謝志誠(chéng)，郝立棟，范文江，張海山，火海萍

（蘭州城市供水（集團(tuán)）有限公司，甘肅蘭州 730060）

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，大眾對(duì)飲用水中嗅味問題也愈發(fā)關(guān)注，國(guó)際水協(xié)會(huì)（IWA）水環(huán)境嗅味專家委員會(huì)中的專家對(duì)水中的嗅味進(jìn)行了分類整理，總結(jié)歸納出常見的嗅味物質(zhì)包括8 種嗅覺異味、4 種味覺異味和1 種口鼻異感物質(zhì)[1]。其中，2-甲基異莰醇（2-methylisoborneol，2-MIB）、土臭素（geosmin，GSM）、2-甲基氧-3-異丙基吡嗪（IPMP）、2-甲基氧-3-異丁基吡嗪（IBMP）、鹵代苯甲醚是導(dǎo)致水體散發(fā)出土霉味的常見物質(zhì)[2]。此類嗅味物質(zhì)的具體特征值（見表1）[3]，可以看到2-MIB、GSM 的嗅閾值分別為15 ng/L 和4 ng/L[4]，IPMP、IBMP 的嗅閾值分別為0.2 ng/L 和1.0 ng/L，2，4，6-TCA 的嗅閾值為0.1～2 ng/L，2，4，6-TBA 的嗅閾值僅為0.03 ng/L[5-6]。當(dāng)上述物質(zhì)在水中存在濃度很低時(shí)，其本身極低的嗅閾值便會(huì)導(dǎo)致飲用水散發(fā)出特殊氣味，令用戶感到不適。因此保證飲用水供應(yīng)中無明顯異味，研究如何去除飲用水中的嗅味物質(zhì)便成為供水企業(yè)管理的重要目標(biāo)[7]。

表1 六種土霉味嗅味物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)表

1 傳統(tǒng)處理技術(shù)

傳統(tǒng)的飲用水凈水工藝（混凝-沉淀-過濾-消毒）對(duì)于嗅味物質(zhì)的去除效果并不突出，去除率僅在20%左右[8]。目前對(duì)于嗅味物質(zhì)去除應(yīng)用廣泛的處理手段有：混凝法、氧化法和吸附法。（1）混凝法是指通過投加混凝劑，在混凝的過程中隨著混凝劑的投加，形成礬花，嗅味物質(zhì)被包裹于絮狀體中而被沉淀從而對(duì)嗅味物質(zhì)進(jìn)行去除[9]。區(qū)良益等[10]研究了聚合氯化鋁、硫酸鋁、氯化鐵三種不同混凝劑的投加對(duì)水中GSM 和2-MIB 的去除效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚合氯化鋁的投加量為20 mg/L時(shí)，上述兩種嗅味物質(zhì)的去除率最高，GSM 及2-MIB的去除率分別是13.91%和19.91%；硫酸鋁投加量為20 mg/L 時(shí)，二者的去除率分別為13.48% 和13.21%；氯化鐵的投加量為20 mg/L 時(shí)，二者的去除率分別為13.03%和9.55%?？梢钥闯?，三種混凝劑對(duì)GSM 和2-MIB 的去除效果均不理想。（2）氧化法是通過投加氧化劑來氧化降解嗅味物質(zhì)，由于2-MIB、GSM 均屬于環(huán)叔醇類化合物，具有抗氧化性，常見的氧化劑如氯氣、二氧化氯、高錳酸鉀等氧化效果并不是很好[11]。范銀萍[12]研究了通過投加高錳酸鉀來氧化去除水樣中的GSM 和2-MIB，結(jié)果表明，高錳酸鉀投加量在1.0 mg/L時(shí)GSM 的去除效果最好，去除率為16.30%；高錳酸鉀投加量在0.5 mg/L 時(shí)，對(duì)2-MIB 的去除效果不佳，為7.92%。因此可以看出混凝法和氧化法對(duì)GSM 和2-MIB 的去除效果較差。

2 活性炭吸附技術(shù)

活性炭由于自身豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積以及數(shù)量可觀的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，對(duì)有機(jī)物具有良好的吸附性，因此可以作為水中嗅味物質(zhì)的去除方法之一[13]。

2.1 活性炭吸附技術(shù)對(duì)于GSM 和2-MIB 吸附去除的影響因素

2.1.1 活性炭種類 不同種類的活性炭即使用于同種嗅味物質(zhì)的去除，其表現(xiàn)效果也不同[14]。李一兵等[15]選用了五種不同來源的粉末活性炭（PAC）對(duì)2-MIB 和GSM 進(jìn)行了吸附去除實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明五種煤質(zhì)粉末活性炭對(duì)2-MIB 的去除率分別達(dá)到67%、77.5%、80.1%、80.9%、68.2%，對(duì)GSM 的去除率分別為93.9%、99.7%、95.9%、95.3%、92.8%。由此可見不同種類的活性炭對(duì)于2-MIB 和GSM 均可吸附去除，對(duì)GSM 的去除更容易，同時(shí)去除GSM 時(shí)表現(xiàn)良好的PAC 在去除2-MIB的效果并非最佳。對(duì)于顆?；钚蕴窟M(jìn)行顯微形貌和紅外吸收表征時(shí)發(fā)現(xiàn)，吸附效果更好的活性炭具有更多的孔道和更大的比表面積，并在表面具有豐富的官能團(tuán)以便吸附環(huán)叔醇類嗅味化合物[12]。同時(shí)供水企業(yè)在選購(gòu)活性炭時(shí)，應(yīng)主要考慮活性炭的碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值和苯酚吸附值等出廠指標(biāo)，以滿足去除效果的要求[16]。碘吸附值中，碘被PAC 吸附所占據(jù)的孔徑區(qū)間與2-MIB 吸附所占據(jù)的孔徑區(qū)間具有很高的一致性，碘值越大的活性炭對(duì)應(yīng)吸附2-MIB 的效果越好，但GSM 被活性炭吸附所占據(jù)的孔徑區(qū)間與碘被吸附時(shí)孔徑區(qū)間并沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性[15]。同時(shí)活性炭吸附GSM 比2-MIB 效果更好，因此供水企業(yè)去除2-MIB 時(shí)可以參考碘值來選用活性炭，在同步去除2-MIB 和GSM 時(shí)，碘值也具有一定的參考價(jià)值。

2.1.2 活性炭投加量 活性炭的去除效率會(huì)隨著投加量的升高而增大，但并非投加量越大去除效果越好。呂強(qiáng)等[17]將煤質(zhì)粉末活性炭以15 mg/L、30 mg/L、100 mg/L為投加量來吸附水樣中的GSM 和2-MIB，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)投加量為15 mg/L 時(shí)，GSM 便降解至嗅閾值以下，但2-MIB 還遠(yuǎn)高于嗅閾值。隨著投加量的增加，當(dāng)投加量為100 mg/L 時(shí)，2-MIB 的含量仍高于嗅閾值。

2.1.3 活性炭目數(shù) 活性炭目數(shù)代表了活性炭的粒徑，目數(shù)越大對(duì)應(yīng)粒徑越小，比表面積越大。楊茜[18]研究了600 目、400 目、300 目、200 目投加量的粉末活性炭吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著粉末活性炭粒徑的減小，2-MIB 和GSM 的吸附量也隨之升高。雖然活性炭目數(shù)越大，吸附的效果越好，但粒徑過小的粉末活性炭會(huì)給后續(xù)的過濾工藝帶來困難。因此需要水廠綜合過濾效果后考慮選用粉末活性炭的粒徑[19]。

2.1.4 溫度 粉末活性炭對(duì)于2-MIB 和GSM 的吸附屬于放熱反應(yīng)，在溫度較低時(shí)更有利于反應(yīng)進(jìn)行，郭曉鳴[20]設(shè)置了15 ℃、25 ℃、35 ℃三個(gè)溫度梯度，發(fā)現(xiàn)15 ℃時(shí)去除率略好于25 ℃和35 ℃時(shí)的去除率，這說明溫度對(duì)粉末活性吸附2-MIB 和GSM 影響較小。

2.1.5 共存物質(zhì) 天然水體中含有不同的陰陽(yáng)離子和天然有機(jī)物（NOM），這些共同構(gòu)成了一個(gè)成分復(fù)雜的水體，對(duì)活性炭吸附去除2-MIB 和GSM 的效果產(chǎn)生一定的影響。郭曉鳴等[21]研究了Cl-、HCO3-和NO3-、Na+和Mg2+等陰陽(yáng)離子以及腐殖酸對(duì)2-MIB 和GSM 去除的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：（1）Cl-、HCO3-、NO3-對(duì)2-MIB 去除影響較小，Cl-、NO3-對(duì)GSM 的去除沒有影響；（2）HCO3-會(huì)使GSM 的去除率降低，腐殖酸對(duì)GSM 的去除基本無影響；（3）低濃度的NOM 對(duì)2-MIB 的影響也十分有限，但當(dāng)NOM 的濃度達(dá)到20 mg/L 時(shí)，NOM 溶液中的小分子會(huì)搶占2-MIB 的吸附點(diǎn)位[22]，甚至在競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)使吸附能力降低99%；（4）在Na+、Ca2+、HA 和高嶺土（濁度）共存條件下，活性炭吸附GSM 和2-MIB 效果會(huì)有影響，Na+、低濃度Ca2+對(duì)GSM 和2-MIB 的吸附平衡量影響較小，HA 和高嶺土（濁度）以及高濃度的Ca2+對(duì)吸附平衡量影響很大[12]。這是因?yàn)椋海?）Na+、低濃度Ca2+只會(huì)和活性炭表面的醇羥基發(fā)生反應(yīng)，占據(jù)的吸附點(diǎn)位不多，并且小分子也不易堵塞孔道，因此對(duì)兩種嗅味物質(zhì)的吸附效率影響不大；而高濃度Ca2+占據(jù)的吸附點(diǎn)位更多，并且會(huì)在活性炭的表面形成沉淀，堵塞活性炭孔道也會(huì)阻擋GSM 和2-MIB 進(jìn)入活性炭?jī)?nèi)部。（2）HA 和高嶺土（濁度）低濃度時(shí)在活性炭表面競(jìng)爭(zhēng)吸附，會(huì)在活性炭的表面形成一層薄膜，使活性炭吸附點(diǎn)位減少；在高濃度時(shí)會(huì)存在大量顆粒，顆粒擴(kuò)散進(jìn)入活性炭?jī)?nèi)部孔道形成沉淀，使活性炭孔道容積大大減小，對(duì)活性炭吸附GSM 和2-MIB的效果產(chǎn)生明顯的影響。同時(shí)，由于2-MIB 本身是一種結(jié)構(gòu)立體的化合物，不易進(jìn)入活性炭的內(nèi)部[12]，大量顆粒的阻擋導(dǎo)致2-MIB 更難進(jìn)入活性炭?jī)?nèi)部進(jìn)行吸附，因此，高濃度的HA 和高嶺土（濁度）對(duì)2-MIB 的影響更大。

2.2 活性炭吸附技術(shù)對(duì)IPMP、IBMP 的去除研究

梁存珍等[23]通過投加粉末活性炭，在投加量為20 mg/L 時(shí)對(duì)IPMP、IBMP 的去除率可達(dá)到90%以上。安娜等[24]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)粉末活性炭投加量為25 mg/L時(shí)，對(duì)IPMP 的去除率為88.74%，IBMP 去除率為95.31%，可以達(dá)到較好的去除效果。同時(shí)也探究了pH、水中共存物質(zhì)如Na+、Cl-、Ca2+對(duì)IPMP、IBMP 的去除效果的影響，發(fā)現(xiàn)粉末活性炭在弱堿的條件下（pH=10）對(duì)IPMP、IBMP 的吸附效果最好。這可能是因?yàn)閴A性條件下會(huì)使活性炭電離，導(dǎo)致活性炭表面帶負(fù)電荷，從而對(duì)IPMP、IBMP 這類非極性化合物的吸附效果變差；在酸性條件下，活性炭表面羧基、酚羥基等酸性官能團(tuán)的電離受到保護(hù)，有利于非極性化合物的吸附。此外Na+、Cl-對(duì)粉末活性炭吸附IPMP 有抑制作用，會(huì)降低10%的去除率。對(duì)于IBMP 的去除，上述離子均有促進(jìn)作用。水中殘留的余氯也會(huì)對(duì)粉末活性炭吸附IPMP、IBMP 產(chǎn)生抑制影響，并且抑制效果會(huì)隨著余氯濃度的增加而增強(qiáng)[25]。

2.3 活性炭對(duì)鹵代苯甲醚類嗅味物質(zhì)的去除研究

活性炭對(duì)鹵代苯甲醚類嗅味物質(zhì)吸附去除可以彌補(bǔ)常見去除手段如紫外高級(jí)氧化、催化臭氧化在供水管網(wǎng)末端控制的局限性[26]。徐斌等[6]探究了不同種類顆?；钚蕴繉?duì)鹵代苯甲醚類嗅味物質(zhì)的影響，得出果殼炭對(duì)2，4，6-TCA 的吸附效果最優(yōu)，椰殼酸洗炭對(duì)2，4，6-TBA 的吸附效果最優(yōu)，并證明在腐殖酸的水質(zhì)背景下降解速率下降，這說明活性炭吸附鹵代苯甲醚時(shí)溶解性有機(jī)物的存在對(duì)吸附效果有影響。

3 活性炭與其他去除工藝聯(lián)用

活性炭可同臭氧[27]、高錳酸鉀氧化[28]、紫外活化臭氧[29]等工藝聯(lián)用，通過不同工藝聯(lián)用，在達(dá)到更好的去除效果的同時(shí)，還可達(dá)到更經(jīng)濟(jì)適用的目的。

3.1 活性炭強(qiáng)化混凝工藝

活性炭強(qiáng)化混凝工藝是在常規(guī)處理前端投加粉末活性炭，利用活性炭吸附強(qiáng)化混凝將嗅味物質(zhì)去除。其中，增加活性炭投加量及延長(zhǎng)吸附時(shí)間可提高嗅味物質(zhì)的去除率。李俊民[30]通過活性炭強(qiáng)化混凝工藝，聯(lián)用后的工藝對(duì)GSM 的去除率可達(dá)90%，對(duì)2-MIB 的去除率可達(dá)77%。

3.2 臭氧聯(lián)用顆?；钚蕴抗に?/h3>

臭氧聯(lián)用顆粒活性炭工藝中O3快速分解產(chǎn)生羥基自由基和具有較大的比表面積的GAC，二者聯(lián)用可加強(qiáng)去除效果。王文東等[31]采用臭氧聯(lián)用顆?；钚蕴抗に?，對(duì)水體中的2-MIB 進(jìn)行了去除，去除率相較于傳統(tǒng)工藝提升了25%。

3.3 粉末活性炭-高錳酸鉀聯(lián)用工藝

粉末活性炭-高錳酸鉀聯(lián)用工藝，高錳酸鉀和粉末活性炭相互協(xié)同作用，首先高錳酸鉀預(yù)氧化去除部分嗅味物質(zhì)，同時(shí)其還原產(chǎn)物二氧化錳也有吸附作用，并且高錳酸鉀預(yù)氧化會(huì)使粉末活性炭吸附增量。謝觀體等[32]采用高錳酸鉀氧化聯(lián)用粉末活性炭工藝，在混凝沉淀前投加1.0 mg/L 高錳酸鉀和40 mg/L 的活性炭可將嗅味等級(jí)為5 級(jí)的原水降低到1 級(jí)。

4 總結(jié)與展望

綜上，本文中對(duì)于活性炭技術(shù)去除水中嗅味物質(zhì)，主要結(jié)論如下：

（1）相比于傳統(tǒng)凈水工藝對(duì)水中典型致嗅物質(zhì)GSM和2-MIB 的去除效果較差的情況，活性炭則在去除GSM 和2-MIB 物質(zhì)上表現(xiàn)良好，凈水廠在選擇活性炭時(shí)可參考碘吸附值，該指標(biāo)能更好地評(píng)價(jià)粉末活性炭對(duì)2-MIB 和GSM 的吸附效能，碘吸附值越高，吸附性能越好。

（2）不同種類的活性炭由于表面的官能團(tuán)不同、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)以及比表面積導(dǎo)致對(duì)嗅味物質(zhì)的吸附效果各有差異?；钚蕴康耐都恿?、目數(shù)、水樣的溫度、水中的共存物質(zhì)也會(huì)對(duì)活性炭吸附去除嗅味物質(zhì)產(chǎn)生影響?；钚蕴康奈叫ЧS著投加量、目數(shù)的增大而加強(qiáng)，但投加過多和過大目數(shù)的粉末活性炭會(huì)對(duì)過濾工藝產(chǎn)生影響，需水廠結(jié)合實(shí)際情況選用合理的粉末活性炭；水中的共存物質(zhì)如Cl-、HCO3-、NO3-、Na+和Mg2+對(duì)去除結(jié)果影響不大。腐殖酸、高濃度Ca2+會(huì)嚴(yán)重影響活性炭的去除效果。

（3）活性炭同樣對(duì)IPMP、IBMP、鹵代苯甲醚類嗅味物質(zhì)吸附效果良好，但水體中常見的共存物質(zhì)如Na+、Cl-、Ca2+會(huì)對(duì)吸附結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，當(dāng)水體呈弱堿性時(shí)，吸附效果達(dá)到最佳。

（4）對(duì)于活性炭通過和其他工藝聯(lián)用做出展望?；钚蕴客ㄟ^和不同的工藝聯(lián)用，可以有效的提高對(duì)嗅味物質(zhì)的去除效率，以此更好的控制成本，節(jié)約資源，使工藝朝著更加綠色節(jié)能的方向發(fā)展。工藝之間優(yōu)缺點(diǎn)相互彌補(bǔ)，不同水廠可以結(jié)合實(shí)際情況選用符合自身水廠水質(zhì)的工藝，應(yīng)用前景廣泛。