本文以2021年8月-10月湘江衡阳段藻类暴发事件的应急处理处置为例， 研究比较了常规工艺和深度处理工艺条件下应急除藻和应急除嗅的原理、工艺参数、处理效果，以及出厂水的生物毒性，提出了藻类暴发的应急处理对策和措施， 以期为不同工艺水厂的藻类应急处置提供一定借鉴。
1 研究背景
湘江是一条开放性河流，全长为948 km，流域面积为94 721 km2，年均径流量为722亿m3。地表水水质监测结果显示，湘江衡阳段水质长期保持为地表水ⅱ～ⅲ类,其中高锰酸盐指数质量浓度为1.5～3.0 mg/l，氨氮质量浓度为0.05～0.60 mg/l，总氮质量浓度为0.40～1.00 mg/l，总磷质量浓度为0.03～0.15 mg/l。a、b、c、d水厂沿江而下，各水厂供水能力及工艺情况如表1所示，4个水厂的总供水能力为70万m3/d，总共服务130万人。
表1 各水厂供水能力及工艺
近年来，随着梯级水电站密集建设，夏季藻类暴发情况零星发生，但由于藻密度不高、影响时间短，并未对水厂生产及供水安全造成明显影响。2021年8月—10月，连续晴热高温天气、湘江流速过缓，加上上游永州来水藻类水华，共同造成湘江衡阳段藻类生长繁殖异常。湘江流域出现了罕见的藻类大暴发，衡阳段藻密度最高达2.0×107个/l，8月15日各水厂地表水、取水泵房、反应池进水端藻密度情况如表2所示。
藻类暴发引发了制水工艺一系列问题，包括水体异嗅异味、色度增高、ph异常、消毒副产物增加、藻毒素释放、絮凝效果下降等，水厂生产运行受到严重影响，存在供水量下降、消毒副产物和铝离子超标风险。相对于臭氧-活性炭深度处理工艺，常规处理工艺所受影响更为明显。
表2 8月15日各水厂藻密度
2 应急工艺方案的优化
本次藻类应急处置工作主要包括两个阶段：
第一阶段为应急除藻阶段(8月1日—9月12日)，
第二阶段为应急除嗅阶段(9月13日—10月上旬)。
在应急除藻阶段中，原水初期直链硅藻含量较高，其对滤池滤速影响较大，反冲洗频率增加导致水厂产能下降；后续微囊藻数量骤升成为优势藻种，易穿透滤池，对出厂水水质造成安全隐患。初期原水藻类情况如图1所示，后续藻类更迭情况如图2所示。
图1 初期原水藻类
图2 原水滤网上藻类更迭
应急除嗅阶段中，主要致嗅物质为土臭素和2-甲基异莰醇(2-mib)，两者浓度较高且持续污染时间较长。
针对嗅味物质的去除主要采用粉末活性炭吸附、臭氧氧化、高锰酸钾氧化、单过硫酸氢钾(2khso5·khso4·k2so4)氧化等工艺。
其中，粉末活性炭因其具有多孔结构和巨大的比表面积，在原水异嗅异味应急处理中具有广泛应用；臭氧因其活性氧具有较高的氧化电位，在饮用水嗅和味、色度、有机物去除方面应用较多；高锰酸钾对藻类灭杀效果显著，而其产物二氧化锰也具有强化混凝作用；单过硫酸氢钾水解产生的新生态原子氧(“o”)、羟基自由基(·oh)、氯自由基(cl·)、硫酸自由基等，都具有较好的灭杀藻类和分解嗅味物质的作用。
2.1 应急除藻
针对常规处理工艺和深度处理工艺的差异，通过小试烧杯混凝搅拌试验，分别制定了应急除藻方案，方案情况如表3所示。
表3 应急除藻方案
针对a、c水厂投加设施不够健全的现实情况，通过现场设置药剂应急投加点，人工计量进行药剂的投加，b、d水厂采用机械溶解计量泵计量投加。a水厂次氯酸钠投加点、聚合氯化铝投加点、高锰酸钾投加点、粉末活性炭投加点均设在反应池前端，聚丙烯酰胺投加点设在反应池2/3偏后处；c水厂次氯酸钠投加点、聚合氯化铝投加点、高锰酸钾投加点均放在预处理池，粉末活性炭投加点、聚丙烯酰胺投加点设在反应池前端；b、d水厂次氯酸钠投加点、聚合氯化铝投加点、粉末活性炭投加点均设在反应池前端。各药剂投加量如表3所示。
2.1.1 常规处理工艺应急除藻
在实际应用中发现，应急除藻方案一的沉淀阶段效果较差，后续滤池负荷大，需要高频冲洗；方案二的沉淀效果一般，沉淀池出水浑浊度难以稳定在3 ntu以下，后续滤池负荷较大；方案三能将沉淀池出水浑浊度稳定在3 ntu以下，后续工艺压力小，各方法效果对比如表4所示。
因此，在第一阶段应急除藻工艺调整中，通过投加高锰酸钾和次氯酸钠进行预氧化杀灭水中藻类，同时提高聚合氯化铝投加量，辅助投加聚丙烯酰胺和粉末活性炭助凝，强化混凝以提高藻类的去除率，可减轻后续工艺压力。
高锰酸钾对藻类去除具有一定效果，在单独投加且投加量为0.25～0.50 mg/l条件下，藻细胞去除率为20%～25%；高锰酸钾投加量为0.50 mg/l时，沉淀池出水中色度较高且锰离子浓度接近生活饮用水卫生标准的限值(0.1 mg/l)；继续加大高锰酸钾投加量则会导致水体锰离子及色度超标。因此，高锰酸钾的投加量建议在0.20～0.40 mg/l。
表4 常规处理工艺各应急除藻方案出水水质比对
次氯酸钠作为水厂的消毒药剂，是最为普遍的藻类灭杀药剂，其在ph值为4.7～9.4时均有消毒效果。次氯酸钠预氧化灭杀藻类主要问题包括藻毒素的释放和对消毒副产物的控制，因此，在结合水厂藻类灭杀要求、出厂水消毒副产物控制和实际投加能力的基础上，次氯酸钠预氧化投加量设置建议在0.8～1.0 mg/l。
在藻类暴发期间，由于原水浑浊度较低(<10 ntu)，不利于絮凝沉淀工艺的运行。聚合氯化铝水解产物的絮凝沉淀效果也存在下降的情况，主要原因是藻类作为活性微生物，其形态和表面性质均会影响絮凝沉淀效果，直接导致藻类去除率的降低和后续滤池负荷增加。因此，需要投加粉末活性炭并进一步增加聚合氯化铝的投加量，实现强化混凝。但过量聚合氯化铝的投加将导致出厂水中铝离子含量的提高，存在铝超标的风险。在综合考虑的基础上，结合以往生产经验，将粉末活性炭的投加量设置在20～30 mg/l，聚合氯化铝的投加量设置在20～30 mg/l，各应急药剂组合投加方案及对应的沉淀池出水水质如表5所示。
表5 应急药剂组合投加及沉淀池出水水质
聚丙烯酰胺投加点的设置对于助凝效果影响较大。以a水厂为例，当聚丙烯酰胺投加点设置在反应池入口时，助凝效果不理想；将投加点改至反应池1/2偏后处，前端助凝效果较好，但接近沉淀池入口处矾花随水流冲散；投加点设置在反应池2/3偏后处，沉淀池入口水矾花絮凝效果最佳，沉淀池浑浊度保持在2 ntu以下。因此，应根据实际工艺情况，合理设置聚丙烯酰胺投加点。
结合3种方案的应用效果研究，对常规处理工艺应急药剂投加量的优化方案为：前加氯0.8～1.0 mg/l 活性炭20.00～30.00 mg/l 高锰酸钾0.30～0.40 mg/l 聚合氯化铝20～26 mg/l 聚丙烯酰胺0.02～0.06 mg/l，各厂根据实际工艺情况进行调整。
2.1.2 深度处理工艺应急除藻
在深度处理工艺中，利用臭氧接触池预氧化的方式，对藻类进行灭杀。臭氧的氧化电位为2.07 ev，由于氧化性极强，在预氧化阶段即可有效杀灭原水中大部分藻类，同时可将水中难溶难降解的大分子有机物氧化为易溶易降解的小分子有机物，有利于活性炭的吸附和微生物的降解。深度处理工艺应急方案的应用效果如表6所示。
表6 深度处理工艺各应急除藻方案出水水质比对
在实际应用中发现，由于臭氧预氧工艺段的存在，方案四和方案五均具有较好的除藻能力，结合水厂生产运行条件，建议选择方案四进行处理，相关药剂投加量的优化参考值为：臭氧1.0～1.2 mg/l 活性炭5.00～10.00 mg/l 聚合氯化铝15～20 mg/l。
2.2 应急除嗅
自9月13日起，随着藻类暴发而引起的嗅味问题持续加重，藻类应急处理处置工作进入第二阶段——应急除嗅。土臭素和2-mib是造成饮用水中土霉味的主要原因，期间原水土臭素最高检测值达到694 ng/l，2-mib最高检测值达到157.1 ng/l，两种致嗅物质的分子结构式如图3所示。
图3 土臭素和2-mib分子结构式
应急除嗅方案如表7所示，其中常规处理工艺的“絮凝-沉淀-过滤-消毒”过程对致嗅物质的去除没有明显效果，不能有效解决水中异嗅异味问题，可通过应急药剂的投加有效改善以上情况。应急药剂单过硫酸氢钾投加点设置在反应池前段，采用应急投加点人工计量进行药剂的投加。
表7 应急除嗅方案
2.2.1 常规处理工艺应急除嗅
氧化法主要通过破坏或者改变致嗅物质的化学结构来去除异嗅异味，常见氧化剂如次氯酸钠和高锰酸钾，由于氧化电位较低对致嗅物质的氧化去除能力较差。单过硫酸氢钾因其独特的氧化能力，在水处理中已有一定应用。其主要优点在于溶解后释放活性氧原子，并能经链式反应产生多种高效小分子自由基，包括等，在有效去除水体中的藻毒素以及由藻类产生的致嗅物质的同时，还可以有效降低活性炭的投加量，节约药剂投加成本。
常规处理工艺除嗅主要机理包括物理吸附和化学氧化，次氯酸钠、高锰酸钾和单过硫酸氢钾均具有氧化效果，粉末活性炭对于土臭素和2-mib这类具有环状结构的有机污染物具有明显物理吸附作用。在实际应用中发现，水厂采用除嗅方案一进行吸附的处理过程中，出厂水仍存在微弱的土霉气味，主要原因是以上两种氧化剂灭杀藻类时释放了大量胞内的致嗅物质，但由于氧化能力有限，并不能完全氧化分解水中的致嗅物质。执行方案二时发现，停止高锰酸钾投加，改投单过硫酸氢钾复合盐(投加点设置在反应池入口，投加方式为溶液罐重力投加，溶液质量分数为2%，投加量为0.300～0.500 mg/l)，沉后水余氧量控制在0.5～1.0 mg/l，并可将活性炭投加量从26.50 mg/l降到15.00 mg/l。
常规处理工艺应急药剂投加量优化参考值为：活性炭15.00～20.00 mg/l 前加氯0.8～1.0 mg/l 单过硫酸氢钾0.300～0.500 mg/l 聚合氯化铝15～20 mg/l。
2.2.2 深度处理工艺应急除嗅
不同工艺对嗅味物质的去除效果存在差异：高锰酸钾氧化去除率较低，高锰酸钾复合盐去除率较高；粉末活性炭物理吸附去除率为90%；臭氧-活性炭联用工艺因臭氧较高的氧化电位，对致嗅物质的去除率最高可达99%以上。根据水厂实际情况，深度处理工艺应急除嗅采用方案三，通过粉末活性炭提升物理吸附作用，同时提高臭氧含量进行化学氧化。
深度处理工艺应急药剂投加量优化参考值为：臭氧1.0～1.5 mg/l 活性炭5.00～10.00 mg/l 聚合氯化铝20～24 mg/l。
3 优化后应急工艺的应用效果验证
3.1 应急除藻的应用效果验证
3.1.1 常规处理工艺应急除藻的应用效果
在前加氯0.8～1.0 mg/l 活性炭20.00～30.00 mg/l 高锰酸钾0.30～0.40 mg/l 聚合氯化铝20～26 mg/l 聚丙烯酰胺0.02～0.06 mg/l的工艺条件下，以b水厂新制水系统为例，采用组合应急投加进行预氧化和强化混凝沉淀后，沉淀池出水藻类去除率达到80.00%以上，出厂水藻类去除率达到99.99%。部分水质检测结果如表8所示。
表8 b水厂常规处理工艺应急除藻的应用效果
3.1.2 深度处理工艺应急除藻的应用效果
在臭氧1.0～1.2 mg/l 活性炭5.00～10.00 mg/l 聚合氯化铝15～20 mg/l的投加条件下，以d水厂为例，采用臭氧进行预氧化后，沉淀池出水藻类去除率达到99.00%以上，通过臭氧-活性炭池深度处理后，出厂水藻类未检出。部分检测结果如表9所示。
表9 d水厂深度处理工艺应急除藻的应用效果
以上结果显示，深度处理工艺相较于常规处理工艺，在处理原水藻类污染中效果更为显著。
3.2 应急除嗅的应用效果验证
3.2.1 常规处理工艺应急除嗅的应用效果
水厂实际投加显示，单过硫酸氢钾除嗅效果优于高锰酸钾，沉淀池出水微弱异味，出厂水无异嗅异味，结果如表10所示。
表10 应急除嗅方案比选
常规处理工艺药剂投加量参考值为：前加氯0.8～1.0 mg/l 活性炭15.00～20.00 mg/l 单过硫酸氢钾0.300～0.500 mg/l 聚合氯化铝15～20 mg/l。各厂常规处理制水系统对土臭素的去除情况如表11所示。
表11 常规处理工艺土臭素监测
表中可以看出，常规处理工艺通过合理调配应急药剂投加，对除嗅具有较好效果，因c水厂率先投加单过硫酸氢钾，前期除嗅效果优于其他常规处理制水系统。
单过硫酸氢钾投加试验结果如表12所示。
表12 单过硫酸氢钾-活性炭工艺土臭素去除率
从以上生产试验数据可以看出，单过硫酸氢钾可以有效去除水中致嗅物质，尤其对土臭素的去除率极高。
3.2.2 深度处理工艺应急除嗅的应用效果
深度处理工艺药剂投加量参考值为：臭氧1.0～1.5 mg/l 活性炭5～10 mg/l 聚合氯化铝20～24 mg/l。各厂深度处理制水系统对土臭素的去除情况如表13所示。
由表13可知，深度处理工艺在应急除嗅中具有极高的去除率，能有效保障供水安全。
表13 深度处理工艺土臭素去除率
4 出厂水藻类生物安全性研究
藻毒素是迄今发现的最强肝癌促进因子，原水藻类中微囊藻的大量繁殖可能会对水质安全造成严重威胁。世界卫生组织(who)和卫生部推荐饮用水水源藻类三级限值分别为：安全限值为1.0×104 个/l；警戒限值为2.1×105个/l；危险限值为1.2×106个/l。其中警戒限值是针对致癌性而设定的下限值，危险限值是避免产生急性毒性作用的限值。本研究中，由于原水藻类最高达2.0×107个/l，虽然对原水及出厂水藻毒素均进行了多次监测，检测结果显示其浓度较低，符合饮用水标准，但仍有必要对出厂水进行生物毒性检测。
以稀有鮈鲫为测试对象，用d厂出厂水作为培养水体，放入30条，观察稀有鮈鲫的游泳、摄食等行为，通过其行为变化来判断其生物毒性。结果显示，48 h内稀有鮈鲫未见异常，出厂水无明显的生物毒性。
5 结论
(1)常规处理工艺可以在一定限度上应对藻类暴发事件；臭氧-生物活性炭池深度处理工艺在处理原水藻类及致嗅物质中效果显著；单过硫酸氢钾由于活性氧及自由基的存在，其除藻除嗅效果好于高锰酸钾，且不会带来水中锰离子和色度的大幅度升高。
(2)经有效的应急处置，藻类暴发未引起出厂水明显的生物毒性，但其潜在生物危险性有待进一步研究。
(3)针对藻类暴发情况，常规处理工艺应关注应急药剂的科学搭配和合理投加，避免出厂水铝、锰、色度等指标超标；臭氧-生物活性炭池深度处理工艺应注意臭氧预氧化投加量及滤池冲洗，避免炭池生物膜受损及滤池堵塞。
