季节性原水水质变化除臭应用实践

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0引言

我国部分饮用水地表水源地存在水体富营养化的现象,在季节、水温等条件适宜时易爆发水华,引起藻类数量明显增加,进而产生各种具有嗅味的代谢产物。在各种嗅味中,土霉味较为常见,主要由土臭素(GSM)和二甲基异莰醇(2-MIB)等藻类和放线菌的代谢产物引起,且嗅阈浓度低[1]。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2022)中明确规定两者的限值均为10ng/L。研究表明,混凝、沉淀和过滤等传统净水工艺对GSM、2-MIB的去除能力有限[2]。较为常见的方法是在传统工艺前端增设高锰酸钾预氧化、预氯化或粉末活性炭吸附单元,或在传统工艺后增设臭氧氧化和活性炭吸附单元,通过氧化和吸附作用,增加工艺对有机组分的去除性能,从而去除嗅味物质[3]。目前我国大部分水厂都采用传统处理工艺,深度处理工艺总体占比偏低[4],而且在实际水厂运行中,嗅味物质的去除往往受多种因素的影响,因此需要进一步加强实际水厂常规工艺条件下的嗅味去除应用研究。2019年和2020年的夏秋季,山东省潍坊市昌乐县城南水厂原水土霉味明显,严重影响水厂的制水效果。为保证供水水质安全,对原水水质开展了检测分析,针对原水藻类浓度高、土霉味明显的水质特点,分别开展了高锰酸钾、粉末活性炭与高锰酸钾联合投加、高锰酸钾与次氯酸钠联合投加的系列试验,对投加方式与投加量进行了优化,取得了较好的生产实践效果,可为其它类似情况的水厂提供运行技术参数和依据。

1试验材料与方法

1.1水厂概况

城南水厂位于潍坊市昌乐县城南约10km,设计规模为9.6万m3/d,采用混凝、沉淀、过滤、消毒常规工艺处理流程,重力流输水为城区供水。2020年平均日供水量为6.5万m3/d。水厂原水取自昌乐县最南端的高崖水库,经36kmDN1400钢筋预应力混凝土原水输水管线自流进入水厂。水厂工艺流程如图1所示。2019年和2020年6月至10月的原水水质情况见表1。在夏秋季,原水水质呈现相似特点,藻类最高浓度分别达到14448万个/L和11622万个/L,均有明显土霉味。

1.2试验方法

由于原水水质变化往往较为突然,特别是藻类爆发和出现异味的初期,水厂需结合水质变化和实际生产条件快速做出应急处理,因此在小试之前先开展了粉末活性炭、高锰酸钾、次氯酸钠的应急投加生产性试验。结合应急生产性试验的结果,开展小试,再对小试结果进行生产性应用验证。1.2.1生产性试验方法距高崖水库取水口下游1km处是孟津河备用水源,其取水管道与水厂的原水输水管线相连接,由于受限于场地条件及管理权限,该地点仅具备投加高锰酸钾的条件,不具备投加活性炭及预氯化的条件,因此选定该地点为高锰酸钾投加点。粉末活性炭投加点选在水库取水口处。次氯酸钠投加点分别在折板反应池前和V型滤池后。混凝剂为聚合氯化铝铁(Al2O3含量10%,Fe含量0.5%),在跌水网格混合池投加,浓度均为40mg/L。1.2.2小试方法用六联搅拌机烧杯试验模拟水厂混凝沉淀工艺,研究各种投加方式和投加量对藻类和嗅味去除的影响。试验用混凝剂为聚合氯化铝铁,与水厂实际所用品牌型号一致。在混凝剂投加量均为40mg/L的条件下,分别开展:①投加高锰酸钾;②粉末活性炭(300目)与高锰酸钾联合投加;③高锰酸钾与次氯酸钠(有效氯含量(以Cl计)13%)联合投加的小试。三种投加方式的烧杯试验搅拌程序见表2。1.2.3检测方法常规水质测定依据《生活饮用水标准检验方法》(GB/T5750.6-2006)和《水和废水监测分析方法》(第四版)中的方法。GSM和2-MIB采用《生活饮用水臭味物质土臭素和2-甲基异莰醇检验方法》(GB/T32470-2016)中固相微萃取-顶空-气相色谱质谱联用方法进行检测。采用六级嗅味强度法对水样进行嗅味测定。先由一人对系列水样的嗅味强度大小进行比较,再由另一人进行比较得出另一组嗅味强度,两人判定结果一致则有效,若有争议重复比较得出一致结论。

2结果与讨论

2.1应急生产性试验

2019年6月中旬至7月下旬,水厂根据原水水质变化采取应急措施,在取水口下游1km处投加0.5mg/L高锰酸钾,在跌水网格混合池投加40mg/L聚合氯化铝铁,在折板反应池前和V型滤池后分别投加次氯酸钠15mg/L和18mg/L。2019年7月单次取样结果表明,原水、沉淀池出水、出厂水GSM含量分别为486、88、35ng/L,去除率92.8%;原水、沉淀池出水、出厂水2-MIB含量分别为40.5、14.2、11.3ng/L,去除率72.1%。出厂水嗅味等级从原水的5级降为1级,有轻微土霉味。可见该处理方法对嗅味物质有较好的去除效果,但尚不能完全保障出厂水嗅和味达标,需要进一步探索和优化投加方式。2020年6月中旬,在原水开始出现藻类增长及异味的情况下,尝试在与2019年同期相同的工艺条件基础上,将前加氯量从15mg/L提高到26.5mg/L,以强化杀藻及预氧化助凝效果。但出厂水水质并未发生明显提升,而且余氯浓度达到0.75mg/L左右,三氯甲烷浓度最高达到0.058mg/L,存在超标风险,城区管网水中嗅味明显,可见单纯依靠加强前加氯的方式不可行。因此,水厂将前加氯量调整回15mg/L,在水库取水口处临时增设粉末活性炭投加装置,先对原水嗅味物质进行吸附,然后再依次投加高锰酸钾、次氯酸钠药剂进行预氧化。当粉末活性炭投加量为5mg/L,高锰酸钾投加量为0.35mg/L时,处理后的出厂水2-MIB含量仍达14.2ng/L,GSM达177ng/L,仍有明显土霉味。原因可能是原水的藻类大量占据了先投加的粉末活性炭的吸附容量,从而影响了活性炭吸附效果和整体处理效果。有研究表明,先投加高锰酸钾后投加粉末活性炭,且粉末活性炭投加量在20mg/L以上时对嗅味物质去除效果较好[5-6]。但因水库取水口及下游附近的场地及条件受限,不具备先投加高锰酸钾后投加粉末活性炭的条件,而且由于粉末活性炭价格较高,如果继续增加投加量,将会造成较高的水处理成本,水厂难以负担。为更好应对原水季节性水质问题,需要进一步开展小试,综合考虑处理效果和运行成本,确定氧化剂、吸附剂等药剂投加方式和投加量,从而指导生产实践。

2.2小试

2.2.1单独投加高锰酸钾由图2可见,在混凝剂投加量为40mg/L的条件下,随着高锰酸钾投加量的增加,出水的嗅味逐渐减小,藻类去除率逐渐增加。陈忠林等[7]的研究表明,高锰酸钾对嗅和味及藻类有很好的去除效果,主要通过其还原产物新生态水合二氧化锰的氧化、吸附和催化作用促进有机物去除。试验结果表明,当高锰酸钾投加量为1.0mg/L时,藻类去除率为68.4%,嗅和味等级由5级降为1级,但继续加大投加量,藻类去除率变化不明显,嗅和味等级也未继续降低。对上清液的色度进行测定,高锰酸钾投加量1.0mg/L时色度为10度,2.0mg/L时色度达到202.2.2粉末活性炭与高锰酸钾联合投加由于水厂仅具备先投加粉末活性炭、再投加高锰酸钾的条件,因此模拟实际工艺,先投加粉末活性炭,再投加1.0mg/L高锰酸钾进行试验,由图3可知,在混凝剂投加量为40mg/L的条件下,随着粉末活性炭投加量的增大,藻类去除率虽有提高,但总体效果一般,投加量为10mg/L时藻类去除率75.9%,嗅味等级为1级,与单独投加高锰酸钾的小试效果相比,并没有显著区别。其他研究人员指出,高锰酸钾与活性炭联用具有协同作用和互补性,但也会形成相互制约关系,在使用时要注意投加位置和用量,因为粉末活性炭表面能够吸附高锰酸钾,降低其氧化能力,影响除藻除嗅效果[8-10]。小试结果与前期投加粉末活性炭的生产性试验效果基本一致,证实了该方式不适合城南水厂。2.2.3高锰酸钾与次氯酸钠联合投加在依次投加1.0mg/L高锰酸钾、40mg/L混凝剂的条件下,逐步增加次氯酸钠投加量。由图4可见,次氯酸钠投加量为10~15mg/L时,出水无异嗅异味,藻类去除率达92%。相关研究表明,利用次氯酸钠进行预氧化去除小分子有机物及嗅味物质有较好效果[3,11]。随着次氯酸钠投加量进一步加大至20mg/L以上,出水的氯嗅味明显,嗅味等级升高。因此次氯酸钠投加量不宜大于20mg/L。小试结果与前期生产性试验中提高加氯量导致出水嗅味明显的结果基本一致。2.2.4结论从以上3种投加方式的烧杯试验结果可以看出,在混凝剂投加量一定条件下,高锰酸钾与次氯酸钠联合投加去除藻类和嗅味效果最好,其次为单独投加高锰酸钾的效果,而先投加粉末活性炭、后投加高锰酸钾的效果较差。从去除效果和成本角度综合考虑,高锰酸钾与次氯酸钠联合投加方式具有较好的性价比。

2.3生产应用验证

2.3.1运行效果分析水厂结合小试及前期应急生产性试验结果,进一步优化生产运行参数,确定在距取水口下游1km处投加1.0mg/L高锰酸钾,在跌水网格混合池投加40mg/L聚合氯化铝铁,在折板反应池前和V型滤池后分别投加次氯酸钠6mg/L和9mg/L,并于2020年8月中旬至10月中旬的藻类爆发期开展生产应用验证。运行情况见表3。在上述优化后的运行参数下,出厂水嗅味等级均为0级,2-MIB和GSM均低于5ng/L,符合10ng/L的限值要求。出厂水消毒副产物浓度也得到较好控制,三氯甲烷浓度为0.01mg/L左右,余氯为0.40~0.60mg/L,高锰酸盐指数、浊度等各项指标均符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求。药剂投加运行成本为0.0604元/m3水。2.3.2运行实践模型根据水厂实际生产运行效果和经验,在原水水温15.0~25.5℃、浊度12.8~27.0NTU范围内,总结出以下原水藻类与高锰酸钾、次氯酸钠投加量、聚合氯化铝铁投加量和出水嗅味等级的水处理模型表(见表4),可为其他水厂提供类似参考。

3结论

(1)针对昌乐城南水厂实际原水水质条件的小试,为有效去除原水嗅味并综合考虑处理效果和成本,高锰酸钾与次氯酸钠联合投加方式优于单独高锰酸钾以及粉末活性炭与高锰酸钾联合投加方式。(2)结合小试及生产性试验,确定了在取水口下游1km的原水输水管线处投加高锰酸钾,水厂混合池投加聚合氯化铝铁,反应池前与滤池后分别投加次氯酸钠的投加方式和合理的用量,在藻类和嗅味高发期保证了出厂水各项检测指标均合格。(3)由于原水水质的季节性变化愈发明显,可考虑在常规处理工艺后增设臭氧生物活性炭深度处理工艺,强化水中异嗅异味的去除效果,进一步保障水质安全。

作者:杜崇岭 秦新玲 王令刚  李金霞 李鑫玮 单位:山东昌乐实康水业有限公司 北控水务(中国)投资有限公司