓度无明显变化，只有在高投加量条件下，胞外2-MIB浓度才会出现显著升高。因而，对产嗅藻类来说，KMnO₄的氧化特性满足适度预氧化的需要。

结合水厂的水质提升需求和嗅味控制工程应用示范的要求，对水厂进行升级改造。主要核心内容为吸附去除技术和沿程非破壁除藻技术，其工艺流程为：原水-预处理（高锰酸钾、粉炭）-机械混合池-隔板/网格反应池-斜管沉淀池-砂滤池-加氯消毒-清水池。

改造内容是预处理工艺的优化，利用KMnO₄适度的预氧化作用，达到强化混凝的效果，避免藻类胞内嗅味物质的释放；通过粉炭吸附，去除大部分胞外的嗅味物质，利用后续的沉淀混凝和过滤工艺，实现对藻细胞的截流去除；通过沉淀池及滤池系统的改造，实现反冲和排泥的优化，降低藻类及嗅味物质二次进入工艺池的风险；优化消毒投加工艺，防止后续加氯消毒过程中嗅味物质的释放，从而实现嗅味物质的多屏障控制技术示范功能^[5]。升级改造后的工艺流程如图3所示。

新增1套一体化粉末活性炭投加系统，设计投加量为50 mg/L，储存量为35 t，配药浓度为10%，投加点设置在原水总管。试验确定粉末活性炭投加量为20~30 mg/L，接触时间保持在60 min以上，从而吸附去除原水中已有的嗅味物质。

（1）替代Cl₂预氧化技术：采用KMnO₄替代Cl₂预氧化，投加量控制在0.1~0.3 mg/L，配药浓度为3%，减少预氧化引起的藻细胞破壁情况，从而降低细胞破碎产生的致嗅物质释放。

（2）强化混凝沉淀技术：采用新型U型斜管代替传统蜂窝型斜管，优化自控排泥方式，进一步强化混凝效果，提高对藻细胞的沉淀去除，同时减少沉淀池积泥引起的嗅味物质释放。

（3）滤池反冲洗系统改造：新增反冲洗水泵2台，流量为1400 m³/h，H=11 m，变频控制；罗茨鼓风机2台，Q=100 m³/min，变频控制，代替原有流量偏小的反冲洗水泵和鼓风机，改善滤池反冲洗效果，保持滤池良好的过滤效果，提高滤池对藻类的截流作用。

（4）清水池消毒工艺优化：改造清水池的导流墙，导流墙间距平均宽度为7.7 m。水流廊道长宽比为59.7，L/D＞50，提高了消毒效果，控制氯化消毒剂的使用量，可避免藻类细胞破裂；优化NaClO投加系统，采用模糊控制算法改进常规的PID控制器，使NaClO投加自控系统稳定性更好，可精确控制NaClO的投加量，减少过度投加而加剧藻细胞破碎。

（1）通过全流程非破壁除藻、粉末活性炭吸附技术的应用，嗅味物质的去除效果改善明显，其去除率平均值为90.27%，较改造前提高了48.9%，出厂水的2-MIB浓度基本上低于5 ng/L。

由表2可知：改造前出厂水的2-MIB浓度长期超出标准（10 ng/L）；改造后稳定运行的出厂水2-MIB浓度低于5 ng/L，符合要求，表示示范工程对2-MIB起到了很好的去除效果。

（2）通过优化预氧化工艺，采用KMnO₄代替Cl₂预氧化工艺，藻细胞基本无破碎现象。因此，经过预处理后，2-MIB含量基本不变，KMnO₄预氧化基本不会导致藻细胞2-MIB的释放。

（3）改造斜管沉淀池和优化沉淀池排泥控制技术大大提高了除藻效果。改造前后，沉淀池除藻率提升了10.06%，出厂水总藻数下降了80.0%。

（4）本次示范工程单位制水成本为0.0693元/m³，相比同类型水厂、同等规模的工艺，改造成本较低，表3所示。