臭氧去除飲用水中嗅味物質效果與原理的研究

陳學姝

摘 要：飲用水安全保障一直是人們普遍關注的熱點問題，然而隨著太湖流域經濟水平的不斷提升，水體污染日益嚴重，富營養化引起的藻類嗅味問題已極大地影響了水源地水質，太湖流域飲用水安全受到嚴重威脅。本研究全面探究臭氧預處理對嗅味物質的去除效果及機理，從而為對水體嗅味問題提供理論依據。

關鍵詞：臭氧預氧化;嗅味物質;去除效果

一、近年我國飲用水水質狀況

水是人類生存的根本，水庫與湖泊是重要的淡水資源。但是隨著人類社會的進步，城市化的快速發展，生活污水、生產廢水等的大量排放，水庫、湖泊等水體污染日益嚴重，富營養化問題日益突出。《2014 年中國環境狀況公報》指出，中國重點湖泊、水庫及主要河流主要污染指標為 BOD5、TP 和 COD，在 968個國控地表水檢測斷面（點位）中只有 33.8%達到 II 類水質標準，重點湖、庫僅有 18 個達到 II 類水質標準或以上，無一個達到 I 類水質標準。太湖總體平均為IV 類水體，環湖河流中 5.9%為 II 類水質。

二、嗅味物質對飲用水的影響

水體中嗅味的產生與微生物、藻類有著密切的關系。2007 年夏天，無錫市內太湖區域出現 50 年來最低水位。在天氣連續高溫情況下，加劇了太湖水體富營養化問題，引發藍藻水華提前爆發，使大批市民家飲用水水質發生變化，并伴隨難聞氣味。太湖水污染事件引起了各界的高度重視。在我國，普遍存在水體中藻類大量繁殖，形成異嗅、異味的現象。隨著生活水平的提高，人們越來越注重生活質量，對飲用水水質的要求就愈來愈高。飲用水的色、嗅、味是人們評價其安全性最直接參數。水體異味的產生嚴重影響了飲用水可飲用性，降低了消費者對飲用水的感官評價。

三、主要嗅味物質及其危害

根據人的感覺感官可將水中嗅味分為 3 大類 13 種，分別為味覺異味（4 種）、嗅覺異味（8 種），以及口鼻感官異感（1 種）。研究認為嗅味物質載體包括 4 個，分別為飲用水、空氣、廢水和堆肥。其中水中嗅味物質主要是有氧氧化產物和厭氧氧化產物。其中最為常見的嗅味物質是具有土霉味的土臭素（Geosmin，GSM）也被稱為反-1.10-二甲基-反-萘烷醇、二甲基異莰醇（MIB，或 2-MIB），也被稱為二甲基異冰片、2，3，6-三履帶茴香醚（TCA）、2-異丁基-甲氧基吡嗪（IBMP）等。土霉味的嗅味物質廣泛存在水體中，目前 GSM 和 2-MIB 被研究的最多。

四、傳統工藝對嗅味物質的去除效果有限

飲用水傳統處理工藝即“原水—澄清—消毒—出水”，主要去除原水中的懸浮顆粒、細菌以及膠體物質。

總結國內外的研究結果以及實際生產經驗值，均表明傳統處理工藝處理污染水源水效果并不理想，有機物的去除率僅為 20%～30%，且水中溶解性有機物的存在，降低了傳統工藝對原水中濁度的去除效果;通過增大混凝劑的投加量降低濁度，不僅增大了生產成本，而且可能增大金屬離子在水中的濃度，威脅消費者的身心健康。常規水處理工藝對嗅味物質的去除效果有限，且不能滿足飲用水水質其他指標的要求，深度處理工藝的實施勢在必行。

五、臭氧的理化特性與臭氧去除水體嗅味物質的原理研究

1、臭氧的理化特性

臭氧是氧氣的同素異形體。在常溫常壓條件下，低濃度的臭氧為無色氣體，當質量濃度大于 15%時則為淡藍色。臭氧的密度為氧氣的 15 倍，空氣的 16 倍。臭氧的熔點是-192℃，沸點是-111℃。臭氧可溶于水，在常溫常壓下，臭氧在水中的溶解度是氧氣的 14 倍，約為 0.54 g /L。在 20℃的條件下，臭氧在液相中的平衡濃度和在氣相中的平衡濃度之比為 0.285。臭氧在水中的溶解度隨溫度而變化。臭氧在水中的高溶解度確保了它在水處理中的高效性和可行性。

在常溫下，臭氧的化學性質極不穩定，極易分解成氧氣。酸性條件下，臭氧的氧化還原電位（2.07V）僅次于氟（2.87V）。臭氧的分解速度在液相中比在氣相中快很多。臭氧在水中的半衰期受水質、溫度和 pH 等的影響，從幾秒到幾小時不等。隨溫度與 pH 值的升高，臭氧的分解速度加快。常溫下，臭氧在水中的半衰期一般為 15～30min，分解產物主要是氧氣及具有更高活性的自由基，如·OH、·H、·HO2，因此臭氧氧化不但不會造成二次污染，而且能增加水體溶解氧，提高水體自凈能力。

2、臭氧去除水體嗅味物質的原理研究

臭氧作為強氧化劑在飲用水處理中主要應用于以下的三個階段：預處理氧化、中間氧化以及最終消毒。臭氧預氧化可降解部分天然有機物，從而提高混凝、沉淀等后續工藝去除濁度、色度、嗅和味的效率。

臭氧氧化有機物存在 2 種途徑，一是直接氧化（Directmolecular ozone attack）即臭氧分子直接氧化，二是間接氧化（Indirect radicalsattack）即自由基氧化。直接氧化是臭氧分子直接攻擊目標有機物進行氧化反應;間接氧化是臭氧在水中分解產生氧化性更強的活性自由基（主要為·OH），自由基對目標有機物進行攻擊，從而達到降解的效果。

有研究表明 O3投加量對臭氧氧化去除 2-MIB 和 GSM 的效果有很大的影響。當 O3投加量為 0.5 mg/L 時，此時 O3對 2-MIB 的去除率僅為 20%;當 O3投加量為 2 mg/L 時，2-MIB 去除率可達 80%。

研究發現主臭氧（即投加點置于砂濾出水處）的除臭效果比預臭氧（即投加點置于進廠水處）要好，這可能由于原水中的濁度、UV254、TOC 等含量較高，另外主臭氧化具有一定的消毒功能。因此，O3投加點對臭氧氧化效果有一定的影響，生產中應優化 O3投加點的選擇以達到最優的氧化效果。

參考文獻

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[2]中國環境狀況公報，北京，2014.

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