(2: 华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室, 广州 510275)
(3: 中山大学测试中心, 广州 510275)
(2: Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong Higher Education Institutes, Guangzhou 510275, P. R. China)
(3: Instrumental Analysis & Research Center, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, P. R. China)
水体嗅味问题普遍存在于我国的湖泊水库等水体中[1].近年来,我国江苏太湖[2]、云南滇池[3]和湖北熊河水库[4]等湖库均有水体异嗅事件发生.引起水体嗅味的物质主要为土臭素(Geosmin, GSM)、2-甲基异茨醇(2-methylisoborneol, MIB)、2-异丙基-3-甲氧基吡嗪(2-isopropyl-3-methoxypyrazine, IPMP)、2-异丁基-3-甲氧基吡嗪(2-isobutyl-3-methoxypyrazine, IBMP)以及2, 3, 6-三氯苯甲醚(2, 3, 6-trichloroanisole,TCA)等[5].嗅味物质不仅会使水体产生异嗅味从而给人带来感官的不适[6],而且对生物具有较高的毒性[7].污水处理厂和自来水厂的混凝沉淀等处理工艺对嗅味物质的浓度变化有一定的影响[8].
由于异嗅味是湖库等水体的常见问题,国内外已有不少对嗅味物质分布与去除的研究. Zuo等[4]研究了湖北熊河水库中的嗅味物质,发现GSM和MIB等嗅味物质主要由蓝藻和细菌等产生;Tung等[9]和Chiu等[10]研究发现台湾水库群中已普遍存在着嗅味物质,且自来水厂的沉淀工艺能够去除约50 %的嗅味物质;Westerhoff等[11]调查了美国亚利桑那州3个水库中的嗅味物质,发现嗅味物质在春、夏季浓度较高而秋、冬季浓度较低,且与细菌及藻类的生长繁殖有着密切关系.在国内,目前常见的是对单个湖库中嗅味物质进行研究,但对区域的嗅味物质分布研究尚不多见.梁恒等[12]和Hageskal等[13]通过对不同水处理工艺流程的研究,发现常规混凝沉淀工艺对藻类的去除率小于60 %;刘成等[14]分析了在藻类暴发时,常规混凝沉淀工艺在投药量很大的情况下能去除约80 %的藻类.国内学者对嗅味物质的研究多为混凝沉淀工艺对藻类的去除研究,鲜有对污水处理厂和自来水厂工艺流程以及强化混凝沉淀工艺对嗅味物质去除的相关探讨.
珠江三角洲是全国经济发展最迅速的地区之一[15]. “珠江三角洲经济区”的范围主要为珠江沿岸的广州、深圳、佛山、珠海、东莞、中山、江门、惠州和肇庆9个城市.为探讨珠江三角洲湖库中GSM、MIB、IPMP、IBMP和TCA这5种嗅味物质的分布情况,以及污水处理厂和自来水厂各级处理工艺中嗅味物质的浓度变化规律,并研究强化混凝沉淀工艺对嗅味物质的去除效果,本文在珠江三角洲的9个城市中选取了具有代表性的48个湖库进行水体样品采集,分析了珠江三角洲的污水处理厂A和B、自来水厂C和D的处理工艺对嗅味物质的去除率,同时着重于研究混凝剂投加量、嗅味物质初始浓度、反应体系pH值以及搅拌速率对强化混凝沉淀工艺除嗅的影响,以找到混凝沉淀除嗅效果最佳的控制条件,为有效去除水中的异嗅味提供依据.
1 材料与方法 1.1 样品采集本文针对珠江三角洲的湖库水体、污水处理厂与自来水厂水体进行研究,对9个城市中的48个湖库、2个污水处理厂与2个自来水厂进行水体样品采集(图 1),表 1为本研究的湖库采样点编号对应信息.于2017年12月,将有机玻璃采水器置于水面以下0.5 m处采集水样,先用水样润洗采样器和采样瓶3遍,再将水样装于100 ml棕色玻璃样品瓶中;对于污水处理厂和自来水厂的进水和出水等在水龙头采集的水样,先打开水龙头使水样缓慢流出约5 min后再采集.样品瓶中装满水,不留空气,采样后尽快将样品置于4℃的冰箱中保存,待测定时再恢复至室温.
仪器:酸度计(上海精密科学仪器有限公司);78-2型双向磁力加热搅拌器(金城国胜实验仪器厂);程控六联混凝搅拌仪(武汉恒岭科技有限公司);Agilent 7890A/5975C GC/MSD气相色谱仪-质谱检测器(美国Agilent公司);DB-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取纤维头.
试剂:5种嗅味物质的标准物质均为浓度为100 μg/ml的CH3OH溶液,购自上海安谱科学仪器有限公司;2.5 mg/ml (Al2O3计)的Al2(SO4)3溶液;NaCl(分析纯)使用前经马弗炉450℃加热4 h消除混入的有机物;H2SO4(分析纯)和NaOH(分析纯)为pH调节剂;18.2 MΩ超纯水,经Millipore公司纯水器制备;载气为99.999 %高纯度氮气.
1.3 定性定量方法固相微萃取(Solid Phase MicroExtraction, SPME)技术具有操作简单、快速和费用低廉等优点[16-17],GSM、MIB、TCA、IPMP和IBMP这5种嗅味物质均为挥发性或半挥发性有机物[18-19],可用SPME进行前处理,并用色谱质谱(Gas Chromatography/Mass Spectrometry, GC/MS)进行浓度测定.
前处理方法:将10 ml水样或标样加入20 ml螺口顶空瓶中,加入质量分数为30 %的NaCl作为离子强度调节剂,用装有聚四氟乙烯硅胶隔垫的螺纹瓶盖盖上,振荡.将顶空瓶放置在加热装置中,60℃预热10 min,SPME萃取头插入顶空瓶内上部空气中萃取1000 s,然后在GC进样口250℃解吸240 s,再进行GC升温程序测定汽化样品组分[20].
GC/MS条件:高纯氮(99.999 %)载气流量1.5 ml/min,隔垫吹扫流量保持3 ml/min,GC进样口温度250℃,采用不分流模式进样;色谱柱程序升温:40℃保持2 min,经8℃/min升至165℃,保持3 min.传输线温度280℃. EI离子源温度230℃,四极杆温度150℃,电子能量70 eV,质量数扫描范围10~350 amu[20].
1.4 质量控制与保证每个水样与标样均设置3组平行样,并设置空白样(吸取10 ml的超纯水,以同样的步骤进行实验).使用标准物质配制浓度为1~200 ng/L的混合标准溶液,并用GC/MS测定标样.通过标样的色谱图确定目标化合物的出峰时间和特征离子,并得到标准曲线及其决定系数(R2)和精密度(Relative Standard Deviation, RSD);根据美国EPA的标准,采用3倍信噪比计算各目标物的方法检出限(Method Detection Limit, MDL),结果如表 2所示.
由表 2可知,运用本实验所采用的方法测定这5种嗅味物质,得到的标准曲线均具有良好的线性关系,R2均在0.999以上,RSD均控制在5 %以内,且该方法对5种嗅味物质的MDL均较低.而且,空白样中各嗅味物质的检测结果均低于其检出限.因此,采用此分析方法可以准确有效地检测水体中嗅味物质的浓度.
2 结果与分析 2.1 珠江三角洲湖库水体嗅味物质浓度使用上述方法对珠江三角洲9个城市的湖库水体中的5种嗅味物质进行浓度检测,得到各湖库中5种嗅味物质的总浓度,结果见图 2.由图 2可知,珠江三角洲9个城市的48个湖库水体中均有嗅味物质检出,说明嗅味物质已经普遍存在于珠江三角洲的湖库水体中.其中,广州、佛山、肇庆、东莞、惠州和深圳6个城市的湖库水体中嗅味物质浓度较高,其嗅味物质平均浓度分别为71.01、70.93、102.37、116.61、110.96和93.38 ng/L.广州的华农洪泽湖、中大北湖、黄埔湖和聚秀湖、佛山的秀丽湖、肇庆的九龙湖、东莞的松山湖、惠州的平湖和红花湖以及深圳的龟寿湖等,其嗅味物质总浓度均超过了100.00 ng/L.而中山、珠海与江门3市的湖库水体中嗅味物质浓度相对较低,其平均浓度分别为22.78、58.82和35.22 ng/L.除了珠海的竹仙洞水体中嗅味物质总浓度为136.20 ng/L外,这3个城市其余湖库的嗅味物质总浓度均低于50.00 ng/L.导致水体产生异嗅味的生物主要有放线菌、藻类和真菌[20-22].当水源中某些藻类大量繁殖时,在其新陈代谢过程中会分泌多种嗅味物质,从而导致水体变臭.因为此次采样时间为枯季,各湖库补给河流的流量较小甚至无河流汇入,再加上湖库一般呈封闭或半封闭状态,其水体置换功能较弱,从而有利于藻类的繁殖,进而导致了部分湖库的嗅味物质浓度较高.此外,广州、佛山、肇庆、东莞、惠州和深圳6个城市的嗅味物质浓度较高,可能与汇入其中的营养物质浓度较高有关.
为了更全面地了解珠江三角洲湖库水体中嗅味物质的污染情况,本文进一步对各湖库水体中的5种嗅味物质所占的比重进行分析,结果见图 3. 图 3表明,MIB、TCA和GSM是珠江三角洲湖库中的主要嗅味物质,这3种嗅味物质占了嗅味物质总浓度的80.18 % ~100.00 %.其中,在广州的挂绿湖、佛山的三水南湖、肇庆的九龙湖、东莞的潇湴湖和清溪湖、深圳的东湖和三洲田、中山的逸仙湖、珠海的翠湖以及江门的东湖这10个湖库中,TCA的相对含量最高,占到了这些湖库的嗅味物质总浓度的50 %以上;广州的荔湾湖和海珠湖以及中山的得能湖这3个湖库水体的主要嗅味物质为GSM;而在佛山的西樵山天湖、东莞的松山湖、惠州的博罗明湖和红花湖以及深圳的龟寿湖这5个湖库中,MIB和TCA分别占了各湖库水体嗅味物质总浓度的40 %以上;除此之外的30个湖库(占了湖库总数量的62.50 %),其水体中的主要嗅味物质均为MIB.不同的藻类产生的主要嗅味物质是不同的. Sugiura等[23]的研究发现MIB、GSM和TCA主要由蓝绿藻和硅藻产生,施择等[24]和王敬富等[25]的研究表明在冬季我国南方湖库中的藻类以蓝藻门、绿藻门和硅藻门为主.另有研究表明,硅藻喜较低温度[26-27]、且对光照强度的适应能力较强[28],蓝藻门中的颤藻属较能适应低光强[29].同时,根据肖作义等[30]和丁震等[31]的研究,MIB主要由颤藻属产生.因此,珠江三角洲湖库水体中的嗅味物质可能主要来源于水体中的硅藻门和蓝藻门中的颤藻属.
珠江三角洲的污水处理厂A和B所处理的均为城镇居民生活污水,污水处理厂A采用的是氧化沟工艺,污水处理厂B采用的是厌氧/缺氧/耗氧(A2/O)工艺.本研究对这2个污水处理厂工艺流程中的嗅味物质浓度进行检测分析,其结果见图 4.
经过了污水处理厂的各级处理工艺,MIB、TCA和GSM这3种嗅味物质的浓度都有所降低.污水处理厂A和B对MIB的去除率分别为35.33 %和71.78 %,平均为53.55 %;对TCA的去除率分别为39.15 %和75.65 %,平均为57.40 %;对GSM的去除率分别为64.58 %和81.21 %,平均为72.90 %.采用A2/O工艺的污水处理厂B对嗅味物质的去除效果明显优于采用氧化沟工艺的污水处理厂A(图 5).这可能是由于A2/O工艺将厌氧池、缺氧池和耗氧池分开,厌氧、缺氧和耗氧3种不同的环境条件和不同种类的微生物菌群,能够更有效地去除水体中的嗅味物质.在污水处理厂A中,除了A2/O主体工艺外,由于曝气沉砂池在曝气过程中将挥发性或半挥发性的嗅味物质随气泡一起去除[18-19],因此污水经过曝气沉砂池后其嗅味物质浓度亦有一定的下降.
珠江三角洲河网密集,许多湖库与河道作为自来水厂的重要水源地,为人们的生活用水和工业用水等提供保障.本研究对珠江三角洲的自来水厂C和D的水处理流程中的嗅味物质进行检测分析,两个自来水厂均采用混凝、沉淀和过滤等水处理工艺.水厂的混凝沉淀等工艺能够对水体中嗅味物质浓度产生一定的影响[20].自来水厂C和D的各级处理工艺中MIB、TCA和GSM这3种嗅味物质的浓度变化情况见图 5.
自来水厂中的嗅味物质浓度沿着水处理工艺流程的大致趋势是下降的.经过各级水处理工艺后,自来水厂C和D对MIB的去除率分别为57.79 %和70.50 %,平均为64.14 %;对TCA的去除率分别为67.20 %和72.07 %,平均为69.63 %;对GSM的去除率分别为32.19 %和41.54 %,平均为36.86 % (图 5).
虽然常规水处理工艺对嗅味物质的去除效果比较不稳定[32],但从图 5可以看出,混凝沉淀工艺对MIB、TCA和GSM这3种嗅味物质具有一定的去除效果.混凝沉淀工艺对嗅味物质的去除主要有以下2个原因:一是嗅味物质属于挥发性或挥发性有机物[18-19],通过混凝搅拌会使其挥发而造成一定的损失;二是由于自来水厂C和D的混凝剂均为聚合氯化铝,聚合氯化铝属于无机高分子絮凝剂[33],能够对嗅味物质等有机物进行裹挟去除.
2.4 强化混凝沉淀工艺对嗅味物质的去除效果分析为了更好地去除水体中的嗅味物质,本文研究了强化混凝沉淀工艺对嗅味物质的去除效果.混凝沉淀工艺对有机物的去除效果受到有机物含量、混凝剂含量、搅拌强度和pH值等的影响[34].因此,本文分别考虑了混凝剂投加量、嗅味物质初始浓度、反应体系pH值以及搅拌速率对强化混凝沉淀工艺去除MIB、TCA和GSM的影响.
2.4.1 混凝剂投加量和嗅味物质浓度的影响第1部分:用超纯水配制1000 ml浓度为200 ng/L的嗅味物质混合溶液,分别投入0~8 ml 2.5 mg/ml(Al2O3计)的Al2(SO4)3溶液,300转/min快速搅拌30 s,100转/min中速搅拌7 min,50转/min慢速搅拌1 min;静置沉淀20 min.取上清液检测各水样的嗅味物质浓度,结果见图 6.
第2部分:用超纯水配制1000 ml浓度分别为20~300 ng/L的嗅味物质混合溶液,分别投加5.5 ml 2.5 mg/ml(Al2O3计)的Al2(SO4)3溶液,300转/min快速搅拌30 s,100转/min中速搅拌7 min,50转/min慢速搅拌1 min;静置沉淀20 min.取上清液检测各水样的嗅味物质浓度,结果见图 7.
在Al2O3投加量较小(小于13.75 mg/L)的情况下,嗅味物质的去除率随着Al2O3投加量的增加而增大;当Al2O3投加量较大(大于13.75 mg/L)时,嗅味物质的去除率基本稳定(图 6).由此可见,Al2O3混凝剂对嗅味物质的去除率有一个临界值,当Al2O3投加量大于临界值时,体系达到饱和,增大投加量对嗅味物质的去除无明显的促进作用.当嗅味物质的初始浓度为200 ng/L时,Al2O3投加量的临界值约为13.75 mg/L.体系稳定后,Al2O3对TCA、GSM和MIB的去除率分别为60.23 %、58.55 %和44.44 %.由于在Al2O3对有机物的去除过程中,主要依靠铝盐的吸附架桥和网捕卷扫作用[35],当Al2O3投加量大于临界值时,会产生“胶体保护”,使脱稳胶粒电荷变号或使胶粒被包卷重新稳定[36],故体系饱和后增大Al2O3投加量无法提高嗅味物质的去除率.
当Al2O3投加量一定(13.75 mg/L)时,随着嗅味物质初始浓度的增大,Al2O3对嗅味物质的去除率逐渐降低并趋于稳定(图 7).说明定量的Al2O3仅能去除一定量的嗅味物质,当嗅味物质浓度较大时,需要增大Al2O3投加量方可有效地去除嗅味物质.
因此,Al2O3投加量对嗅味物质的去除有重要作用,但其投加量存在临界值. Al2O3投加量过低,无法形成凝聚,对嗅味物质的去除率较低;Al2O3投加量过高,不仅会造成浪费和增加水处理的成本,而且会使多余的铝盐造成二次污染.
2.4.2 pH值的影响用超纯水配制1000 ml浓度为200 ng/L的嗅味物质混合溶液,将其pH值分别调节至1~9,分别投加5.5 ml2.5 mg/ml(Al2O3计)的Al2(SO4)3溶液,300转/min快速搅拌30 s,100转/min中速搅拌7 min,50转/min慢速搅拌1 min;静置沉淀20 min,取上清液检测各水样的嗅味物质浓度.
从图 8可以看出,反应体系的酸碱度对嗅味物质的去除率有着较为重要的影响.随着反应体系中pH值的增大,混凝沉淀对水体中嗅味物质的去除率先升高后降低.当pH值为7时,GSM的去除率达到最优,为76.74 %;当pH值为8时,MIB的去除率达到最优,为74.92 %;当pH值为6时,TCA的去除率达到最优,为51.46 %.因此,当pH值处于5~8的范围内时,混凝沉淀对嗅味物质的去除率均大于强酸性(pH<4)与强碱性(pH>9)条件下的去除率.因为水体中的嗅味物质是憎水性有机物,在水中以分子形态存在且不会在水中发生电离,因此pH值不会影响嗅味物质在水中的存在形态.由此可知,pH值对嗅味物质去除率的影响主要是通过影响铝盐混凝剂的性质来实现的.当pH过低时,混凝剂的水解受到限制,使得体系中没有足够的羟基(—OH)进行桥联作用,絮凝效果较差;当pH值过高时,混凝剂又会溶解生成带负电荷的络合离子而不能很好地发挥混凝作用[37-38].因此,pH值过低或过高均会造成混凝处理效果较差,使得嗅味物质的去除率不高.
用超纯水配置1000 ml浓度为200 ng/L的嗅味物质混合溶液,分别投加5.5 ml2.5 mg/ml(Al2O3计)的Al2(SO4)3溶液,分别在50、100和300转/min的不同搅拌强度下搅拌14 min,静置沉淀20 min,取上清液检测各水样的嗅味物质浓度.
因为机械搅拌是简单、经济和高效的混凝反应搅拌方式[39],所以本研究用不同的搅拌强度来表示不同的水力条件. 图 9反映了不同搅拌强度(即水力条件)对嗅味物质去除效果的影响.
在慢速搅拌(50转/min)的条件下,嗅味物质的去除率在搅拌初始阶段是较低的,当搅拌时间达到12 min之后,嗅味物质的去除率才基本稳定(图 9a).在中速搅拌(100转/min)的条件下,嗅味物质的去除率在搅拌时间达到8 min后才稳定(图 9b).在快速搅拌(300转/min)的条件下,嗅味物质的去除率只需4 min便达到稳定(图 9c);而且相对于慢速搅拌和中速搅拌,快速搅拌对嗅味物质的去除率明显增大,约为50 %.因此,搅拌速率的大小对嗅味物质的去除率有重要影响.搅拌速率越快,嗅味物质的去除率越高且越快达到稳定.
3 结论1) 珠江三角洲9个城市的48个湖库水体中嗅味物质的检出率达到100 %,说明嗅味物质已经普遍存在于珠江三角洲的湖库水体中.其中,广州、佛山、肇庆、东莞、惠州和深圳6市的湖库水体中嗅味物质浓度较高,而中山、珠海与江门3市的湖库水体中嗅味物质浓度相对较低. MIB、TCA和GSM是珠江三角洲湖库水体中的主要嗅味物质,这3种嗅味物质浓度占嗅味物质总浓度的80.18 % ~100.00 %.
2) 污水处理厂和自来水厂的处理工艺对嗅味物质有一定的去除效果,嗅味物质的去除主要发生在混凝沉淀阶段.
3) Al2O3投加量对嗅味物质的去除存在临界值,当嗅味物质初始浓度为200 ng/L时,Al2O3投加量为13.75 mg/L可使得混凝沉淀工艺对嗅味物质的去除效果最佳且铝盐不超标.当反应体系的pH值为5~8时,混凝沉淀工艺对嗅味物质的去除效果最佳;pH值过低或过高均会造成混凝处理效果较差,使得嗅味物质的去除率不高.搅拌速率的快慢对嗅味物质的挥发和混凝沉淀的反应速率均有一定的影响,进而对嗅味物质的去除率造成影响;搅拌速率越快,嗅味物质的去除率越高且越快达到稳定.
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