杭州余杭水务有限公司水质监测中心 浙江省杭州市 311100
摘要：水体异嗅问题的暴发特别是水源水中的臭味物质，成为保障水质安全不可忽略的影响。本文重点研究了不同条件下粉末活性炭对水中典型异嗅化合物土臭素以及二甲基异冰片的去除效率。实验发现水中土臭素以及二甲基异冰片浓度在50ng/L-100ng/L时，投加20 mg /L的粉末活性炭可以达到比较彻底的去除。当土臭素以及二甲基异冰片浓度达到150ng/L时，20 mg /L的粉末活性炭基本可以去除土臭素，却不能完全去除二甲基异冰片，需投入50mg/L，二甲基异冰片才能消除至10ng/L的标准值以下。此外，净水剂的混凝沉淀对活性炭吸附土臭素以及二甲基异冰片的去除有一定的促进作用。
关键词：粉末活性炭；水；土臭素；二甲基异冰片
1、研究背景
随着工业生产的迅猛发展和城市人口的增加，日益增多的违规排放造成了饮用水水源的污染，导致许多水体处于富营养化状态。而藻类的大量繁殖不仅消耗了水中的溶解氧，同时释放臭味物质，导致水体异嗅问题的暴发特别是水源水中的臭味物质，成为保障水质安全不可忽略的影响。
曾有人（Suffet1）等将导致臭与味的物质及特性整理成嗅味轮，其中最为普遍的是一些具有土霉味的化合物，主要包括土臭素、2-甲基异冰片、2．异丙基．甲氧基吡嗪、2-异丁基-甲氧基吡嗪及2，3，6一三氯代茴香醚等。其中以土臭素（GSM）以及二甲基异冰片（2-MIB）研究得最多。
土臭素和二甲基异冰片均为环醇类，GSM为两相连的六角环结构，属稳定的椅式（chair）结构，2-MIB则类似五角环结构，两者都属于弱极性分子，在水中的溶解度不高，是微极性脂溶性化合物，易溶于甲醇、丙酮、正己烷、二氯甲烷等有机溶剂2。它们在室温下呈半挥发性，在含量高时有樟脑味和药品臭味，而在含量低时则分别为土臭味和霉味，人的嗅觉对其极为敏感，阈值为10ng/L，因此只要含有极微量的这些物质便能被感觉到。目前尚无报道发现土臭素以及二甲基异冰片对生物致死的现象，但是它们对生物体早期发育有一定的影响，国外有研究曾对土臭素以及二甲基异冰片对海胆早期发育的抑制作用进行研究。
根据苕溪流域往年的异臭情况，我们选择了土臭素以及二甲基异冰片这两种比较典型的水中嗅味物质作为研究目标，研究活性炭对其去除效果的研究。
混凝一沉淀一过滤一消毒常规处理工艺很难将这些物质从水中去除。对于可吸附有机污染物污染，应当采用粉末活性炭，用于水厂常规处理的强化预处理（在混凝之前投加）和水厂短期水质恶化和突发性水源污染的应急措施，在取水口或净水厂进口处投加（推荐在取水口投加），吸附去除大部分有机物。可有效去除80多种。
在活性炭应用在水处理工艺中的嗅味问题时，原水的背景水质（比如水中的总有机质含量、PH、浊度等）、加氯、混凝沉淀、活性炭投加位置以及接触反映时间均会对去除效果产生影响3，本实验是有目的性地针对本公司实际生产状况进行实验研究。
由于公司的活性炭投放点位于水源处，投加方式为湿法投加，以宏畔水厂的进厂原水做为研究对象。本实验测定了特定条件（使用生产原水，将活性炭粉末配成溶液，吸附时间也尽量控制在一小时内，最大程度模拟实际条件）下不同的粉末活性炭投加量对去除水中土臭素以及二甲基异冰片的影响。
2、实验方法与试剂
气质联用是检测水中土臭素以及二甲基异冰片最常用的方法，该法同时利用被分析物质的保留时间和质谱峰进行定性并使用标准物质进行定量分析，适用于复杂混合物中某一痕量组分的测定，具有较高的灵敏度和准确度。
本实验采取的是吹扫捕集法气质联用测定水中的土臭素以及二甲基异冰片。吹扫捕集是利用化合物较易挥发的特性对目标物进行富集，有取样量少，富集率高，受基体干扰小等特点，因此，本实验采取的是吹扫捕集法气质联用测定水中的土臭素以及二甲基异冰片。
2.1 色谱和质谱条件：
2.1.1 色谱条件
色谱柱：DB-624 UI 30m×0.25mm×1.40um；载气：（氦气）1.5 mL/min；分别比：10：1；初始温度：60℃，以10℃/min升温至160℃，再以20℃/Min升温至250℃，保持2min。
2.1.2 质谱条件
离子化方式：EI；离子源温度230℃；四级杆温度150℃；质谱扫描范围：50-500 amu；土臭素与二甲基异冰片的保留时间分别为10.904与13.194 min 。
2.2 吹扫捕集条件：
常温下吹扫时间11 min，220℃脱附1 min，240℃烘焙10 min 。
2.3 混凝搅拌条件：
程序1：使用型号为zr4-6的混凝搅拌仪，每升水样中添加不同浓度的PAC，匀速80转每分钟，50分钟，再静置10分钟；——模拟输水管道
程序2：每升水样中添加25mg的净水剂，匀速300转每分钟，3分钟，再匀速60转每分钟，10分钟，再静置10分钟。——模拟絮凝沉淀
其中，程序1主要用于研究在输水管道中，对于添加了活性炭的水样，不同浓度的活性炭溶液对土臭素以及二甲基异冰片的去除效果，程序2主要研究原水入厂以后，添加净水剂条件下对土臭素以及二甲基异冰片的去除水平。
2.4 标准样品：
土臭素和二甲基异冰片混合标样购自迪马科技，浓度为100mg/L。稀释10倍以后得到标准使用液，浓度为10mg/l。
2.5 加标水样的配置：
由于实际原水中未检出目标物，因此配置加标水样用于研究。在10L原水中加入0.5-2mL标准使用液，配置成浓度约为50ng/L~200ng/ L 的加标样，用于活性炭吸附实验。
2.6 活性炭悬浮液
活性炭购自内蒙古浦瑞芬环保科技有限公司，以灰分为5%~7%的无烟煤为原料，主要成分是无烟煤和焦油。用电子天平准确称取活性炭1g，配制成1g/L的悬浮液液。
3、结果与讨论
分别在1L原水中加入活性炭悬浮液（2.5）0mL、10mL、20mL、30mL、40mL以及50mL，
如图1所示，可以发现粉末活性炭对土臭素以及二甲基异冰片的吸附去除效果不同，对土臭素的去除效果要明显好于二甲基异冰片，这主要是由于两者的结构不同所致，土臭素具有较低的溶解度以及较适合吸附的结构，因而较容易被活性炭狭长的孔隙所吸附。
本实验测试了8组PAC投加量梯度实验结果发现，10 mg/L的PAC对原水中的土臭素的去除效率基本达到了70%以上，平均达到了77%；对二甲基异冰片的去除率基本在35%以上，平均达到了49%。20 mg/L的PAC对原水中的土臭素的去除效率基本达到了85%以上，平均达到了94%；对二甲基异冰片的去除率基本在70%以上，平均达到了83%。30mg/L的PAC对原水中的土臭素的去除效率除了两个水样（86、94%）其余的都达到了100%；对二甲基异冰片的去除率基本达到75%以上，平均去除率为93%；40 mg/L的PAC对原水中的土臭素的去除率除了一个样（93%），别的也都达到了100%去除，对二甲基异冰片的去除率有两个样未达到100%（83%、87%）
选择两组高浓度的数据进行分析我们发现，当水土臭素以及二甲基异冰片浓度较大，达到150ng/L的级别时，加入40mg/L的PAC不能 确保水中的二甲基异冰片达到阈值，要达到10ng/L以下的标准值，需要添加50mg/L的PAC。土臭素的去除效率相对较高。
再来对比两组初始浓度在50ng/L左右实验数据，可以发现20mg/L的PAC已经对水中的土臭素以及二甲基异冰片达到比较高的去除。
综合比较，去除率与初始浓度无关，没有非常明显的影响，当原水土臭素以及二甲基异冰片浓度在50ng/L-100ng/L时，投加20mg/L的PAC基本可以达到比较彻底的去除。当土臭素以及二甲基异冰片浓度达到150ng/L时，20mg/L的PAC基本可以去除土臭素，可是还是有明显超过阈值的二甲基异冰片残留，当加入50mg/L的PAC，二甲基异冰片可以基本达到去除消除效果，所以建议添加50mg/L的PAC。
再研究添加净水剂对去除水中土臭素以及二甲基异冰片的影响，进行了3组实验（如上图4所示），为了防止活性炭继续吸附对研究结果的干扰，选择了这3组实验里没有添加活性炭溶液的水样进行对比，基本上前后没有发生明显的浓度变化。再对比有添加活性炭溶液的几组水样，发现添加净水剂再进行搅拌吸附后，水样中的土臭素以及二甲基异冰片的浓度较之前都有所降低，这可能是由于在经过程序1后水中的活性炭吸附还未达到饱和，还有可能是净水剂混凝沉淀对活性炭对土臭素以及二甲基异冰片有一定的促进作用。
4、成本分析
本实验中所使用的粉末活性炭的市场价格约为6000元/吨，计算原水中土臭素及二甲基异冰片不同浓度下最优投加方案下每处理10000吨原水的药剂成本，如图5所示：
5、结论
5.1 粉末活性炭能有效去除水中的土臭素以及二甲基异冰片。
5.2 当原水中土臭素以及二甲基异冰片浓度在50ng/L-100ng/L时，投加20 mg /L的PAC可以达到比较彻底的去除。
5.3 当土臭素以及二甲基异冰片浓度达到150ng/L时，20 mg /L的粉末活性炭基本可以去除土臭素，却不能完全去除二甲基异冰片，需投入50mg/L的粉末活性炭，二甲基异冰片才能消除至10ng/L的标准值以下。
5.4 净水剂的混凝沉淀对活性炭吸附土臭素以及二甲基异冰片的去除有一定的促进作用。
参考文献：
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[4] 刘佳晶，王鹏辉.吹扫捕集气质联用测定水中嗅味物质的研究[J].油气田环境保护，2013，23（4）：45-47.
论文作者:姚建国,林敏 马贞依
论文发表刊物:《基层建设》2016年第33期
论文发表时间:2017/3/7
标签：冰片论文; 活性炭论文; 二甲基论文; 水中论文; 素以论文; 浓度论文; 粉末论文; 《基层建设》2016年第33期论文;