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SCI搬运工 | 解决味道和气味的创新方法

发布日期:2021-05-30 来源:净水技术
  为了服务更多水行业技术人员,《净水技术》杂志社以我国一线水行业技术工作者对最新科研成果与动态的求知需求为出发,按主题的形式对过去一年周期内的最新SCI文献成果进行梳理,力求通过专题式的信息为广大读者提供更为聚焦的帮助。
  美国《科学引文索引》(Science Citation Index,简称SCI )于1957年由美国科学信 息研究所(Institute for Scientific Information,简称ISI)在美国费城创办,是由美国科学信 息研究所(ISI) 1961年创办出版的引文数据库。SCI (科学引文索引)与EI (工程索引)、 ISTP (科技会议录索引)被并称为世界著名的三大科技文献检索系统。
  地表水供应中存在令人反感的味道和气味(T&O)化合物是全国乃至全世界饮用水公用事业面临的普遍问题。通过工作台和中试规模的测试,本研究开发并评估了高效率的生物粗滤技术,可以替代土臭素和2-甲基异冰片醇,这有助于公用事业公司在不增加年度运营预算的情况下最大程度地减少T&O投诉。测试表明,生物粗滤可以使用较短的接触时间有效地处理各种各样的原水T&O,并且间歇性地存在T&O化合物似乎不会明显影响去除效果。初步测试结果用于制定全尺寸54毫克生物粗滤器的设计标准,该过滤器目前正在佛罗里达州海牛县处理地表水。
  生物粗滤器(BRF)运行在污水处理厂的顶部(图1),自1800年代初以来就以慢速砂滤的形式被使用。通过生物滤池处理含T&O的原水的主要好处是可以利用可生物降解的有机碳和养分,而这些有机碳和养分可以通过常规处理去除。在海牛县水处理厂(佛罗里达州布雷登顿)进行了基准规模和中试规模的研究,研究了各种BRF中的土臭素和MIB去除情况。
  
  材料与方法
  试验仪器与设计
  为了进行实验室规模的测试,将来自海牛湖的原水供应到76 L不锈钢水箱中,掺入100 ng/L MIB和土臭素,泵送上流通过直径为2英寸的玻璃柱,该柱中含9英寸纯净的F-400沥青颗粒活性炭(有效尺寸0.55~0.75 mm;均匀系数最大1.9)。流速为15~92 mL/min,分别对应于EBCTs为30~5 min。该柱用铝箔包裹,以防止颗粒活性炭床中的光养生长,运行54 d。
  为了进行初步研究,将来自海牛湖的原水直接泵送到238 L的不锈钢桶中,使用3个平行的6英寸直径过滤柱(图2)。将土臭素(≥97% Sigma-Aldrich)和MIB(≥98% Sigma-Aldrich)从装有蠕动泵的18 L储水罐中掺入中试给水。在原水浓度(100~3 000 ng/L)和BRF EBCT(1~20 min)内评估了除臭剂的含量,并分别和同时加入了加臭剂。还评估了间歇性加味剂存在的影响和氮的添加(0.18 mg/L NH4Cl-N)的影响。
  
  采样和分析方法
  对于台式研究,每天从水箱和色谱柱流出物中取样并储存在4 ℃环境下,直到可以在海牛县实验室进行MIB和土臭素分析。每天采集样品进行UV254吸收测试。每周取样以获取总有机碳(TOC),并用浓盐酸保存,并保存在4 ℃直至在海牛县实验室进行分析。在试验研究过程中,根据测试阶段,每周收集进水和出水样品1~5次,并分别测定土臭素、MIB、温度、pH、溶解氧、TOC、溶解的Mn和Fe。
  成本模型开发
  开发了成本敏感性模型,并将其用于评估海牛县水处理厂进行全面生物预处理的设计和操作方案。模型输入变量包括地表水流量,生物滤池位置,化学添加选项,EBCT(3、6.3、10 min),生物滤池床深度,粗滤池冗余和成本估算假设。模型输出为资本成本,年度O&M成本以及与生物滤池运行相关的使用率,以及投资回收期。使用历史PAC使用量和固体处置成本计算投资回收期。根据历史上出现的臭味和先导性能,选择达到最终出水目标浓度的去除土臭素作为成本敏感性模型的控制基础。
  结果与讨论
  实验室规模测试
  MIB,土臭素,TOC和UV254的突破曲线如图3所示。原水TOC(~13~18 mg/L),土臭素(5~160 ng/L)和MIB(5~160 ng/L)在研究开始时,通过GAC吸附除去。大约8 d后,TOC和UV254突破发生,因为吸附能力降低,而大约2周未观察到低水平的MIB和土臭素突破。在最后三周的测试中,一致地去除了10%~19%的UV254和TOC,这表明BRF中已经形成了生物活性,这是通过目视观察GAC床底部生物量得到的。当结合GAC上可见的生物膜和TOC/UV254去除趋势时,土臭素和MIB的突破/去除曲线表明,大约40 d后,当观察到的气味去除时,生物学机制至少部分负责超出了最初的吸附能力。因此,已经达到了概念验证的目标,项目团队认为有必要进行一项初步研究,以确认基准规模的结果并为全尺寸BRF制定设计标准。
  
  中试测试
  (1)生物适应
  在适应期间,EBCT为10 min,这对应于BRF 1和3的9.0 m/h的水力加载速率和BRF 2的5.1 m/h的水力加载速率(即,仅使用BRF 2的无烟煤和砂深度计算EBCT)。TOC和UV254吸光度(Abs254)被用作替代物,以监测新鲜培养基的生物适应性(图4)。基于GAC的BRF的突破趋势与实验室研究一致,吸附能力迅速耗尽,然后稳定除去TOC和Abs254。正如预期的那样,最初在无烟煤BRF中去除了可忽略不计的有机物。在适应阶段测试的最后100 d中,BRF 1,BRF 2和BRF 3的平均紫外线吸收率去除分别为4.1%±1.4%,2.2%±1.6%和3.8%±1.3%。平均TOC去除率分别为3.8%±1.8%,2.8%±4.4%和5.1%±8.1%。由于GAC的表面积更大,因此基于GAC的BRF的去除率更高,这可能会导致更大的细菌定植。
  
  (2)连续加香味剂
  在测试的最初52 d中,在10 min的EBCT上进行了连续加香剂试验(图5)。进水土臭素和MIB的浓度分别为8~35 ng/L和20~44 ng/L,并且一致地去除了两种臭味剂,使其低于Manatee County的治疗目标(7 ng/L土臭素,12 ng/L MIB)。不管使用何种介质,进料臭味剂浓度和原水温度(11.7~22.1℃),去除臭味剂的百分比通常都大于95%。无烟煤BRF的性能与GAC BRF一样,因此,可以隔离生物气味的降解。
  
  (3)挑战测试
  经过连续的加味剂测试之后,开始了为期225 d的挑战测试阶段(图6)。当原水中不存在土臭素和MIB时,模拟了季节性的存在/不存在。此外,在此测试的某些部分中,MIB和土臭素被同时加标,而在其他时期中,仅一种加味剂被加标到原水中。所有3个BRF的出水MIB水平均低于12 ng/L的处理目标,除单个实例外,在挑战测试期间,BRF 3(820 GAC)和BRF 2(无烟煤)的出水土臭素均低于7 ng/L的目标。在这些测试中,未观察到温度对除味剂的特殊影响。总的来说,挑战性测试表明BRF可以处理不断增加的间歇性加味剂,为海牛县提供了一些针对T&O突发性变化的处理保护。
  
  (4) EBCT测试
  在前期试验中,气味去除率始终低于作用水平,所以进行了第二阶段以评估和量化EBCT对气味去除的影响。在加标试验期间,在单个加标试验中,在过滤器进水口6个样品端口和过滤器流出物中收集深度样品,以确定在7个EBCT /介质深度处的除臭剂去除率。气味浓度最高可达180 ng/L MIB和2 477 ng/L土臭素。图7显示了各种初始原水土臭素和MIB浓度下,随着EBCT的增加,气味剂的浓度。达到MIB和土臭素目标限值所需的EBCT绘制在图8中,并汇总在表1中。在6.3 min的EBCT中,去除了10年最大观察到的MIB浓度(165 ng/L)。在12 min的EBCT时去除了最大的土臭素浓度(2 432 ng/L)。
 
  (5)氮的掺入
  来自海牛湖的水中磷和碳含量很高,并且对氮的含量有限。因此,进行了试验以查看氮的补充是否会改善过滤器的性能。将氮气(NH4Cl)以0.18 mg/L N的浓度添加到原水中45 d,以使进水中的生物可利用碳:氨-N:正磷酸盐-P的摩尔营养比达到100:10:1。在这段时间内,未观察到由反冲洗频率,水头损失或除臭剂百分比所决定的过滤器性能的改善。虽然氨是唯一受监测的氮源,但其他氮源(例如BRF生物群落中的固氮剂)可以解释为什么在此测试中未观察到性能改善。
  海牛县全规模系统
  改变成本模型输入,运行模型以实现一定范围的可靠性和设计保守性。事实证明,EBCT对成本的影响最大,该模型估计的资本成本和投资回收期分别在1400万美元~4100万美元以及11年~33年。考虑到成本敏感性模型,设计并构建了用于从海牛湖水中去除T&O化合物的大型BRF。6个新的BRF作为恒定液位/恒定速率进水分流装置运行。
  BRF于2018年6月投入使用。从5月8日—5月10日,原水土臭素含量在22~25 ng/L,然后下降至6 ng/L以下,直到6月1日,然后上升至244 ng/L,在6月20日降至5 ng/L以下。除5月16日—6月1日达到35 ng/L的峰值外,MIB浓度低于10 ng/L。在这段时间内,BRF流出物中的MIB低于2 ng/L,但两次检测分别为2.5、3.1和8.2 ng/L。BRF将土臭素降至7 ng/L以下,直到6月5日原始土臭味素飙升至138 ng/L。在6月8日开始添加PAC来削减土臭素的峰值浓度,并一直持续到6月15日,在此期间通过结合BRF和PAC来实现去除气味。
  使用粗略估计的散点图平滑度计算图8的趋势线,并使用基于t的近似值计算90%的置信区间(阴影)。由于(1)原水土臭素水平存在很大差异(这是由于每日降雨和通过主要溢洪道释放的水引起的),并且(2)尚未完全制定采样方案以说明处理单元滞留的原因,因此,无法完全表征时间或样品中是否存在PAC。此后,工厂的监控协议已进行了修改,以便可以量化未来加臭事件中的BRF性能。无论如何,在需要使用PAC之前的2019年加味剂事件期间,BRF在25 d的时间内将MIB和土臭素去除至低于目标水平。
  结论
  这项研究为生物预处理作为从地表水中去除T&O化合物(土臭素和MIB)的有效手段提供了概念验证和中试规模验证。在2008年—2014年,在各种试验条件下(即原水浓度,季节性温度波动和EBCT)在海牛湖水处理厂进行的BRF的基准规模和中试规模测试提供了可靠的结果。测试表明,BRF可以在较短的接触时间内有效地处理各种原水中的T&O,而且T&O化合物的间歇性存在似乎对去除效果没有明显影响。虽然无法完全量化BRF的性能,但BRF确实在相当长的一段时间内将气味去除至低于目标水平。由于地表水中蓝藻水华的发生和强度可能会增加,公用事业公司将需要扩大选择范围,以解决高浓度和变化的蓝藻水代谢产物的浓度。这项工作首次证明了生物预处理可以是选择之一,还显示了如何利用资本投资来节省T&O处理的O&M成本。