粉末活性炭吸附结合加重絮凝技术同步去除水中嗅味物质与悬浮固体的效能与机制研究

推荐：针对藻华导致的自来水嗅味问题，研究人员创新性地将粉末活性炭(PAC)吸附与加重絮凝技术结合，通过优化聚氯化铝(P-AlCl)投加量(15 mg/L)、pH(6.0-7.5)及非离子型聚合物絮凝剂(1.0 mg/L)等参数，实现土臭素(geosmin)和2-甲基异莰醇(2-MIB)去除率>97%、浊度<1 TU，沉降速度提升22倍，为空间受限水厂改造提供高效解决方案。

　　

随着全球气候变化和富营养化加剧，水库藻华引发的自来水嗅味问题日益严峻。由蓝藻代谢产生的土臭素(geosmin)和2-甲基异莰醇(2-MIB)等物质，即使浓度低至10 ng/L也会引发用户投诉。传统粉末活性炭(PAC)吸附工艺需要长达1小时的接触时间，而常规混凝沉淀过程又存在沉降速度慢(仅0.04 cm/s)、占地面积大等瓶颈。如何在小空间内实现嗅味物质与悬浮固体的高效同步去除，成为全球水处理领域亟待突破的技术难题。

日本Kuraray Co., Tokyo的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表创新研究，通过将PAC吸附与加重絮凝(ballasted flocculation)技术耦合，开发出空间集约型水处理新工艺。研究采用模拟原水系统，对比分析了30 μm、13 μm和5 μm三种PAC在混凝沉淀与加重絮凝体系中的性能差异，结合CT值(吸附容量与时间乘积)模型优化吸附参数，并创新性地引入硅砂(silica sand)作为加重介质。

关键技术包括：(1)通过电位分析确定最佳P-AlCl投加量(15 mg/L)和pH(7.0)；(2)采用非离子型聚合物絮凝剂SS-500PWG(1.0 mg/L)和硅砂(6 g/L)构建加重絮凝体系；(3)利用气相色谱-质谱联用技术(PT-GC/MS)检测geosmin和2-MIB残留浓度；(4)通过高灵敏度浊度仪监测颗粒物分布。

3.1 混凝沉淀工艺优化
研究发现PAC粒径与浊度去除效率显著相关。当5-PAC与河床淤泥(silt)粒径接近(8.78 μm vs 5 μm)时，在P-AlCl 15 mg/L条件下可形成均质絮体，残余浊度最低(0.65 TU)。而30-PAC因粒径差异大，需更高P-AlCl剂量(20 mg/L)才能达到相同效果。

3.2 加重絮凝剂筛选
非离子型聚合物NP800PWS使絮体沉降速度达0.43 cm/s，较传统工艺提升22倍。机理研究表明，其通过氢键交联作用与带弱正电的P-AlCl絮体结合，避免了离子型聚合物的静电排斥效应。

3.4 残留颗粒控制
加重絮凝对>3 μm颗粒的去除效果优于常规工艺，但可能因硅砂碰撞产生更多0.5-1 μm细颗粒。不过总体浊度仍能控制在1 TU以下，对出水水质无显著影响。

3.5 嗅味物质吸附动力学
5-PAC在CT值>150 mg-PAC·min/L时，对geosmin和2-MIB的去除率分别达99.3%和97.1%。小粒径PAC因比表面积大，吸附速率常数较30-PAC提高3倍。

3.6 组合工艺效能
当原水中geosmin/2-MIB浓度高达100 ng/L时，采用30 mg/L 5-PAC与加重絮凝组合工艺，可使出水浓度降至检测限以下(<1 ng/L)，同时浊度维持在0.78 TU，沉降时间缩短至传统工艺的1/20。

该研究首次证实PAC吸附与加重絮凝的协同效应：硅砂既作为加重介质加速沉降，其多孔表面又为PAC提供额外吸附位点。通过CT值精准控制吸附时间，解决了传统工艺需要大型接触池的痛点。尤其值得关注的是，5-PAC虽易残留但通过加重絮凝可实现高效截留，突破了细颗粒PAC应用的技术瓶颈。这项技术为现有水厂在有限空间内升级嗅味处理设施提供了新思路，对应对气候变暖引发的藻类污染加剧具有重要实践价值。未来研究可进一步考察实际藻类代谢产物的竞争吸附机制，以及硅砂循环使用对长期运行效能的影响。