饮用水中Geosmin和2-MIB去除技术研究现状及展望.docx

1、饮用水中Geosmin和2-MIB去除技术研究现状及展望苏晓'23贾霞珍I胡建坤I韩宏大'李荣'韩正双'季民4天津水务集团有限公司，天津300042:2天津市自来水集团有限公司，天津300040：3天津大学环境科学与工程学院，天津300054:4天津市公用事业设计研究所，天津300100)摘要：土臭素Geosmin)和2-甲基异茨醇是饮用水源中普遍存在的嗅味问题，受到人们的广泛关注。系统分析了Geosmin和2-MIB在水中的来源及其存在形态，全面阐述了Geosmin和2-MIB的活性炭吸附、氧化、生物以及组合工艺等去除技术。结合几种技术的特点，对不同技术在实际

2、生产中的应用前景进行了展望。关键词：饮用水；土臭素；2-甲基异荻醇；去除技术中图分类号:TU991文献标识码：A文章编号：1002-84710021)S1051707DOI：10.13789/ki.wwel964.2021.Si.103引用本文：苏晓，贾霞珍，胡建坤，等.饮用水中Geosmin和2-MIB去除技术研究现状及展望61给水排水，2021，47白1):517-523.SUX，JIAXZ，HUJK，ctal.ResearchstatusandprospectofGeosminand2-MIBremovaltechnologyindrinkingwaterb.Water&Wast

3、ewaterEngineering*2021»47仓1)：51523.ResearchstatusandprospectofGeosminand2-MIBremovaltechnologyindrinkingwaterSUXiao'23,JIAXiazhen'，HUJiankun'，HANHongda'»LIRong'，HANZhengshuang*»JIMin4.TianjinWaterGroupCo.»LtD.»Tianjin300042»China:2.TianjinWaterworksG

4、roupCo.»LtD.，Tianjin300040»China：3.SchoolofEnvironmentalSciencearfJ)Engineering，TianjinUniversity»Tianjin300054，China：4.TianjinPublicUtilityDesign&ResearchInstitute，Tianjin300100，China)Abstract：Geosminand2-MIBarecommonodorproblemsindrinkingwatersources*whichhaveattractedmuchattent

5、ion.Inthispaper，thesourcesandformsofGeosminand2-MIBinwaterweresystematicallyanalyzed»andtheremovaltechnologiessuchasactivatedcarbonadsorptiontechnologyoxidationtechnology*biotechnologyandcombinedtechnologywerecomprehensivelyexpounded.Combinedwiththecharacteristicsofseveraltechnologies»thea

6、pplicationprospectofdifferenttechnologiesinactualproductionareprospected.Keywords：Drinkingwater:Geosmin;2-MIB：Removaltechnology基金项目：中国博上后科学基金资助项目Z020M67067D;天津水务集团有限公司科技项目2019KY-03).第47卷增刊2021年W0引言近年来，世界各地蓝藻水华暴发的频率越来越高,由蓝藻产生的次生代谢物所导致的水源异味问题，己成为饮用水中所面临的主要问题之一3。这些异味化合物中，土臭素Ceosmin）和2-甲基异茨醇&-MIB）是最

7、常见的两种代谢物，具有强烈的土霉味，旦嗅阙值极低Q10ng/L）。虽然毒理分析并未明确指出这两种嗅味物质会对人体健康产生不良影响，但它们的存在会严重影响饮用水的安全性和可接受性，己成为自来水消费者投诉比例最高的一类问题为了解决饮用水中Geosmin和2-MIB引起的嗅味问题，国内外学者开展了大站:有关Geosmin和2-MIB来源及可行的去除技术方面的研究，在此基础上，系统分析了饮用水中Geosmin和2-MIB的来源及存在形态，重点总结了Geosmin和2-MIB的吸附、氧化、生物以及组合工艺等去除技术。同时，根据不同去除技术的特点，对不同技术在实际生产中的应用前景进行了展望，旨在为不同存在

8、形态下Geosmin和2-MIB的去除工艺选择提供理论指导和有针对性的建议。1Geosmin和2-MIB来源及存在形态Geosmin和2-MIB通常是放线菌、蓝藻、粘细菌和真菌的次生代谢产物顽。早在1891年，Bezthelot等3研究发现放线菌发酵时产生的气味与上壤翻新时散发的气味类似。1965年.Gerber等"首先发现链霉菌属等放线菌能产生土霉味的代谢产物Geosmin。1969年，Medsker等"从放线菌培养物中又分离出了另-种常见的土霉味物质一2MIB。因此，起初人们认为土霉味物质Geosmin和2-MIB主要是由放线菌代谢产生的。随后，人们对Geosmin和2

9、-MIB的来源研究逐渐转向水体中的藻类，目前为止200多种藻被证实能产生Geosmin或2-MIB.主要包括席藻属、颤藻属、束丝藻属、以及鱼腥藻属等X，普遍认为水体中的蓝藻才是Geosmin和2-MIB的主要来源。Geosmin主要由鱼腥藻等代谢产生，而2-MIB主要由颤藻等丝状藻代谢产生据报道，口本的霞浦湖和琵琶湖、美国的Mathews湖、加拿大的Marim-ba湖、我国的洋河水库、青草沙水库、密云水库、于桥水库等饮用水水源中均出现不同程度的嗅味问题2007年洋河水库发生的Geosmin嗅味问题是由螺旋鱼腥藻水华引起的，密云水库秋季发生的2-MIB嗅味问题是由颤藻产生的，青草沙水库、于桥水库

10、等饮用水水源地存在的2-MIB嗅味问题则主要是由假鱼腥藻产生的小。Geosmin和2-MIB均为饱和环叔醇类物质，分别属于藉类化合物中的单站和倍半希，既存在于藻细胞内部，又存在于细胞外部，一般分为胞内和胞外，即结合态和溶解态人。有研究发现蓝藻细胞内的Geosmin也分为两部分，一部分溶解于细胞液中，另一部分与胞内蛋白质相结合当外界环境变化时，胞内的Geosmin和2-MIB会向胞外转移。Durrer等人的研窕表明，当束丝藻被甲壳纲动物低额蚤或水蚤咬食时胞内的Geosmin凡乎完全释放到胞外光照强度也会促使藻细胞内部2-MIB向胞外释放2Geosmin和2-MIB去除技术常规水处理工艺对Geos

11、min和2-MIB去除不稳定，主要与其在水中的存在形态有关。常规处理工艺对胞内Geosmin和2-MIB的去除比较有效，尤其是过滤工艺,而对胞外Geosmin和2-MIB几乎没有去除效果砧）。氯、二氧化氯、高铉酸钾等常见的氧化剂对Geosmin和2-MIB几乎没有去除效果，还可能会杀死藻细胞，使藻细胞内部的Geosmin和2-MIB释放到水中，进而导致更严重的嗅味水处理过程中若藻细胞被破坏，胞内Geosmin和2-MIB会释放到胞外，会进步增加Geosmin和2-MIB去除的难度，进而会影响后续水处理工艺的选择侦。因此,为了有效地去除水中的Geosmin和2-MIB，需要采用更先进的水处理工艺

12、，如活性炭吸附、高级氧化、膜过滤或组合工艺。2.1活性炭吸附技术活性炭吸附主要是通过活性炭的物理吸附和化学吸附作用来去除水中的污染物。活性炭凭借其比表面积大、微孔结构发达、吸附性能强等优点而广泛应用于水处理领域。目前，活性炭吸附技术仍是去除饮用水中Geosmin和2-MIB最常用也是最有效的技术，包括粉末活性炭（PAC）和颗粒活性炭CAC）吸附技术。活性炭吸附水中的Geosmin和2-MIB主要有三种形式：一是当饮用水水源出现突519进行氧化分解，不同氧化剂对水体中嗅味物质处理发性或季节性Geosmin和2-MIB嗅味问题时，PAC作为应急处理措施在原水管线或水厂混凝沉淀前或混凝过程中投加使用

13、：二是在原水经混凝沉淀过滤后通过GAC吸附去除：三是将GAC与臭氧OQ联用，构建臭氧一生物活性炭组合工艺，同步实现。3氧化功能、GAC吸附功能和GAC外表面附着的生物膜的降解功能，同时0,与GAC联用还可以延长GAC的使用周期。大量研究已经证实活性炭对水中Geosmin和2-MIB有良好的吸附效果由®，但其吸附性能会受到其种类、自身理化特性、粒径、投加量、水中天然有机物NOM）和水处理工艺等方面的影响。2.1.1活性炭种类及自身理化特性的影响用来制造活性炭的原材料包括烟煤、褐煤、椰壳、胡桃壳及木屑等，活性炭的表面理化特性及孔径分布会因不同原材料和不同结构而有明显的区别。CHEN等E发

14、现不同材质活性炭对2-MIB的吸附效果不同，吸附量大小顺序为烟煤泥炭褐煤木屑。郭晓鸣等E研究发现不同材质粉末活性炭对Geosmin和2-MIB的吸附效果大小顺序为木质>椰壳核桃壳>煤质。因此，活性炭种类与Geosmin和2-MIB的去除效果并没有直接的相关性。研究表明，活性炭的理化特性包括表面官能团、孔隙结构、孔径分布，被认为是影响活性炭吸附能力的因素，其中活性炭的微孔容积与Geosmin和2-MIB的吸附效果有明显的II:相关性，而常用的表征活性炭性能的碘值和甲基蓝值对Geosmin和2-MIB吸附效果没有显著影响侦小。此外，活性炭对Geosmin的吸附效果优于2-MIB，主要是

15、由于Geosmin分子质量较小、溶解度较低且扁平的分子结构更容易被活性炭吸附引起的21.2活性炭的粒径、投加量、吸附时间的影响活性炭的粒径变化能够明显改变活性炭孔径大小、孔径分布和比表面积，从而影响对嗅味物质的吸附性能。研究发现活性炭的吸附效率与粒径大小呈负相关性，粒径越小其吸附效率越高"22】。研究结果表明500目以上PAC对Geosmin和2-MIB去除率在较短吸附时间&075min）内就能达到95%以上，相同吸附时间下300500目PAC对Geosmin和2-MIB去除率分别下降约21%和33%o而粒径小于220目时，去除率甚至降到50%以下。此夕卜，增加吸附时间可以有

16、效提升吸附效率，将PAC800目）吸附时间提升至2h，其对2-MIB的去除率提升18%25%，达到82%”由。COOK等研究也发现，当PAC的投加量在2.525mg/L之间时，对Geosmin和2-MIB的吸附量均随PAC投加量的增加而增加，随着吸附时间的延长而增加。2.1.3NOM的影响在.H然水体中,NOM的浓度往往是Geosmin和2-MIB的上万倍，因此NOM会与Geosmin和2-MIB发生竞争吸附，进而抑制PAC对Geosmin和2-MIB的吸附效果。NEWCOMBE等研究表明，NOM会大幅度降低PAC对2-MIB的吸附性能。他们发现分子大小与2-MIB相近或更小分子量的NOM会直

17、接竞争PAC的吸附位点，竞争作用最强:稍大分子量的NOM分子会阻塞孔道，使2-MIB难以到达吸附位点；而大分子量的NOM仅仅是依附在活性炭的表面，对2-MIB的吸附效果的影响最小。活性炭吸附NOM后孔径0.81.2nm的孔体积明显下降，其中分子质量小于500u的NOM对2-MIR的吸附效率影响最大宋武昌等"也发现分子量小于500u的NOM占比多的水源中，PAC对2-MIB的吸附性能较差。由此可以看出，水中小分子量的NOM对2-MIB的竞争抑制比较明显。还有研究表明，天然有机物的水体中，PAC对Geosmin和2-MIB的去除率与Geosmin和2-MIB的初始浓度无关，仅依赖于PAC

18、的投加量，这对于生产中确定PAC的投量具有一-定的工程意义叫。21.4余氯的影响目前大多数水厂都采用预筑化和加氯消毒工艺，瓠的存在会对活性炭的吸附性能产生一定的影响。JEFF等S发现，氮的存在会抑制GAC对Geosmin和2-MIB的吸附能力。李伟光等农研究结果表明，加氯后嗅味物质的去除效果要比不加氯时降低。如果延长加氯与加PAC投加的时间间隔，使氯与其他有机物反应被消耗，可以降低PAC对嗅味物质吸附效果的影响。2.2氧化技术氧化法主要通过加入氧化剂将水体中嗅味物质效果差异显著，常用的氧化剂有高镒酸钾（KM-nO）、氮。2）、二氧化氯CIO?）、次氯酸钠Na-C1O）等。研究表明，氯、二氧化氯

19、和高镭酸钾对具有抗氧化性的Geosmin和2-MIB去除效果甚微，这些氧化剂在实际水体中还可能会杀死藻细胞，使胞内的Geosmin和2-MIB释放到胞外，进而导致更严重的嗅味问题"°因此有关氧化法去除Gcosmin和2-MIB的研究主要集中在高级氧化技术上。2.2.1臭氧及臭氧催化氧化技术研究表明，。3不仅能够有效去除Geosmin和2TVHB，还有显著的微絮凝促进作用，可以强化常规工艺对的Geosmin和2-MIB去除必见。o.对3Geosmin和2-MIB的去除效果会受到水质因素如水中有机物含量及种类、无机盐、pH、O,投加方式及投加量等因素的影响，对Geosmin和2

20、-MIB的氧化去除主要是通过。3产生的羟基自由基-OH）间接作用来实现的，而03直接氧化作用相对较小如。因此，提高°氧化过程中OH的生成量是提高O,氧化效率的关键因素。臭氧催化氧化法能够提高。3氧化Geosmin和2-MIB的效率，并且在相同的反应条件卜'Geosmin比2-MIB更易被氧.化去除。齐飞等小通过氧化铝催化臭氧氧化去除水中痕量嗅味物质的研究发现，丫-Ale能大大促毓旌"更*件鞭艺罕容味PARK0：H02除Geosmin和2-MIB的效果，他们指出虽然加入H2O2可以提高。3对Geosmin和2-MIB的氧化效老:斡。球仍的做W欺摭牒II2O2OsH20

21、2O3影响其去除效率的主要因素。实际应用中，还要控制的投加量，若土。2投加过量，还需要增加其他处理工艺来消除H_'O2的影响。2.2.2紫外高级缉化技术单独紫外线照射在常规水处理中经常被用做消毒工艺来使用，还可以对水中部分微污染物有一定的去除作用，但对Geosmin和2-MIB没有去除效果。而基于紫外的高级氧.化工艺对Geosmin和2-MIB有很好的去除效果，如UV/O,、UV/H2O2、UV/氯.、UV/过硫酸盐等，其作用原理是在UV光辐射下激发产生氧化能力较强的自由基来降解水中的嗅味物质。研究发现UV/O3工艺对Geosmin和2-MIB有很好的去除效果，在UV辐射强度为5000

22、6000j/m2»O3浓度为I.53mg/L时，反应23min内就可以将Geosmin和2-MIB全部去除：增加UV辐射后，可以加快0,的分解速率，使反应在更短的时间内便达到很好的去除效果如增加O,浓度能提高Geosmin和2-MIB的去除效果，但是会导致副产物漠酸盐的增加。为解决嗅味物质去除效果和澳酸盐产生量之间的矛盾，有学者提出在UV/O：,工艺中加入I-LO,构建UV/H2O2/O3工艺.H?O2可以加快0/产生OH的速率，减少反应体系中O：,含量，可以有效减少体系中的水合酸转化为澳酸盐，从而减少反应中漠酸拮的产星队。UV/筑、UV/过硫酸盐联用是-种新兴的高级氧化工艺，由于其

23、在污染物降解方面的优越性，受到了越来越多的关注。当水体中存在自由氯或过硫酸盐时，在紫外光辐照下，可以生成oii-、c、SO等自由基来达到降解嗅味物质的目的。WATTS等研究发现UV/氯和UV/HzO?均能实现Geosmin和2-MIB的有效去除，且相同条件下UV/M技术所需要的费用仅为UV/H/Oz技术的一半。谢鹏超等s研究表明，uv/过硫酸盐体系中SO和-OH对Geosmin和2-MIB的去除都发挥4了重要作用，但重碳酸根和天然有机物会对Gcos-min和2-MIB的去除效能产生影响，而在实际水体中，UV/过硫酸盐降解Geosmin和2-MIB的主要活性自由基是-so2-赢。422.3其他高

24、级氧化技术除上述生成OH的高级氧化技术外，还有一些可以形成OH的方法，用于嗅味物质的降解。XUE等”）以Ti/lrO2-Pt为电极，加入NaCl作为电介质，进行了电解法对水中Geosmin的降解，结果显示电解法可以高效降解水中的Geosmin可以将600ng/L的Geosmin降解到8ng/L»SONG等膈）采用超声技术开展了水中Geosmin和2-MIB的降解研充，结果发现超声辐射方式主要是通过脱水和开环的高温热解作用降解水中的Geosmin和2-MIB，其降解反应速率符合一级反应动力学。23生物技术生物技术主要是通过微生物对Gcosmin和2-MIB的吸收作用以合成细胞组分或是将

25、其彻底分解，目前已发现许多微生物都可以降解Geosmin和2-MIB.主要通过降解、共代谢、协同降解等作用来实现®王方容等S从生物活性炭滤池中分离出三株可以降解2-MIB的降解菌，研究发现该菌株可以将初始浓度为200ng/L的2-MIB降解至阈值浓度以下。在实际水体中,Geosmin和2-MIB的浓度通常都在ng/L量级，而水中可被生物降解的有机碳浓度通常都在数百.g/L量级以上，因此采用生物技术去除Geosmin和2-MIB时，二者一般不会作为微生物生长代谢的主要碳源，通常会以二级基质的形式通过共代谢作用被微生物分解利用。虽然生物法具有成本低、绿色、经济等优点，但实际运用中还有许多

26、技术问题需要进一步研究。2.4组合技术目前常用的去除Gcosmin和2-MIB的组合技术主要有高镐酸钾一活性炭KMnO.-PAC）强化混凝沉淀技术、预氯化一活性炭联用技术、臭氧一生物活性炭©3BAC）联用技术、吸附与超滤联用技术等。庞雅丽小研究发现KMnOi-PAC联用与常规工艺组合对Gcosmin和2-MIB的去除效果最佳，并在实际水厂水源水条件下进行了试验验证，结果表明组合工艺对Geosmin和2-MIB去除率都达到95%以上，出水均低于10ng/L。CHO等成的研究也表明PAC联合KMnO,预氧化和混凝沉淀可以有效去除Geosmin和2-MIB。高炜等人研究了O3-BAC工艺在

27、水厂应用，发现控制臭氧投加星在0.8-1.5mg/L时，对2-MIB去除率达到25%50%，而活性炭后处理工艺在臭氧预氧化处理基础上又能实现35%55%的2-M1B去除效率皿。王乐"研究发现增加O一BAC深度处理工艺后，出水中Gcosmin和2-M1B可以满足出水水质标准，同时还对有机物和浊度有很好的去除效果。因为Geosmin和2-MIB的分子量较小，单纯采用微滤或超滤膜无法将其去除，一般要与活性炭联用才能达到预期的效果。MATSUI等应探究了超级粉末炭和微滤组合工艺对Geosmin的去除效果，结果表明组合工艺相较于单独投加PAC，其PAC投量更小，去除水中Geosmin更高效，用

28、组合工艺能减少活性炭高达90%的投加量。季星等*对混凝沉淀生物粉末炭浸没式超滤膜组合工艺进行研究，发现组合工艺对Geosmin和2-MIB有较好的去除效果，平均去除率分别为75.1%和74.8%出水浓度低于嗅闽值。2.5不同技术在实际生产中的应用前景由于Geosmin和2-MIB在水中存在两种形态，单一的技术往往不能将其彻底去除，为了提高Geosmin和2-MIB的去除率，通常采用组合技术将其去除，组合技术是各除嗅技术间协同促进作用的最终体现，有很好的研究价值和应用前景。对于水中不同存在形态的Geosmin和2-MIB»PAC对溶解态Gcosmin和2-MIB去除效果较好,对结合态G

29、eosmin和2-MIB去除效果不佳，而水厂常规工艺对结合态Gcosmin和2-MIB去除比较有效,因此PAC和常规工艺组合技术可以很好的去除水中Geosmin和2-MlBo但当水中藻类数星较高时，常规工艺对结合态Geosmin和2-MIB去除效果显著降低，因此可以考虑采用KMnO,预氧化PAC吸附和常规工艺组合技术来去除Geosmin和2-MIB。由于预筑化可以使胞内的Geosmin和2-MIB释放到胞外成为溶解态,而PAC对溶解态Geosmin和2-MIB有很好的吸附效果，因此预氯化与PAC联用技术也可以有效的去除水源水中的Geosmin和2-MI&由于OBAC组合技术可以同步实现

30、O3氧化功能、GAC吸附功能和GAC外表面附着的生物膜的降解功能，因此该技术可以作为水厂深度处理工艺来有效的去除水中的Geosmin和2-MIB.同时还W以在该工艺之前增加预臭氧，以提高Geosmin和2-MIB的去除效率。随着人们对饮用水水质要求的提高，膜滤技术也逐渐在水厂中应用，膜滤与PAC吸附组合技术可以充分发挥PAC的吸附性能，同时利用膜拦截活性炭及微生物，进而使Geosmin和2-MIB高效去除。3结论与展望4）水中Geosmin和2-MIB主要是由蓝藻代谢产生的，其在饮用水水源中有两种存在形态，分别为胞内和胞外或结合态和溶解态。0）活性炭吸附仍是最有效最具实用价值的除w嗅方法，活性

31、炭的理化性质会影响其对Geosmin和2-MIB的吸附性能，微孔容积可以作为活性炭去除Geosmin和2-MIB的筛选指标。能产生的*OH的高级氧化技术对Geosmin和2-M1B有很好的去除效果，但如何平衡生产运行成本和处理效果之间的关系，以及如何解决消毒副产物的问题是后续研究的重点。)在处理Geosmin和2-MIB时，要根据Geosmin和2-MIB在水中的不同形态选择合适的处理工艺。单一*的技术对Geosmin和2-MIB去除效果不佳，通常采用组合技术将其去除，预氧化一粉末活性炭联用技术、臭氧一生物活性炭联用技术、粉末活性炭吸附与超滤联用技术有很好的应用前景。参考文献ClKIMT，MO

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