贛南某水庫(kù)微污染水高錳酸鹽復(fù)合藥劑預(yù)氧化處理實(shí)驗(yàn)

汪宏，　嚴(yán)群，　韓冬雪，　羅仙平，　唐美香

（1.江西理工大學(xué)，a.建筑與測(cè)繪工程學(xué)院；b.資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西贛州341000；3.安徽馬鋼工程技術(shù)集團(tuán)，安徽馬鞍山243000）

【化學(xué)·環(huán)境】

贛南某水庫(kù)微污染水高錳酸鹽復(fù)合藥劑預(yù)氧化處理實(shí)驗(yàn)

汪宏1a，嚴(yán)群1a，韓冬雪1b，羅仙平2，唐美香3

（1.江西理工大學(xué)，a.建筑與測(cè)繪工程學(xué)院；b.資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西贛州341000；3.安徽馬鋼工程技術(shù)集團(tuán)，安徽馬鞍山243000）

為提高單獨(dú)聚合氯化鋁（PAC）混凝處理效果，以贛南某水庫(kù)水為原水，考察了高錳酸鹽復(fù)合藥劑（PPC）預(yù)氧化對(duì)原水的強(qiáng)化混凝效果.結(jié)果表明，在初始pH值為7～8、PPC投加量為1.8mg/L、預(yù)氧化時(shí)間為4min時(shí)，PPC預(yù)氧化對(duì)原水錳、氨氮的去除率分別為 （70.21±0.31）%、（49.72±1.56）%，較單獨(dú)PAC混凝分別提高了34.32%和9.62%，可提高飲用水水質(zhì)安全性.

微污染水原水；強(qiáng)化混凝；聚合氯化鋁；高錳酸鹽復(fù)合藥劑

目前，隨著工業(yè)廢水的大量排放及農(nóng)業(yè)點(diǎn)源面源污染的加劇，污染物進(jìn)入地表水中.這些污染物種類多、性質(zhì)復(fù)雜，但在水中的濃度較低，使得水體成為微污染水.這類水體中特征污染物及水質(zhì)情況往往具有季節(jié)性和地域性.贛南地區(qū)林果種植面積大，林果施肥、噴灑農(nóng)藥等極易造成水體污染，特別是水中氮磷超標(biāo)［1］.贛南某水庫(kù)水中有機(jī)物、氨氮、鐵、錳等指標(biāo)季節(jié)性超標(biāo)；冬季水溫低于10℃，且濁度低［2］.以該水庫(kù)水為原水的給水處理廠，大多采用常規(guī)處理工藝，難以應(yīng)對(duì)季節(jié)性水質(zhì)惡化情況，出水水質(zhì)安全性受到嚴(yán)重威脅，因而選擇合適的處理方案顯得尤為重要.

針對(duì)強(qiáng)化混凝技術(shù)處理微污染水原水的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究.美國(guó)環(huán)保署（USEPA）將強(qiáng)化混凝技術(shù)列為控制水中天然有機(jī)物（NOM）的最佳工藝［3］.高夢(mèng)鴻等［4］對(duì)東太湖水的強(qiáng)化混凝處理實(shí)驗(yàn)表明，粉末活性炭的強(qiáng)化混凝處理效果顯著；Ma等［5］發(fā)現(xiàn)，預(yù)氧化工藝能顯著改善混凝處理效果；Liu等［6］研究了KMnO4預(yù)氧化強(qiáng)化混凝處理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)KMnO4中間產(chǎn)物對(duì)絮體結(jié)構(gòu)及沉降性有顯著地提升作用.強(qiáng)化混凝技術(shù)是在保證出水安全、技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的前提下，通過(guò)改變混凝劑投加方式、提高混凝投藥量及控制pH條件等措施優(yōu)化混凝條件，從而促進(jìn)水中有機(jī)物和膠體顆粒的去除.根據(jù)不同水質(zhì)來(lái)選擇適合的混凝藥劑，是混凝處理工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［7］，絮凝劑及助凝劑選擇得當(dāng)與否，直接會(huì)影響后續(xù)工藝的處理效果.以贛南某水庫(kù)水為原水，聚合氯化鋁（PAC）為混凝劑進(jìn)行燒杯攪拌試驗(yàn)，研究了單獨(dú)采用PAC對(duì)該原水的混凝效果.在PAC最佳混凝條件下，再以高錳酸鹽復(fù)合藥劑（PPC）為氧化劑，考察PPC預(yù)氧化對(duì)原水的強(qiáng)化混凝效果，旨在改善和提高以該水庫(kù)水為原水的自來(lái)水廠出水水質(zhì).

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)藥劑及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)儀器：混凝攪拌器、哈希濁度儀、雷磁pH計(jì)、紫外分光光度計(jì)、電子天平等.

試驗(yàn)藥劑：PAC、PPC、鹽酸、硫酸、氫氧化鈉（均為分析純）等.藥劑采用超純水配置.

實(shí)驗(yàn)所用原水取自贛南某水庫(kù)，其水質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

表1　試驗(yàn)期間水庫(kù)原水水質(zhì)分析

由表1可知，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）III類水體標(biāo)準(zhǔn)，原水中有機(jī)物、氨氮、鐵、錳等超標(biāo)，屬于微污染水.

1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.2.1單獨(dú)PAC混凝實(shí)驗(yàn)

取原水1000mL，投加一定量的PAC，置于磁力攪拌器上反應(yīng)，待其完成靜置30 min后，取液面下2 cm處上清液測(cè)定各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo).PAC混凝時(shí)基本水力條件為：攪拌強(qiáng)度260 r/min，混合攪拌2min，攪拌強(qiáng)度80 r/min，絮凝攪拌25 min.以PAC投加量、初始pH值對(duì)原水混凝處理效果的影響為基準(zhǔn)，確定單獨(dú)PAC混凝的最佳條件.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)PAC混凝的最佳條件為：PAC投加量為10mg/L，pH值為7.42（原水值）.在此條件下，PAC對(duì)原水的混凝效果最好，原水濁度、CODMn、UV254［8-9］、氨氮、鐵、錳的去除率分別為 98.87%、60.70%、66.21%、40.10%、95.10%、35.89%.靜置后水除氨氮、錳外，其他指標(biāo)均能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）的要求.

1.2.2PPC預(yù)氧化實(shí)驗(yàn)

為近一步提高對(duì)原水氨氮、錳的去除效果，在單獨(dú)PAC混凝實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，取原水1000mL，以PPC為氧化劑，PAC為混凝劑，置于磁力攪拌器上反應(yīng)，待其完成靜置30 min后，取液面下2 cm處上清液測(cè)定各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo).PAC混凝基本水力條件不變，PPC預(yù)氧化基本水力條件為：攪拌強(qiáng)度為260 r/min，混合攪拌2 min.

1.2.3檢測(cè)項(xiàng)目及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)期間水溫為25～30℃.水質(zhì)分析項(xiàng)目及測(cè)定方法見(jiàn)表2.

表2　分析項(xiàng)目及測(cè)定方法

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1PPC預(yù)氧化實(shí)驗(yàn)

2.1.1預(yù)氧化時(shí)間對(duì)強(qiáng)化混凝處理效果的影響

基本水力條件下 （包括單獨(dú)PAC混凝基本水力條件和PPC預(yù)氧化時(shí)基本水力條件，下同），PPC投加量為0.6mg/L，預(yù)氧化時(shí)間分別0、2、4、6、8min，對(duì)原水強(qiáng)化混凝效果的影響見(jiàn)圖1.（注：PAC投加前的時(shí)間即為PPC預(yù)氧化的時(shí)間）

圖1（a）中，隨預(yù)氧化時(shí)間的增大，原水濁度去除率逐漸降低，在預(yù)氧化時(shí)間為4 min時(shí)，PPC對(duì)濁度的最大去除率為（99.15±0.1）%；當(dāng)預(yù)氧化時(shí)間為4 min和8 min時(shí)，鐵的去除率出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別為（92.38±0.67）%、（95.23±1.62）%；預(yù)氧化時(shí)間為4min時(shí)，CODMn的去除率最高，為 （72.16± 0.56）%.圖1（b）中，隨預(yù)氧化時(shí)間的增加，UV254去除率減小，在預(yù)氧化時(shí)間為4min時(shí)，其去除率為（24.62±1.38）%；預(yù)氧化時(shí)間為4min時(shí)，氨氮和錳的去除率均達(dá)到最大，分別為（43.18±1.42）%、（66.33± 1.35）%，預(yù)氧化時(shí)間為8 min時(shí)，沉淀水中氨氮濃度高于原水.可能是由于PPC預(yù)氧化時(shí)間較長(zhǎng)，將水中大分子有機(jī)物氧化成小分子有機(jī)物，而水中懸浮物已沉淀，使得小分子有機(jī)物在絮凝時(shí)缺少凝結(jié)中心，難以沉降，提高了吸光度.

圖1　PPC預(yù)氧化時(shí)間對(duì)原水強(qiáng)化混凝效果的影響

PPC預(yù)氧化強(qiáng)化混凝是其核心組分高錳酸鉀和新生態(tài)水合二氧化錳的協(xié)同作用.核心組分高錳酸鉀的氧化作用降解了部分有機(jī)物，可改善懸浮顆粒的凝聚性能，此時(shí)加入混凝劑，使水中懸浮物形成絮體，同時(shí)，新生態(tài)水合二氧化錳以較大的聚合度和較長(zhǎng)的分子鏈在有機(jī)物和顆粒物間起吸附架橋作用［10］，使絮體體積急劇增加，加速了沉降過(guò)程.綜合PAC水解混凝反應(yīng)的充分性和PPC強(qiáng)化混凝處理效果，預(yù)氧化時(shí)間4min.

2.1.2PPC投加量對(duì)強(qiáng)化混凝處理效果的影響

基本水力條件下，預(yù)氧化時(shí)間4min，在PPC投加量分別為0.2、0.6、1.0、1.4、1.8和2.2 mg/L時(shí)，對(duì)原水強(qiáng)化混凝效果的影響見(jiàn)圖2.

圖2　PPC投加量對(duì)原水強(qiáng)化混凝效果的影響

圖2（a）中，投加PPC預(yù)氧化后，濁度去除率大于97.5%，在PPC投加量為1.8mg/L時(shí)，濁度最大去除率為（99.36±0.03）%，隨PPC投加量的增加，鐵的去除率先增大后減小，PPC投加量為1.0mg/L時(shí)，其最大去除率為（95.28±1.84）%，當(dāng)投加量為1.8mg/L時(shí)，其去除率為 （92.91±0.33）%；PPC投加量為1.0mg/L和1.8mg/L時(shí)，CODMn的去除率出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別為（66.33±1.29）%、（66.01±0.4）%.圖2（b）中，PPC投加量為1.8mg/L時(shí)，對(duì)錳和氨氮強(qiáng)化混凝的去除率最大，分別為 （72.55±1.13）%、（48.32±0.29）%；PPC預(yù)氧化對(duì)UV254的去除效果不佳，當(dāng)PPC投加量為0.6mg/L和1.8mg/L時(shí)，UV254的去除率分別為（34.48±1.22）%、（31.03±0.82）%.

PPC投加量的確定既要滿足沉后水濁度最低，又要考慮PPC中所含KMnO4被消耗完而不使水產(chǎn)生色度［11］.由上述圖表可見(jiàn)，在投加量為1.8 mg/L時(shí)，PPC預(yù)氧化對(duì)各指標(biāo)的去除效果最好，且靜沉后上清液無(wú)色度產(chǎn)生.因此，確定PPC投加量為1.8mg/L.

2.1.3初始pH值對(duì)PPC預(yù)氧化混凝處理效果影響

基本水力條件下，PPC投加量為1.8 mg/L，預(yù)氧化時(shí)間4 min，為充分考慮原水pH值對(duì)PPC預(yù)氧化強(qiáng)化混凝效果的影響，調(diào)節(jié)攪拌杯中原水初始pH值分別為5、6、7.42（原水值）、8、9、10.不同初始pH值對(duì)PPC預(yù)氧化強(qiáng)化混凝效果的影響見(jiàn)圖3.

圖3（a）中，隨著初始pH值的增大，濁度去除率先增大后減小，初始pH值為7.42時(shí)，PPC預(yù)氧化對(duì)濁度的去除效果最好，最大去除率為 （98.77± 0.82）%；原水初始pH值對(duì)鐵的去除效果影響顯著，在初始pH值為9時(shí)，鐵的最大去除率為 （97.68± 0.57）%，初始pH值為7.42時(shí)，其去除率為（93.02± 0.54）%；隨著初始pH值的增大，CODMn去除率先增加后減小，在初始pH值為6時(shí)，CODMn的最大去除率為（64.39±0.47）%，當(dāng)初始pH值為7.42時(shí)，其去除率為（63.56±0.56）%.在圖3（b）中，隨著初始pH值的增大，UV254、氨氮和錳的去除率先增大后減小，初始pH值為6時(shí)，PPC預(yù)氧化對(duì)UV254的去除效果最好，最大去除率為（46.53±0.56）%；初始pH值為7.42（原水值）時(shí)，PPC預(yù)氧化對(duì)氨氮的最大去除率為（49.72±1.56）%，較單獨(dú)投加PAC時(shí)提高9.62%；初始pH值為7.42時(shí)，PPC預(yù)氧化對(duì)錳的去除率為（70.21±0.31）%，較單獨(dú)投加PAC時(shí)提高34.32%.

圖3　初始pH值對(duì)PPC強(qiáng)化混凝處理效果的影響

研究證明，PPC在酸性條件下氧化能力較強(qiáng)（E=1.07 V），對(duì)水中還原性物質(zhì)和有機(jī)物進(jìn)行氧化，弱堿性環(huán)境下PPC氧化能力有所下降，但易生成新生態(tài)水合二氧化錳［12］，有利于吸附架橋作用，強(qiáng)化了混凝處理效果.考慮到水廠實(shí)際運(yùn)行，取PPC預(yù)氧化混凝初始pH值為7～8.

綜合考慮，在初始pH值為7.42，預(yù)氧化時(shí)間4 min，投加量為1.8mg/L的條件下，PPC預(yù)氧化對(duì)原水處理效果最佳，此時(shí)，氨氮、錳的去除率分別為（49.72±1.56）%、（70.21±0.31）%，較單獨(dú)PAC混凝處理時(shí)分別提高了9.62%和34.32%.

3　制水成本分析

3.1水廠概況

水廠一期工藝為1.5萬(wàn)t/d，二期擴(kuò)建工程2萬(wàn)t/d，則工程設(shè)計(jì)處理水量為3.5萬(wàn)t/d，每年工作天數(shù)為365 d，則年處理水量為1277.5萬(wàn)t.

3.2PPC預(yù)氧化經(jīng)濟(jì)估算

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，PPC投加量為 1.8 mg/L，PAC投加量為10mg/L，則PPC預(yù)氧化藥劑成本如表3所示.

表3　PPC預(yù)氧化藥劑成本一覽表

微污染水每天處理藥劑費(fèi)用為：

35000 t/d×0.029=1015元/d

年處理藥劑費(fèi)用為：

1015×365=37.05萬(wàn)元

由于PPC預(yù)氧化工藝方便，采用該技術(shù)不需要太多人力維護(hù)，只需增加2人即可，人工費(fèi)按照當(dāng)?shù)毓べY水平定為1000元/月，則人工費(fèi)每年為2.4萬(wàn)元.采用PPC預(yù)氧化時(shí)成本費(fèi)為39.45萬(wàn)元/年.

水廠長(zhǎng)期以PPC為預(yù)氧化劑時(shí)的藥劑費(fèi)用與以高錳酸鉀為預(yù)氧化藥劑時(shí)費(fèi)用相當(dāng)［1，13］，PPC預(yù)氧化在水廠實(shí)施后，將大大降低原水中氨氮、錳等污染指標(biāo)，提高水廠供水水質(zhì)安全性.

4　結(jié)論

1）PPC預(yù)氧化作用有助于常規(guī)單獨(dú)PAC混凝工藝對(duì)飲用水中污染物質(zhì)的去除，PPC預(yù)氧化強(qiáng)化混凝效果與預(yù)氧化時(shí)間、PPC投加量、初始pH值等因素有關(guān).

2）在單獨(dú)PAC混凝實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)考察PPC預(yù)氧化時(shí)間、投加量、初始pH值等對(duì)原水強(qiáng)化混凝效果的影響，得到PPC預(yù)氧化強(qiáng)化混凝的最佳條件為：預(yù)氧化時(shí)間為4 min、PPC投加量為1.8 mg/L、初始pH值為7～8.在此條件下，PPC預(yù)氧化對(duì)氨氮、錳的去除效果最好，去除率分別為（49.72±1.56）%、（70.21±0.31）%，較單獨(dú)PAC混凝分別提高了9.62%和34.32%.

3）PPC預(yù)氧化混凝處理技術(shù)在水廠實(shí)施后雖增加了制水成本，但可有效強(qiáng)化該水庫(kù)微污染水原水的處理效果，提高了飲用水水質(zhì)安全性.實(shí)驗(yàn)為就近自來(lái)水廠強(qiáng)化混凝處理時(shí)藥劑的選擇提供了理論依據(jù).

［1］唐美香.贛南某縣微污染水原水強(qiáng)化處理工藝［D］.贛州:江西理工大學(xué)，2012.

［2］嚴(yán)群，唐美香，余洋.低溫低濁水處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.有色金屬科學(xué)與工程，2011，2（4）:45-48.

［3］EPA U.Enhanced coagulation and enhanced precipitative softening guidancemanual［J］.Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule（DBPR），1999:237.

［4］高夢(mèng)鴻，高乃云，謝茴茴，等.強(qiáng)化混凝技術(shù)處理東太湖原水研究［J］.給水排水，2014，40（9）:119-125.

［5］Ma J，Liu W.Effectiveness of ferrate（VI）preoxidation in enhancing the coagulation of surface waters［J］.Water Research，2002，36（20）:4959-4962.

［6］Liu B T，Wu W，Cong H Y.Study on effect and mechanism of chitosan coagulation aid in flocculation treatment of water supply［C］//Advanced Materials Research.2012，433:1857-1863.

［7］李為兵，金雪中，張紅春.處理低溫低濁水的混凝劑優(yōu)選［J］.中國(guó)給水排水，2006，22（13）:49-52.

［8］蔣紹階，劉宗源.UV254作為水處理中有機(jī)物控制指標(biāo)的意義［J］.中國(guó)給水排水，1992，8（4）:4-7.

［9］于浩，李寧.地表水中UV254與COD之間的關(guān)系分析［J］.水資源保護(hù)，2009，25（4）:67-69.

［10］陳忠林，午晚?yè)P(yáng)，馬軍，等.高錳酸鹽復(fù)合藥劑強(qiáng)化混凝處理高有機(jī)物含量的地表水［J］.工業(yè)水處理，2001，21（5）:15-26.

［11］陳衛(wèi)，李圭白，鄒浩春.PPC強(qiáng)化混凝除藍(lán)藻除色度效果及致因研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（2）:140-143.

［12］胡文華，吳慧芳，孫士權(quán).高錳酸鹽復(fù)合藥劑預(yù)氧化去除受污染地下水中的鐵錳［J］.工業(yè)水處理，2011，31（8）:35-41.

［13］楊勇其.高錳酸鹽復(fù)合藥劑在水廠水處理中的應(yīng)用［J］.廣東化工，2014，42（11）:195-197.

The experiment of potassium permanganate composite pre-oxidation treatment for micro-polluted source water

WANG Hong1a，YAN Qun1a，HAN Dongxue1b，LUO Xianping2，TANG Meixiang3

（1.Jiangxi University of Science and Technology，a.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering；b.School of Resourcesand Environmental Engineering，Ganzhou 341000，China；2.Jiangxi Key Laboratory of Environment Pollution Control of Mining and Metallurgy，Ganzhou 341000，China；3.Steel Engineering Technology Company Limited ofMananshan，Mananshan 243000，China）

In the experiment，pre-oxidation coagulation sedimentation process was proposed to treat micropolluted water in a reservoir in Gannan areas.The results show thatunder the conditions of pre-oxidated time 4 min，pH 7～8，the dosage of PPC is 1.8 mg/L，the removal rate of ammonia and manganese are（49.72±1.56）%，（70.21±0.31）%，respectively.Compared with single coagulation performance of PAC，the removal rate of PPC pre-oxidation process has improved by 9.62%and 34.32%respectively.The pre-oxidation plays a more important role in enhancing coagulation and improving the security quality of drinking water.

micro-polluted raw water；enhanced coagulation；poly aluminium chloride（PAC）；potassium permanganate composite（PPC）

X524

A

2095-3046（2015）05-0001-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.05.001

2015-03-26

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 （2012BAC11B07）；江西省科技廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （20122BAB203027）

汪宏（1990-），男，碩士研究生，主要從事微污染水源水處理技術(shù)等方面的研究，E-mail:1607480053@qq.com.

嚴(yán)群（1973-），女，博士，副教授，主要從事微污染水源水處理技術(shù)及水污染控制工程等方面的研究，E-mail：1068630@qq.com.