為了服務(wù)更多水行業(yè)技術(shù)人員，《凈水技術(shù)》雜志社以我國一線水行業(yè)技術(shù)工作者對最新科研成果與動態(tài)的求知需求為出發(fā)，按主題的形式對過去一年周期內(nèi)的最新SCI文獻成果進行梳理，力求通過專題式的信息為廣大讀者提供更為聚焦的幫助。
　　美國《科學(xué)引文索引》(Science Citation Index,簡稱SCI )于1957年由美國科學(xué)信 息研究所(Institute for Scientific Information，簡稱ISI)在美國費城創(chuàng)辦，是由美國科學(xué)信 息研究所(ISI) 1961年創(chuàng)辦出版的引文數(shù)據(jù)庫。SCI (科學(xué)引文索引)與EI (工程索引)、 ISTP (科技會議錄索引)被并稱為世界著名的三大科技文獻檢索系統(tǒng)。
　　地表水供應(yīng)中存在令人反感的味道和氣味（T＆O）化合物是全國乃至全世界飲用水公用事業(yè)面臨的普遍問題。通過工作臺和中試規(guī)模的測試，本研究開發(fā)并評估了高效率的生物粗濾技術(shù)，可以替代土臭素和2-甲基異冰片醇，這有助于公用事業(yè)公司在不增加年度運營預(yù)算的情況下最大程度地減少T＆O投訴。測試表明，生物粗濾可以使用較短的接觸時間有效地處理各種各樣的原水T＆O，并且間歇性地存在T＆O化合物似乎不會明顯影響去除效果。初步測試結(jié)果用于制定全尺寸54毫克生物粗濾器的設(shè)計標準，該過濾器目前正在佛羅里達州海?？h處理地表水。
　　生物粗濾器（BRF）運行在污水處理廠的頂部（圖1），自1800年代初以來就以慢速砂濾的形式被使用。通過生物濾池處理含T＆O的原水的主要好處是可以利用可生物降解的有機碳和養(yǎng)分，而這些有機碳和養(yǎng)分可以通過常規(guī)處理去除。在海?？h水處理廠（佛羅里達州布雷登頓）進行了基準規(guī)模和中試規(guī)模的研究，研究了各種BRF中的土臭素和MIB去除情況。
　　
　　材料與方法
　　試驗儀器與設(shè)計
　　為了進行實驗室規(guī)模的測試，將來自海牛湖的原水供應(yīng)到76 L不銹鋼水箱中，摻入100 ng/L MIB和土臭素，泵送上流通過直徑為2英寸的玻璃柱，該柱中含9英寸純凈的F-400瀝青顆?；钚蕴浚ㄓ行С叽?.55~0.75 mm；均勻系數(shù)最大1.9）。流速為15~92 mL/min，分別對應(yīng)于EBCTs為30~5 min。該柱用鋁箔包裹，以防止顆?；钚蕴看仓械墓怵B(yǎng)生長，運行54 d。
　　為了進行初步研究，將來自海牛湖的原水直接泵送到238 L的不銹鋼桶中，使用3個平行的6英寸直徑過濾柱（圖2）。將土臭素（≥97% Sigma-Aldrich）和MIB（≥98% Sigma-Aldrich）從裝有蠕動泵的18 L儲水罐中摻入中試給水。在原水濃度（100~3 000 ng/L）和BRF EBCT（1~20 min）內(nèi)評估了除臭劑的含量，并分別和同時加入了加臭劑。還評估了間歇性加味劑存在的影響和氮的添加（0.18 mg/L NH4Cl-N）的影響。
　　
　　采樣和分析方法
　　對于臺式研究，每天從水箱和色譜柱流出物中取樣并儲存在4 ℃環(huán)境下，直到可以在海?？h實驗室進行MIB和土臭素分析。每天采集樣品進行UV254吸收測試。每周取樣以獲取總有機碳（TOC），并用濃鹽酸保存，并保存在4 ℃直至在海?？h實驗室進行分析。在試驗研究過程中，根據(jù)測試階段，每周收集進水和出水樣品1~5次，并分別測定土臭素、MIB、溫度、pH、溶解氧、TOC、溶解的Mn和Fe。
　　成本模型開發(fā)
　　開發(fā)了成本敏感性模型，并將其用于評估海牛縣水處理廠進行全面生物預(yù)處理的設(shè)計和操作方案。模型輸入變量包括地表水流量，生物濾池位置，化學(xué)添加選項，EBCT（3、6.3、10 min），生物濾池床深度，粗濾池冗余和成本估算假設(shè)。模型輸出為資本成本，年度O＆M成本以及與生物濾池運行相關(guān)的使用率，以及投資回收期。使用歷史PAC使用量和固體處置成本計算投資回收期。根據(jù)歷史上出現(xiàn)的臭味和先導(dǎo)性能，選擇達到最終出水目標濃度的去除土臭素作為成本敏感性模型的控制基礎(chǔ)。
　　結(jié)果與討論
　　實驗室規(guī)模測試
　　MIB，土臭素，TOC和UV254的突破曲線如圖3所示。原水TOC（~13~18 mg/L），土臭素（5~160 ng/L）和MIB（5~160 ng/L）在研究開始時，通過GAC吸附除去。大約8 d后，TOC和UV254突破發(fā)生，因為吸附能力降低，而大約2周未觀察到低水平的MIB和土臭素突破。在最后三周的測試中，一致地去除了10%~19%的UV254和TOC，這表明BRF中已經(jīng)形成了生物活性，這是通過目視觀察GAC床底部生物量得到的。當結(jié)合GAC上可見的生物膜和TOC/UV254去除趨勢時，土臭素和MIB的突破/去除曲線表明，大約40 d后，當觀察到的氣味去除時，生物學(xué)機制至少部分負責(zé)超出了最初的吸附能力。因此，已經(jīng)達到了概念驗證的目標，項目團隊認為有必要進行一項初步研究，以確認基準規(guī)模的結(jié)果并為全尺寸BRF制定設(shè)計標準。
　　
　　中試測試
　　（1）生物適應(yīng)
　　在適應(yīng)期間，EBCT為10 min，這對應(yīng)于BRF 1和3的9.0 m/h的水力加載速率和BRF 2的5.1 m/h的水力加載速率（即，僅使用BRF 2的無煙煤和砂深度計算EBCT）。TOC和UV254吸光度（Abs254）被用作替代物，以監(jiān)測新鮮培養(yǎng)基的生物適應(yīng)性（圖4）。基于GAC的BRF的突破趨勢與實驗室研究一致，吸附能力迅速耗盡，然后穩(wěn)定除去TOC和Abs254。正如預(yù)期的那樣，最初在無煙煤BRF中去除了可忽略不計的有機物。在適應(yīng)階段測試的最后100 d中，BRF 1，BRF 2和BRF 3的平均紫外線吸收率去除分別為4.1%±1.4%，2.2%±1.6%和3.8%±1.3%。平均TOC去除率分別為3.8%±1.8%，2.8%±4.4%和5.1%±8.1%。由于GAC的表面積更大，因此基于GAC的BRF的去除率更高，這可能會導(dǎo)致更大的細菌定植。
　　
　?。?）連續(xù)加香味劑
　　在測試的最初52 d中，在10 min的EBCT上進行了連續(xù)加香劑試驗（圖5）。進水土臭素和MIB的濃度分別為8~35 ng/L和20~44 ng/L，并且一致地去除了兩種臭味劑，使其低于Manatee County的治療目標（7 ng/L土臭素，12 ng/L MIB）。不管使用何種介質(zhì)，進料臭味劑濃度和原水溫度（11.7~22.1℃），去除臭味劑的百分比通常都大于95%。無煙煤BRF的性能與GAC BRF一樣，因此，可以隔離生物氣味的降解。
　　
　?。?）挑戰(zhàn)測試
　　經(jīng)過連續(xù)的加味劑測試之后，開始了為期225 d的挑戰(zhàn)測試階段（圖6）。當原水中不存在土臭素和MIB時，模擬了季節(jié)性的存在/不存在。此外，在此測試的某些部分中，MIB和土臭素被同時加標，而在其他時期中，僅一種加味劑被加標到原水中。所有3個BRF的出水MIB水平均低于12 ng/L的處理目標，除單個實例外，在挑戰(zhàn)測試期間，BRF 3（820 GAC）和BRF 2（無煙煤）的出水土臭素均低于7 ng/L的目標。在這些測試中，未觀察到溫度對除味劑的特殊影響。總的來說，挑戰(zhàn)性測試表明BRF可以處理不斷增加的間歇性加味劑，為海?？h提供了一些針對T＆O突發(fā)性變化的處理保護。
　　
　　（4） EBCT測試
　　在前期試驗中，氣味去除率始終低于作用水平，所以進行了第二階段以評估和量化EBCT對氣味去除的影響。在加標試驗期間，在單個加標試驗中，在過濾器進水口6個樣品端口和過濾器流出物中收集深度樣品，以確定在7個EBCT /介質(zhì)深度處的除臭劑去除率。氣味濃度最高可達180 ng/L MIB和2 477 ng/L土臭素。圖7顯示了各種初始原水土臭素和MIB濃度下，隨著EBCT的增加，氣味劑的濃度。達到MIB和土臭素目標限值所需的EBCT繪制在圖8中，并匯總在表1中。在6.3 min的EBCT中，去除了10年最大觀察到的MIB濃度（165 ng/L）。在12 min的EBCT時去除了最大的土臭素濃度（2 432 ng/L）。
　


　?。?）氮的摻入
　　來自海牛湖的水中磷和碳含量很高，并且對氮的含量有限。因此，進行了試驗以查看氮的補充是否會改善過濾器的性能。將氮氣（NH4Cl）以0.18 mg/L N的濃度添加到原水中45 d，以使進水中的生物可利用碳:氨-N:正磷酸鹽-P的摩爾營養(yǎng)比達到100:10:1。在這段時間內(nèi)，未觀察到由反沖洗頻率，水頭損失或除臭劑百分比所決定的過濾器性能的改善。雖然氨是唯一受監(jiān)測的氮源，但其他氮源（例如BRF生物群落中的固氮劑）可以解釋為什么在此測試中未觀察到性能改善。
　　海?？h全規(guī)模系統(tǒng)
　　改變成本模型輸入，運行模型以實現(xiàn)一定范圍的可靠性和設(shè)計保守性。事實證明，EBCT對成本的影響最大，該模型估計的資本成本和投資回收期分別在1400萬美元~4100萬美元以及11年~33年。考慮到成本敏感性模型，設(shè)計并構(gòu)建了用于從海牛湖水中去除T＆O化合物的大型BRF。6個新的BRF作為恒定液位/恒定速率進水分流裝置運行。
　　BRF于2018年6月投入使用。從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日達到35 ng/L的峰值外，MIB濃度低于10 ng/L。在這段時間內(nèi)，BRF流出物中的MIB低于2 ng/L，但兩次檢測分別為2.5、3.1和8.2 ng/L。BRF將土臭素降至7 ng/L以下，直到6月5日原始土臭味素飆升至138 ng/L。在6月8日開始添加PAC來削減土臭素的峰值濃度，并一直持續(xù)到6月15日，在此期間通過結(jié)合BRF和PAC來實現(xiàn)去除氣味。
　　使用粗略估計的散點圖平滑度計算圖8的趨勢線，并使用基于t的近似值計算90%的置信區(qū)間（陰影）。由于（1）原水土臭素水平存在很大差異（這是由于每日降雨和通過主要溢洪道釋放的水引起的），并且（2）尚未完全制定采樣方案以說明處理單元滯留的原因，因此，無法完全表征時間或樣品中是否存在PAC。此后，工廠的監(jiān)控協(xié)議已進行了修改，以便可以量化未來加臭事件中的BRF性能。無論如何，在需要使用PAC之前的2019年加味劑事件期間，BRF在25 d的時間內(nèi)將MIB和土臭素去除至低于目標水平。
　　結(jié)論
　　這項研究為生物預(yù)處理作為從地表水中去除T＆O化合物（土臭素和MIB）的有效手段提供了概念驗證和中試規(guī)模驗證。在2008年—2014年，在各種試驗條件下（即原水濃度，季節(jié)性溫度波動和EBCT）在海牛湖水處理廠進行的BRF的基準規(guī)模和中試規(guī)模測試提供了可靠的結(jié)果。測試表明，BRF可以在較短的接觸時間內(nèi)有效地處理各種原水中的T＆O，而且T＆O化合物的間歇性存在似乎對去除效果沒有明顯影響。雖然無法完全量化BRF的性能，但BRF確實在相當長的一段時間內(nèi)將氣味去除至低于目標水平。由于地表水中藍藻水華的發(fā)生和強度可能會增加，公用事業(yè)公司將需要擴大選擇范圍，以解決高濃度和變化的藍藻水代謝產(chǎn)物的濃度。這項工作首次證明了生物預(yù)處理可以是選擇之一，還顯示了如何利用資本投資來節(jié)省T＆O處理的O＆M成本。