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題的呼聲越來越強(qiáng)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(dāng)前，我國自來水廠多采用常規(guī)處理工藝(混凝→沉淀→過濾→消毒)，對(duì)嗅味物質(zhì)的去除效果有限[4]。因此，探索通過常規(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)，通過工藝優(yōu)化和技術(shù)改造集成，將研究成果在深圳市長流陂水廠進(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。

1 水廠概況

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

2 水質(zhì)及水廠現(xiàn)狀分析

(1)原水水質(zhì)

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。

(2)水源高藻所致的嗅味問題

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)嗅藻類帶來的嗅味問題突出。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。

(3)水廠投藥系統(tǒng)設(shè)施落后

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)，而長流陂水廠現(xiàn)狀加藥設(shè)施簡陋、布置分散，應(yīng)對(duì)水質(zhì)突變能力差；水廠無粉末活性炭投加系統(tǒng)和高錳酸鉀投加設(shè)備設(shè)施，無法有效應(yīng)對(duì)季節(jié)性高藻暴發(fā)時(shí)帶來的水質(zhì)問題。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)嗅味問題的關(guān)鍵。

(4)水處理構(gòu)筑物效能差

斜管沉淀池效率低，管徑為25 mm的傳統(tǒng)型蜂窩斜管存在過水?dāng)嗝嫫?、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(tǒng)老舊，沖洗強(qiáng)度偏低，沖洗不徹底，導(dǎo)致藻類易穿過濾料層進(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(qū)和滯留區(qū)，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(xì)胞破裂和嗅味物質(zhì)釋放。

3 前期試驗(yàn)探索

針對(duì)原水水質(zhì)特點(diǎn)及水廠存在的嗅味問題，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題的聯(lián)合處理技術(shù)。

3.1 粉末活性炭吸附技術(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)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(guān)，與其比表面積及總孔容的相關(guān)特性不顯著，這說明有較多微孔結(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。

由圖2可知，Ct/C0表示吸附量，2-MIB在90～120 min可達(dá)到吸附平衡，GSM在30～60 min即達(dá)到吸附平衡，能夠最大程度地發(fā)揮其吸附能力。示范工程因投加條件限制，投加活性炭的吸附時(shí)間能達(dá)到1～1.5 h， 2-MIB基本能夠利用其約90%的吸附性能。

表1 活性炭吸附量與2-MIB相關(guān)性分析Tab.1 Correlation Analysis between Adsorption Capacity of Activated Carbon and 2-MIB

圖2 活性炭的吸附平衡曲線Fig.2 Adsorption Equilibrium Curve of Activated Carbon

3.2 氧化除藻技術(shù)優(yōu)化

(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來說，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，幾乎沒有氧化去除。對(duì)O3來說，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，從成本上來說并不合適。對(duì)于1.0 mg/L的KMnO4，藻細(xì)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(huì)出現(xiàn)顯著升高。因而，對(duì)產(chǎn)嗅藻類來說，KMnO4的氧化特性滿足適度預(yù)氧化的需要。

(2)對(duì)水廠原水進(jìn)行預(yù)氧化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與投加量為1.2 mg/L的NaClO和0.6 mg/L的ClO2相比，投加量為0.2 mg/L的KMnO4對(duì)藻細(xì)胞的去除率不高，但結(jié)合后續(xù)的混凝沉淀試驗(yàn)，KMnO4對(duì)藻細(xì)胞的去除顯著提升，且無明顯藻細(xì)胞破裂現(xiàn)象。說明，經(jīng)過適度KMnO4氧化后，可以滿足強(qiáng)化混凝去除產(chǎn)嗅藻細(xì)胞、避免嗅味物質(zhì)釋放的需求。因而，KMnO4投加量基本控制在0.1～0.3 mg/L。

4 示范工程改造內(nèi)容

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)的沉淀混凝和過濾工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)藻細(xì)胞的截流去除；通過沉淀池及濾池系統(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。

圖3 改造后示范工程工藝流程Fig.3 Process Flow Chart of the Demonstration Project after Reconstruction

5 示范工程技術(shù)設(shè)計(jì)

5.1 吸附去除技術(shù)

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)。

5.2 沿程非破壁除藻技術(shù)

(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1 400 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，減少過度投加而加劇藻細(xì)胞破碎。

6 技術(shù)應(yīng)用運(yùn)行效果

(1)通過全流程非破壁除藻、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。

表2 示范工程前后的2-MIB去除效果對(duì)比Tab.2 Comparison of 2-MIB Removal Effect before and after the Demonstration Project

(2)通過優(yōu)化預(yù)氧化工藝，采用KMnO4代替Cl2預(yù)氧化工藝，藻細(xì)胞基本無破碎現(xiàn)象。因此，經(jīng)過預(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0.069 3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。

表3 單位制水成本費(fèi)用明細(xì)Tab.3 Unit Costs List of Water Production

7 結(jié)語

為控制嗅味物質(zhì)2-MIB的產(chǎn)生，長流陂水廠通過工藝優(yōu)化升級(jí)改造，以沿程降藻為核心，以活性炭吸附技術(shù)為主要手段，以不破碎藻體的除藻工藝流程為導(dǎo)向，從粉末活性炭選擇優(yōu)化、產(chǎn)嗅藻強(qiáng)化去除、消毒工藝優(yōu)化等方面著手，形成了1套多級(jí)屏障嗅味物質(zhì)的全流程控制技術(shù)。采用全流程工藝強(qiáng)化相結(jié)合的技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)了嗅味物質(zhì)的控制，充分保障了水廠的供水水質(zhì)安全。