活性炭去除水中的2-甲基异莰醇和土臭素的优化试验研究_周日安.pdf

2023 年第 1 期 65 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水质分析与监测活性炭去除水中的 2-甲基异莰醇和土臭素的优化试验研究周日安张苏燕郑仕杨义右孙帅林孔亮（国家城市供水水质监测网温州监测站，浙江温州 325000）摘要：针对水体嗅味事件，以饮用水中的典型嗅味污染物质 2-甲基异莰醇（2-MIB）和土臭素（GSM）为研究对象，分别考察了不同浓度、不同投加时间及不同形态活性炭对嗅味物质的去除效果，并结合浊度、pH 值指标考察投加活性炭后水体的净化效果。使用炭浆溶液在先投加活性炭充分吸附后再加聚合铝的情况下，投加 25mg/L 的炭浆溶液可以使 2-甲基异莰醇的去除率达到 80%以上，土臭素的去除率达到 90%以上。关键词：活性炭；2-甲基异莰醇；土臭素自来水的嗅和味是饮水质量最直接的判断指标。近年来，人们对于自来水中表现出来的异嗅、异味抱怨日益增多，国内多地陆续发生自来水异味事件。水中土臭素（GSM）和 2 甲基异崁醇（2-MIB）是造成饮用水中嗅味的典型物质1，土臭素和 2 甲基异崁醇是一类蓝藻和放线菌代谢产生的异嗅物质24，它们不仅破坏了饮用水的感官性状，而且降低了饮用水的质量，引起用水居民的恐慌。GSM 为土味物质，其嗅阈值约为（1 10）ng/L，2-MIB 为霉味物质，其嗅阈值约为（5 10）ng/L。对于 2-MIB 和 GSM等致嗅物质的去除技术，氧化法和吸附技术可以降低水中异嗅物质含量。本次实验探讨投加活性炭去除这两种物质，以赵山渡水库水作为研究对象，基于水厂现有条件选择聚合铝、固体活性炭粉末和使用液体炭浆溶液作为处理药剂，研究上述药剂对 2-MIB 和GSM 的去除效果，为水厂提供可行的嗅味物质控制技术。1.试验材料与方法1.1 试验材料仪 器 与 设 备：气 相 色 谱 质 谱 仪：7890B-5977A；CTC 进样器；色谱柱：HP-5MS（30m*250m*0.25m）；自动固相微萃取装置；离子源：Extraction；ZR4-6 混凝试验搅拌机。试剂和材料：甲醇（色谱纯）、氯化钠（优级纯）、2-甲基异莰醇（2-MIB）标准储备溶液（100mg/L）、土臭素标准储备溶液（100mg/L）、标 准 中 间 溶 液（=1.00mg/L，分别吸取 2-甲基异莰醇标准储备溶液、土臭素标准储备溶液 100uL 于 10mL 用甲醇稀释至刻度并摇匀）赵山渡水库原水浊度为 4.60NTU，pH 值约为 7.42。1.2 仪器条件1.2.1 气相色谱条件GC 条件：进样口温度：250；柱箱升温程序：初始温度 60保持 3min，以 10/DOI:10.14143/ki.czgs.2023.01.0252023 年第 1 期 66 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水质分析与监测min 升至 140并保持 3min，再以 5/min升至 160；以 30/min 升至 250并保持2min。进样模式：不分流；恒流模式，流速为 1.0mL/min；载气：高纯氦。1.2.2 气相质谱条件MS 条件：电离方式为 EI 源；离子源温度：230；MS 四极杆温度：150；传输线温度：280；溶剂延迟 5min；总离子扫描（TIC）质荷比（m/z）：45 400；采用选择离子扫描（SIM）模式，参数见表 1。表 1土臭素和 2-甲基异莰醇的选择离子和扫描时间物质选择离子（m/z）扫描时间/（min）2-甲基异莰醇95*，107，1085.00 11.00土臭素112*，111，12511.00 16.002-异丁基-3-甲氧基吡嗪（内标）124*，94，1515.00 11.00注：*表示 SIM 模式时选择的定量离子。2.试验步骤2.1 试验原水配置在烧杯试验中，向 1 升水中加入一定浓度的 2-甲基异莰醇和土臭素标准溶液，配置成2-MIB 和 GSM 浓度均为 100ng/L 的试验用水。2.2 混凝搅拌试验2.2.1 固体活性炭（S）与液体炭浆（L）的投加比较试验直接称取固体活性炭粉末投加和使用液体炭浆溶液（10g/L）投加对比，结果如图 1 和图 2。5055606570758085102030去除率/%活性炭投加量（mg/L）固体活性炭粉末GSM去除率%图 1不同形态的活性炭去除 GSM 效率 1020304050607080102030去除率/%活性炭投加量(mg/L)固体活性炭粉末2-MIB去除率%图 2不同形态的活性炭去除 2-MIB 效率表 2不同形态不同浓度的活性炭去除 2-MIB 和 GSM的差值烧杯序号123活性炭投加量（mg/L）102030 S-L（2-MIB）（%）17.810.812.9 S-L（GSM）（%）12.37.910.2注：表 2 中的两种不同形态不同浓度活性炭对 2-MIB 去除率差值用S-L（2-MIB）%表示，对 GSM 去除率差值用S-L（GSM）%表示。由表 2 可知，使用液体炭浆溶液比直接加固体活性炭粉末效果更好，炭浆相比固体活性炭粉末 2-MIB 的去除率平均约高 13.8%，GSM 的去除率平均约高 10.1%，下面实验多使用炭浆溶液。2.2.2 活性炭吸附时间对去除嗅味物质的影响分别投加 10，15，20，25，30，40mg/L的炭浆溶液，在吸附不同时间段后分别取上清液上机检测，结果如下图：30405060708090020406080100去除率/%吸附时间/min 炭浆10mg/L 炭浆15mg/L 图 3不同浓度炭浆溶液吸附时间对 2-MIB 去除率变化2023 年第 1 期 67 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水质分析与监测 556065707580859095100020406080100去除率/%吸附时间/min 炭浆10mg/L 图 4不同浓度炭浆溶液吸附时间对 GSM 去除率变化实 验 表 明 活 性 炭 的 吸 附 时 间 至 少 为30min，1 小时后即使再增加活性炭的吸附时间 2-MIB 和 GSM 的去除率均无明显变化,这主要是因为一定时间后活性炭的吸附容量达到了饱和。2.2.3 活性炭最佳投加量的选择分别投加 10，15，20，25，30，40mg/L的炭浆溶液，ZR4-6 混凝试验搅拌机在 60r/min 搅拌 1 小时后加入 8.5mg/L 聚合铝混凝搅拌，静沉后取上清液上机检测，结果如图 5：405060708090100510 15 20 25 30 35 40 45去除率（%）活性炭投加量(mg/L)不同浓度活性炭投加量对2-MIB、GSM的去除率 2-M图 5不同浓度活性炭投加量对 2-MIB、GSM 的去除率由图 5 可知，投加 40mg/L 的炭浆溶液可以使 2-甲基异莰醇的去除率达到 92%以上，土臭素的去除率达到 98%以上。但是考虑到处理成本，活性炭投加量达到 25mg/L 以上 2-甲基异莰醇的去除率达到 80%以上，土臭素的去除率达到 90%以上。2.2.4 模拟泵站和水厂投加2.2.4.1 模拟泵站投加我市原水从泵站到某水厂约需 1 小时，本次模拟泵站运行工艺投加。加入不同浓度的炭浆溶液，ZR4-6 混凝试验搅拌机在 60r/min 搅拌60min 后，再加入聚合铝（PAC）8.5mg/L 充分搅拌静沉后取上清液上机检测获得数据表 3。表 3模拟泵站炭浆投加量对水质理化的影响烧杯序号123456炭浆投加量（mg/L）102030404550浊度（NTU）0.4650.3380.1840.2850.2360.194pH 值7.23 7.32 7.39 7.42 7.45 7.44 2-MIB（ng/L）48.5 28.7 14.6 12.8 10.0 10.8 GSM（ng/L）21.6 7.3 1.2 1.2 0.5 0.1 2-MIB 去除率（%）51.5 71.3 85.4 87.2 90.0 89.2 GSM 去除率（%）78.4 92.7 98.8 98.8 99.5 99.9 2.2.4.2 模拟水厂投加模拟水厂运行工艺投加，同时加入不同浓度的炭浆溶液（炭浆原液：10g/L）样品和聚合铝（PAC）8.5mg/L，ZR4-6 混凝试验搅拌机匀速在 10r/min 转速下搅拌 2 小时后取上清液上机检测获得数据表 4。表 4模拟水厂炭浆投加量对水质理化的影响烧杯序号123456炭浆投加量（mg/L）102030404550浊度（NTU）0.7740.6030.4430.3150.1810.2922-MIB（ng/L）54.0 46.3 32.5 27.9 23.9 23.0 GSM（ng/L）31.9 31.9 18.9 15.9 14.4 12.9 2-MIB 去除率（%）46.0 53.7 67.5 72.1 76.1 77.0 GSM 去除率（%）68.1 68.2 81.1 84.1 85.6 87.1 由表 3、表 4 可以看出泵站投加比水厂投加 2-MIB、GSM 去除率要高。加入活性炭间隔一个小时后，再加入聚合铝比同时投加活性2023 年第 1 期 68 CITY AND TOWN WATER SUPPLY水质分析与监测炭和聚合铝 2-MIB、GSM 去除率要高。3.结论3.1 使用液体炭浆溶液比直接加固体活性炭粉末效果更好，炭浆相比活性炭粉末 2-MIB的 去 除 率 约 高 13.8%,GSM 的 去 除 率 约 高10.1%。3.2 投加活性炭后形成的黑色矾花更大更重使沉积效果更好，浊度明显降低，相比单独使用聚合铝净化效果明显增强。3.3 实验表明活性炭的吸附时间至少为30min，1 小时后即使再增加活性炭的吸附时间 2-MIB 和 GSM 的去除率均无明显变化。3.4 先投加炭浆 25mg/L 吸附 60min 后再投加 PAC 混沉后 2-MIB 的去除率达到 80%以上，GSM 的去除率达到 90%以上。3.5 同时投加活性炭和聚合铝明显降低了活性炭的利用率，先加活性炭再加聚合铝能使2-MIB 的去除率提高约 13.7%，GSM 的去除率提高约 15.6%。参考文献：1 Lloyd SW，Lea JM，Zimba PV，et al.apid analysis of geosmin and 2 methylisoborneol in water using solid phase micro extraction proceduresWat es，1998，32（32）：2140 21462 Wert EC，Korak JA，Trenholm A，et al.Effect of oxidant exposure on the release of intracellular microcystin，MIB，and geosmin from three cyanobacteria speciesWat es，2013，52（4）：251 2593 Zaitlin B，Watson SB，idal J，et alActinomycetes in Lake Ontario:habitats and geosmin and MIB production.American Water Works Association，2003，95（2）：113 1184 Izaguirre G，Taylor WD.A guide to geosmin and MIB producingcyanobacteria in the United StatesWat Sci Tech，2004，49（9）：19 245 庞雅丽高锰酸钾与粉末活性炭联用去除水中嗅味物质北京：北京工业大学，20116 徐盈，黎雯，吴文忠东湖富营养化水体中藻菌异味性次生代谢产物的研究生态学报，1999，19（2）：212 2167 李伟光，李大鹏，张金松用粉末活性炭去除饮用水中的嗅味中国给水排水，2002，18（4）：47 498 Chen G，Dusser