飲用水處理中常用預(yù)氧化劑的種類及特點(diǎn)

李昂，林英姿,2，朱洋，林渙，劉根

飲用水處理中常用預(yù)氧化劑的種類及特點(diǎn)

李昂1，林英姿1,2，朱洋1，林渙1，劉根1

（1. 吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118； 2. 吉林建筑大學(xué)松遼流域水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130118）

傳統(tǒng)凈水工藝主要處理水中懸浮物、膠體、大顆粒物質(zhì)，對于溶解性有機(jī)物去除十分有限，由于飲用水標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，對溶解性有機(jī)物的去除成為傳統(tǒng)工藝提標(biāo)改造的主要內(nèi)容，預(yù)氧化技術(shù)是提高水源水中溶解性有機(jī)物去除率的有效技術(shù)手段之一，本文介紹了水處理工藝中常用的預(yù)氧化劑種類、優(yōu)缺點(diǎn)及其適用的水質(zhì)。

預(yù)氧化；微污染水源；溶解性有機(jī)物

自19世紀(jì)以來，混凝、沉淀、過濾、消毒常規(guī)水處理工藝[1-2]仍被世界上大多數(shù)水廠采用，微污染水源水中有大量溶解性有機(jī)物存在，但常規(guī)工藝對溶解性有機(jī)物的去除能力有限[3-4]，由于這些物質(zhì)的存在，給后續(xù)混凝處理工藝造成了一定的困難，同時(shí)嚴(yán)重影響了水質(zhì)。微污染水源水在進(jìn)行后續(xù)消毒時(shí)會產(chǎn)生諸如三氯甲烷（THMS）、鹵乙酸（HAAS）、鹵乙腈（HANS）、三氯硝基甲烷（CP）以及溴酸鹽等諸多的消毒副產(chǎn)物（Disinfection By-product），這些消毒副產(chǎn)物大多為“三致”物質(zhì)。大量的溶解性有機(jī)物進(jìn)入到管網(wǎng)中也會被管網(wǎng)中的細(xì)菌等微生物利用，造成管網(wǎng)水質(zhì)污染，嚴(yán)重影響飲水安全。因此，原水中溶解性有機(jī)物的去除是水質(zhì)提升的關(guān)鍵所在，預(yù)氧化技術(shù)對于溶解性有機(jī)物的氧化降解有較好的效果，是水質(zhì)提標(biāo)改造的有效技術(shù)之一。常用的預(yù)氧化劑主要有如下幾種：

1 高錳酸鉀

高錳酸鉀是目前廣泛使用的預(yù)氧化劑之一，在水中有機(jī)物可以與高錳酸鉀發(fā)生直接作用和間接作用，高錳酸鉀在水中形成的二氧化錳可以對水體中的有機(jī)物產(chǎn)生吸附和催化作用，因此高錳酸鉀可以有效提高混凝對地表水中溶解性有機(jī)物的去除[5]。相比對溶解性有機(jī)物的去除，高錳酸鉀更常用于殺藻，當(dāng)水體呈現(xiàn)堿性時(shí)效果尤其出色，投加量僅需0.6 mg/L就可以去除90%的藻類[6]。此外當(dāng)水中為弱酸性時(shí)，高錳酸鉀的高錳酸根氧化作用可以在水中發(fā)生歧化反應(yīng)，生成的二氧化錳沉淀可以起到去除錳離子的作用，在pH大于5時(shí)鐵離子可以被高錳酸鉀迅速氧化，但當(dāng)水中含有較高的溶解性有機(jī)物時(shí)，鐵會與富里酸等溶解性有機(jī)物絡(luò)合，從而影響到高錳酸鉀對鐵的去除率[7]。由于高錳酸鉀本身具有顏色，所以當(dāng)繼續(xù)加大投加量時(shí)，出水的濁度會有上升。

2 臭氧

從19世紀(jì)起就有人用臭氧來處理飲用水,在世界上約有3 000余個(gè)水廠利用臭氧凈化飲用水。用臭氧處理還可以起到殺菌消毒作用，是一種綠色的氧化、殺菌藥劑[8]。臭氧可以氧化多種物質(zhì)，尤其是水中的鐵、錳等金屬離子。在同時(shí)存在鐵、錳離子時(shí)臭氧會優(yōu)先氧化鐵離子。所以鐵離子會迅速被臭氧消耗掉。因此在水源中同時(shí)含有鐵、錳離子時(shí)低濃度的臭氧會導(dǎo)致錳離子被氧化的較少，單純臭氧預(yù)氧化處理可能會導(dǎo)致錳離子超標(biāo)。這種情況在處理地下水時(shí)較為常見。但是臭氧相比高錳酸鉀而言，臭氧對水體中pH并不敏感。在各個(gè)范圍的pH臭氧都有較好的氧化效果。在污水處理中臭氧分解后會產(chǎn)生氧氣，還會起到對水體的曝氣作用，這對硝化反應(yīng)起到了一定程度的促進(jìn)作用，有利于污水的脫氮性能。

當(dāng)臭氧與活性炭連用時(shí)，臭氧可以起到對水中氨氮的降解作用，在臭氧的氧化作用下，氨氮被氧化為硝酸鹽氮，而硝酸鹽氮可以被附著在活性炭濾池或是普通砂濾池中的微生物通過代謝作用去除[9]。

臭氧的預(yù)氧化強(qiáng)化混凝作用是近幾年的熱點(diǎn)研究方向，臭氧對源水的助凝作用已經(jīng)得到了很多學(xué)者的認(rèn)可[10-11]。研究表明，在低劑量的臭氧投加量時(shí)，臭氧的助凝作用相對明顯，而投加量過高反而會引起濁度的提高。預(yù)氧化劑的投量對于不同水質(zhì)有著不同的最佳劑量。原水的TOC、UV254、硬度以及混凝劑投加量、混凝劑種類都對其助凝效果有著不同影響[12]。

臭氧更廣泛的作用是用于除藻，在歐美一些國家，臭氧被廣泛應(yīng)用于除藻。由于臭氧的強(qiáng)氧化性，藻類先被裂解，在被殺死后，氧化的藻類可以很容易被后續(xù)處理設(shè)施去除。隨著臭氧投加量的增加，臭氧對藻類的去除效果也隨之提高，有文獻(xiàn)記載在投加量達(dá)到7.6 mg/L時(shí)，臭氧的破藻率可以達(dá)到90%[13]。臭氧還有著其他氧化劑所無法比擬的作用，就是臭氧可以消除藻類破解后產(chǎn)生的有嗅的代謝產(chǎn)物，但與臭氧助凝作用類似，臭氧的除藻效率受藻類的大小、性狀以及表面性質(zhì)的限制而有著不同效率[14]。

3 過氧化氫

過氧化氫在水中分解為水和氧氣，且過氧化氫可以與水任意比混合，化學(xué)性質(zhì)也比較穩(wěn)定，在適當(dāng)?shù)拇娣艞l件下可以長時(shí)間保存。采用過氧化氫預(yù)氧化最大的優(yōu)點(diǎn)就是過氧化氫不會引入新的雜質(zhì)，過氧化氫本身不具有腐蝕性，也有利于長途運(yùn)輸。過氧化氫的氧化性相比臭氧較弱，高于高錳酸鉀和二氧化氯，可通過直接氧化作用與水中的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，過氧化氫常常與亞鐵離子配合使用組成芬頓試劑，在聯(lián)用時(shí)擁有更強(qiáng)的氧化作用，過氧化氫與亞鐵離子組成的芬頓試劑已經(jīng)擁有一百余年的歷史，在環(huán)保化工、衛(wèi)生醫(yī)療多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用[15]。一定劑量的過氧化氫可以降低水體中的濁度[16]，過氧化氫是一種成本適中、較為環(huán)保的預(yù)氧化劑。

4 高鐵酸鉀

高鐵酸鉀預(yù)氧化是近幾年國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，由于高鐵酸鉀中六價(jià)鐵的存在，使得高鐵酸鉀具有較強(qiáng)的氧化性[17]，在使用高鐵酸鉀氧化時(shí)，不會引入任何有毒有害物質(zhì)。并且在加入高鐵酸鉀后，三價(jià)鐵離子可以起到絮凝作用,所以說高鐵酸鉀集氧化、絮凝、助凝、吸附、消毒功能于一體。

在微酸性條件下，高鐵酸鉀的絮凝和氧化效果發(fā)揮最佳，高鐵酸鉀釋放出的三價(jià)鐵離子可以有效發(fā)揮其絮凝作用，同時(shí)六價(jià)高鐵離子的氧化作用可以起到對水中有機(jī)物的有效降解，高鐵酸鉀可以破壞例如腐殖酸類的酚羥基團(tuán)，同時(shí)產(chǎn)生的高價(jià)正電荷產(chǎn)物可以中和有機(jī)物表面電荷，從而使得水中有機(jī)物含量大大下降，這種作用也使得藻類與有機(jī)物形成的絮體減少，從而便于藻類被去除，使混凝效果提高[18]。

與高鐵酸鉀去除有機(jī)物的機(jī)理相似，高鐵酸鉀對濁度也有相當(dāng)強(qiáng)的去除效果，通過高鐵酸鉀的氧化性和助凝作用，在高鐵酸鉀的氧化作用和氫氧化鐵的協(xié)同作用下，有機(jī)物膠體的表面保護(hù)層被破壞，氫氧化鐵吸附微小顆粒，逐漸變成較大的顆粒，最后膠體脫穩(wěn)，較大的絮體得以沉淀，濁度得以去除。

高鐵酸鉀相比其他預(yù)氧化劑氧化水體，不會產(chǎn)生“三致”物質(zhì)，同時(shí)因?yàn)槠浼趸?、絮凝、助凝、吸附、消毒功能于一身。所以是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ念A(yù)氧化劑。

5 氯

作為最早的水處理預(yù)氧化方法，其特點(diǎn)是不需要額外增加設(shè)備，同時(shí)因?yàn)槲覈蠖鄶?shù)水廠采用氯消毒，所以預(yù)氯化也不需要額外采購新藥劑，所以預(yù)氯化是應(yīng)用最為廣泛的氧化方法。預(yù)氯化是指在常規(guī)工藝處理之前先投加液氯或次氯酸鈉，通過氯的氧化作用可以去除一部分有機(jī)物，同時(shí)也可以先去除一部分細(xì)菌和抑制藻類的滋生。預(yù)氯化的特點(diǎn)是成本低，預(yù)氯化后在水中形成的次氯酸具有強(qiáng)氧化性，并且能生成羥基自由基，其氧化性更具優(yōu)勢。有文獻(xiàn)記載，當(dāng)以次氯酸鈉作為預(yù)氧化劑時(shí)，可以相比常規(guī)工藝去除21.78%的UV254，對水中的TOC也有一定的去除效果[19]。但當(dāng)原水中的有機(jī)物含量較高時(shí)，預(yù)氯化的處理效果就不甚樂觀，而且由于預(yù)氯化在水中產(chǎn)生的余氯會與消毒副產(chǎn)物前體物質(zhì)生成有害的例如三氯甲烷等“三致”物質(zhì)，所以預(yù)氯化相比其他預(yù)氧化手段對消毒副產(chǎn)物的控制較差。

6 二氧化氯

二氧化氯預(yù)氧化不同于氯的預(yù)氧化，二氧化氯預(yù)氧化很少產(chǎn)生三氯甲烷、氯乙腈、氯乙醛、氯乙酸等具有“三致”毒性的消毒副產(chǎn)物，近年來得到重視。利用二氧化氯預(yù)氧化可以與水中特定的有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng)，所以因?yàn)槎趸鹊难趸x擇性，采用二氧化氯預(yù)氧化很少產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，二氧化氯對藻類也有相當(dāng)明顯的去除效果[20-23]。二氧化氯對嗅味和色度的去除效果一般[24]，對于有機(jī)物的去除效果也比高錳酸鉀預(yù)氧化略差[25]，二氧化氯對濁度的去除率僅為20%[26]。

7 應(yīng)用展望

高錳酸鉀作為預(yù)氧化劑在我國水廠已使用多年，應(yīng)用廣泛，但高錳酸鉀因?yàn)槠浔旧韼в猩?，所以在投加后會造成感觀性狀指標(biāo)提高，過量投加高錳酸鉀還有可能引起水質(zhì)錳含量超標(biāo)；臭氧的設(shè)備和管理費(fèi)用較高，采用臭氧預(yù)氧化會提高投資成本，增加設(shè)備運(yùn)行管理難度，當(dāng)水中含有溴離子時(shí)，臭氧投加會產(chǎn)生溴代消毒副產(chǎn)物，溴代消毒副產(chǎn)物的毒性比傳統(tǒng)的三氯甲烷、氯乙腈、氯乙酸的毒性要高，同時(shí)臭氧對有機(jī)物的氧化選擇性也比較高，對一些特殊的有機(jī)物無法被完全礦化，因此臭氧常常與過氧化氫和紫外連用來增強(qiáng)氧化效果；采用預(yù)氯化同樣會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的顧慮；二氧化氯預(yù)氧化雖然產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物較少，但二氧化氯對色度和嗅味的去除效果十分有限；高鐵酸鉀不穩(wěn)定，不便于運(yùn)輸和儲存，生產(chǎn)方法較為復(fù)雜，成本較高，尋求經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的高鐵酸鉀制備方法，是推廣高鐵酸鉀應(yīng)用的前提條件。因此探索一種預(yù)氧化劑和其他手段聯(lián)合的預(yù)氧化組合工藝、預(yù)氧化消毒組合工藝，利用幾種預(yù)氧化劑的優(yōu)勢互補(bǔ)是未來去除水中溶解性有機(jī)物的有效途徑之一。

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Types and Characteristics of Common Preoxidants in Drinking Water Treatment

11,2,1,1,1

（1. School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Jianzhu University, Jilin Changchun 130118, China; 2. Key Laboratory of Songliao Aquatic Environment of Ministry of Education, Jilin Jianzhu University, Jilin Changchun 130118, China）

Traditional water purification process is mainly used to remove suspended solids, colloids and large particles in water; the soluble organic matter removal is hardly achieved by the traditional water purification process. Due to the continuous improvement of drinking water standard, the removal of dissolved organic matter has become the main content of the traditional technology upgrade, preoxidation technology is one of the effective technologies to improve the removal rate of the water soluble organics. In this paper,types of pre-oxidant commonly used in water treatment process were introduced as well as the advantages and disadvantages and application.

oxidation; micropolluted water source; dissolved organic matter

北方地表水預(yù)氧化消毒組合工藝對藻毒素MC-LR的控制及消毒副產(chǎn)物生成的影響研究，項(xiàng)目號：JJKH20180576KJ; 北方城市給水管網(wǎng)水力模型優(yōu)化研究，項(xiàng)目號：2015279; 吉林省合流制污水處理設(shè)施雨天排放標(biāo)準(zhǔn)的研究，項(xiàng)目號：2019-15。

2019-12-19

李昂（1994-），男，碩士研究生，吉林省長春市人，研究方向：從事飲用水處理相關(guān)方面研究。

TQ031.7

A

1004-0935（2020）01-0057-04