飲用水中嗅味物質去除技術研究進展

張衛康，王子凡*，張百德，王衍爭，孔 進

(1.山東建筑大學 市政與環境工程學院，山東 濟南 250101； 2.山東濰坊市市政工程設計研究院有限公司，山東 濰坊 261000； 3.山東省建筑科學研究院有限公司，山東 濟南 250031)

隨著人們對飲用水水質要求的提高，水中的嗅味更加受到關注。衛生部在2001年頒布的《生活飲用水水質衛生規范》中規定：飲用水不得有異臭、異味。在常規給水處理中，混凝、沉淀過程對溶解性嗅味物質去除率低，且混凝過程中的攪拌作用會破壞藻類細胞，其含有的嗅味物質釋放到水體中，從而降低了常規工藝的除嗅效果[1]。現行《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)的附錄A中將土臭素(Geosmin，GSM)和2-甲基異莰醇(2-methylisoboneol，2-MIB)列為生活飲用水水質參考指標，其限值均為10 ng/L，因此去除飲用水中GSM和2-MIB具有重要意義。

1 去除技術

1.1 吸附處理

1.1.1 活性炭吸附

活性炭比表面積大、微孔發達、吸附能力強，且活性炭會優先吸附有機物，因此對嗅味物質的去除效果好。活性炭對嗅味物質的去除主要是通過活性炭的物理吸附和微生物降解作用。常用活性炭吸附劑有粉末活性炭(PAC)、顆粒活性炭(GAC)和活性炭纖維(ACF)。

PAC吸附法最早用于去除飲用水中的嗅味物質。李勇[2]等通過實驗發現100 ng/L的GSM和100 ng/L的2-MIB經PAC分別接觸吸附60 min和180 min后濃度均低于10 ng/L。PAC對GSM的吸附效果好于2-MIB，這是因為GSM具有類似苯環的結構，易于被活性炭吸附。PAC使用方便，主要用于季節性或應急性的嗅味處理，但存在溶解性有機碳的情況下會和GSM、2-MIB存在吸附競爭關系，同時水中余氯也會降低PAC的吸附效果。

GAC主要用于富營養化較為嚴重、需長期進行嗅味去除的情況，其前期投資大，但運行成本相對較低。Ridal[3]等人調查了加拿大給水廠中GAC濾床對圣勞倫斯河水中GSM和2-MIB(濃度在5～60 ng/L范圍內)的去除效果，經濾床處理后水中GSM和2-MIB濃度均降到規定嗅閾值以下。

ACF是20世紀70年代發展起來的多功能吸附材料，其吸附容量高，容易再生，不產生二次污染。Srinivasan[4]等人研究對比了不同孔徑ACF和GAC對GSM和2-MIB的吸附情況，結果表明ACF吸附能力均高于GAC。

1.1.2 沸石吸附

沸石是一種獨特的吸附劑，其吸附能力與被吸附物的大小和形狀有關，只有當吸附質直徑比孔徑小時才能迅速在沸石上吸附和擴散。采用疏水性脫鋁沸石去除100 mg/L的GSM和2-MIB，其去除率分別為94%和74%，GSM比2-MIB更易被去除[5]。沸石比活性炭易于再生，再生過程中具有更高的穩定性，且不受腐殖質、氧化物和水硬度的影響。

1.1.3 其他吸附處理

近年來，凹凸棒土因其發達的內孔通道和較大的比表面積使其具有很強的吸附性能。韓珊珊[6]等研究發現當水中GSM和2-MIB在ng/L水平時，凹凸棒土對GSM和2-MIB去除率分別為30%和26%左右，但當強化混凝或與高錳酸鉀聯用時，對GSM和2-MIB的去除率均有不同程度的提高。葛蘇陽[7]等發現合成陶瓷吸附劑在10 h接觸時間內對200 ng/L的GSM去除率為81.5%。合成陶瓷吸附劑具有去除率高、生產成本低的優點，同時還具有較好的pH緩沖能力和再生性能。

1.2 化學氧化

GSM和2-MIB均為飽和環叔醇類，由于叔醇具有氧化抗性，因此氯、二氧化氯、高錳酸鉀等氧化劑對這兩種嗅味物質的去除效果不佳[8]。高級氧化如臭氧氧化、光催化氧化等則是基于羥基自由基(·OH)而使目標化合物氧化降解，對GSM和2-MIB的去除效果良好。

1.2.1 臭氧氧化

臭氧的氧化能力很強，它能破壞污染物的分子結構從而改變污染物性質。與氯、二氧化氯等氧化劑相比，臭氧對GSM和2-MIB有較高的去除能力[9]。Yuan[10]等研究發現在臭氧濃度為4.19 mg/L時，100 ng/L的GSM和2-MIB被處理20 min后90%都被降解。但臭氧投加量大時會抑制氧化作用，易生成溴酸鹽等副產物，因此臭氧處理后往往需增加GAC或生物處理來保證去除效果。

1.2.2 催化氧化技術

相比單純的臭氧氧化，以臭氧為氧化劑的催化氧化技術既可提高臭氧的氧化能力，還能減少副產物的產生。陳忠林[11]等通過實驗得出，在自來水本底條件下，加入γ-Al2O3催化劑后，2-MIB的去除率比單獨臭氧氧化提高40%以上。光催化氧化法是在光催化劑(TiO2)的作用下，利用光能降解難降解有機物的新型水處理技術。該方法具有分解能力高、操作簡便、不需額外氧化劑等優點。Kutschera[12]等通過實驗得出，采用紫外線/真空紫外線(UV/VUV)能對GSM和2-MIB快速降解，相同條件下對GSM的降解速率更快。

1.2.3 其他氧化技術

孫昕[13]等還進行了真空紫外光(VUV)/氯高級氧化技術對嗅味物質去除效果的研究，結果表明，該方法在30 min內對GSM和2-MIB的去除率高達98%和96%。由于在紫外光照射下，體系中的水分子和自由氯可生成大量·OH。因此隨著紫外光強度和氯濃度的增加，嗅味物質的降解速率加快。Bu[14]等使用摻硼金剛石電極通過電化學氧化降解GSM和2-MIB，結果顯示30 min內GSM和2-MIB的去除率分別為73%和68%。相比其它高級氧化技術，電化學氧化不需要額外的氧化劑，還能與其他去除技術相結合。

1.3 生物處理

活性炭吸附和臭氧氧化有較好的除嗅效果，但運行費用較高，需額外的化學藥劑或吸附劑，而生物處理運行成本低，具有一定的優勢。Ho[15]等研究發現生物砂濾能有效去除GSM和2-MIB，且通過PCR-DGGE技術確定了最有可能參與GSM降解的四種細菌為Pseudomona、Alphaproteobacterium、Sphingomonas和Acidobacteriaceae。目前用微生物來降解水中GSM和2-MIB的完整途徑尚不清晰。Saito[16]等通過實驗發現GSM生物降解的部分中間產物，并得出GSM部分生物降解涉及脫水和氧化反應，一些學者[17]對生物降解2-MIB進行了研究發現其部分降解過程也包括脫水反應。

生物處理目前廣泛采用的是地下滲濾和生物膜法。Ho[15]等通過生物濾池和常規處理工藝對澳洲某流域表面水體中2-MIB和GSM的去除率達到100%，其中生物濾池去除效果占主導。生物處理去除GSM和2-MIB有降低成本、減少副產物、不產生新污染等優點，但該方法易受水溫、pH值、營養物質等多種因素影響，處理效果不夠穩定，而對于高濃度GSM和2-MIB可采用與吸附或氧化聯合法進行處理。

1.4 聯用技術

1.4.1 臭氧-活性炭

臭氧-活性炭技術將臭氧的強氧化性與活性炭的吸附性能相結合，主要包括臭氧-顆粒活性炭(O3-GAC)、臭氧-生物活性炭(O3-BAC)等技術。

O3-GAC技術主要通過O3快速分解產生·OH和GAC較大的比表面積達到氧化和吸附嗅味的目的。王文東[18]等考察了2-MIB在O3-GAC工藝各凈化單元中的去除率得出，相同進水2-MIB濃度下，O3和GAC單元分別比傳統水質凈化單元去除率高出約25%和55%。

O3-BAC技術主要通過臭氧氧化、活性炭吸附和微生物降解作用來去除嗅味物質。高煒[19]等研究發現經過O3-BAC工藝處理后2-MIB濃度基本在10ng/L以下，其中臭氧單元對2-MIB平均去除率為44.6%，BAC單元平均去除率為39.9%。O3-BAC聯用可以通過微生物降解去除活性炭吸附的有機物，使活性炭保持長時間的吸附能力，延長活性炭的使用壽命，提高除嗅效果；還可去除水中某些消毒副產物的前體物，使飲用水保持良好的生物穩定性，因此具有廣闊的應用前景。

1.4.2 高錳酸鉀-粉末活性炭

高錳酸鉀(PP)與粉末活性炭(PAC)聯用對嗅味物質去除效果較兩者單獨使用更好，原因是高錳酸鉀使得水中被氧化的有機物在活性炭表面發生氧化聚合，活性炭的吸附能力有所提高，同時活性炭可以吸附部分氧化中間產物，還原水中殘留的高錳酸鉀。Hu[20]等試驗結果表明當僅投加KMnO4時嗅味物質去除率為68.2%，而同時投加KMnO4和PAC時嗅味物質去除率達到91.9%。PP-PAC聯用技術具有占地面積小、投資少、處理效果好的優點，因此具有很好的應用前景。

1.4.3 其他聯用技術

區良益[21]等研究了活性炭強化混凝對GSM和2-MIB的去除效果，研究表明活性炭強化混凝工藝對GSM去除率達到90%以上，對2-MIB的去除率均達到80%左右。Jo[22]等進行了紫外線-過氧化氫(UV/H2O2)工藝降解GSM和2-MIB的研究，結果表明，在濃度為6 mg/L的H2O2和強度為1200 mJ/cm2的紫外線光照條件下，GSM和2-MIB的去除率分別為90%和60%。這種工藝的優點是保證高去除率的同時，還能去除額外的消毒副產物。孫昕[23]等研究了VUV活化過二硫酸鹽(PS)對GSM和2-MIB的去除效果，結果表明，在0.5 mmol/L的PS及 487.6 μW·cm-2的VUV條件下，對GSM和2-MIB的去除率分別提高74%和76%，對嗅味物質可達到較理想的去除效果。

2 結論與展望

(1)飲用水中嗅味問題是當下我國普遍存在的問題，常規給水處理對典型嗅味物質GSM和2-MIB的去除率較低。

(2)傳統工藝對嗅味物質去除效果有限，且會產生副產物。PAC和GAC吸附處理經濟可行，但仍存在不易再生等缺點。ACF易再生、不產生二次污染，但原材料制作復雜且成本相對較高。沸石、凹凸棒土、合成陶瓷吸附劑等各有優點，但目前技術尚不成熟。

(3)高級氧化技術去除效果好但成本相對較高，且易產生副產物。生物處理去除效果好，副產物少且不產生新污染，但易受到環境因素的影響，需要控制相應菌落的穩定性。

(4)O3-GAC、O3-BAC、PP-PAC等聯用工藝對嗅味物質的去除比單一工藝去除效果好，優勢互補，能更好地解決成本、副產物、二次污染等問題，對嗅味物質的去除具有很好的應用前景。