預氯化和預臭氧化在自來水廠的運行效果探究

尹翠琴 方雯萱 謝 宇 朱奇奇

（合肥供水集團有限公司，安徽合肥 231420）

當原水季節(jié)性出現(xiàn)高濁、高氨氮、高耗氧量和高藻等狀況時會對以混凝、沉淀、過濾和消毒為核心的常規(guī)處理工藝的運行穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重干擾，導致水廠混凝劑和消毒劑消耗大為增加，沉淀排泥和濾池沖洗頻次增加等。預處理就是在原水進入處理工藝前針對原水水質特性采取的相應處理措施，它可減少后續(xù)處理工藝的負荷，消除干擾后續(xù)處理工藝穩(wěn)定運行的不利因素，保障供水安全。

化學預氧化是預處理的一種方式，通過在給水處理工藝前端投加氧化勢能較高的氧化劑氧化分解或轉化水中污染物，削弱其對后續(xù)處理工藝的不利影響，強化后續(xù)處理工藝的凈水效能[1]。

本文以合肥供水集團某水廠為例，采用次氯酸鈉和臭氧兩種不同的預氧化方式對原水進行處理，對比兩種預氧化方式在除藻、除鐵錳和氧化助凝、以及出廠水水質方面的效果，為其他水廠在預氧化處理方式上提供參考。

1.水廠凈水工藝流程

該水廠位于合肥市，一期規(guī)模為20萬m3/d。水源取自磨墩水庫，經(jīng)30.4km原水管輸送進廠后經(jīng)預臭氧接觸池、折板絮凝反應池，平流沉淀池，后臭氧接觸池、上向流活性炭濾池、V型濾池過濾，濾后水加次氯酸鈉消毒至清水池，由二級泵房輸送至管網(wǎng)和用戶。具體工藝流程見圖1。

圖1 水廠凈水工藝流程圖

2.試驗方案

原水進廠區(qū)后，采用在原水管投加次氯酸鈉（預氯化，運行1個月）、預臭氧池投加臭氧（預臭氧化，運行1個月）兩種預氧化方式對原水分別進行預氧化處理，其中后臭氧—活性炭濾池深度處理工藝未啟用，通過測定預氧化池、沉淀池、出廠水水質，對比不同氧化劑的預氧化效果以及助凝效果。

3.原水水質

水廠水源為地表水庫水，試驗原水為進廠區(qū)水。對比生產(chǎn)性試驗期間廠區(qū)原水相關水質指標數(shù)據(jù)見表1。

表1 原水水質

4.結果與討論

4.1 預氧化接觸池出水水質對比

預氯化和預臭氧化兩種不同預氧化方式，預氧化接觸池出水水質對比情況見下圖2。

圖2 兩種不同預氧化方式預氧化池出水相關水質指標 （a、耗氧量；b、藻類；c、總鐵；d、總錳）去除率對比

從圖2可以看出，采用臭氧預氧化（投加臭氧的濃度為0.8～1.0mg/L）時，預氧化接觸池水力停留時間為20～30min時，出水耗氧量、藻類和鐵、錳的氧化去除率均高于預氯化。其中藻類的去除率高達35.66%，總錳的去除率達到25.3%。耗氧量的去除率為17.4%，總鐵的去除率為13.9%。由于臭氧的氧化還原電位為+2.07V，次氯酸鈉的氧化電位為+1.36V，臭氧的氧化還原電位比次氯酸的高出50%以上[2]，因此臭氧的氧化能力比次氯酸更具優(yōu)勢。

對有機物的去除，臭氧進入水體后，不穩(wěn)定的臭氧分子在水中很快發(fā)生一系列鏈式反應，生成氧化性很強的氫氧自由基（·OH），將非飽和有機物氧化成飽和有機物，將高分子有機物分解成低分子有機物[3]，但并不能將有機物氧化為無機物，因此只能去除很少一部分有機物，去除率均值為17.4%。

對于藻類的去除，臭氧預氧化作用之一是溶裂藻細胞，二是殺滅藻類，使死亡的藻類易于在后續(xù)的沉淀池、砂濾池等工藝去除。另外，藻類被氧化后，會釋放出有機碳、土腥臭代謝物[1]，這些產(chǎn)物易于被臭氧氧化，而預氯化對消除這些引起臭和味的代謝物作用不明顯。

臭氧可將水中的二價錳氧化成高價態(tài)的錳，也就是說使溶解態(tài)的錳變成固態(tài)物質，易于在后續(xù)的沉淀池或砂濾池去除。二價陽離子形式存在的錳（1）,用一般的氧化劑（比如次氯酸鈉）即可氧化。但當錳以有機絡合物形式存在時（2）,則需強氧化劑（比如臭氧）才能將其氧化為金屬水合氧化物，在pH中性環(huán)境中被沉淀或過濾[4]。由于水體中的錳的存在形態(tài)很多，所以預臭氧化的除錳能力比預氯化強。

原水中的鐵大部分是二價的鐵，可以在處理工藝的前端投加預氧化劑將二價鐵氧化成三價鐵，在pH中性條件下水解生成Fe（OH）3沉淀，在后續(xù)被沉淀或過濾去除。本工藝預臭氧化的總鐵去除率均值為13.9%，勝于預氯化（5.73%）。

4.2 沉淀池出水水質對比

從表2可以看出，兩種不同的預氧化，沉淀池出水濁度、鐵、錳、藻類水質指標的去除效果相當，尤其鐵（＜0.05）和錳（＜0.025）的濃度基本都在檢測限以下。預臭氧化的耗氧量的去除率比預氯化的去除率高45%，在臭氧氧化時，有機物分子中許多碳原子的位置可以被大量的氧原子占據(jù)，進而形成醛、酮、羧酸、醇類[3]，通過改變水中有機物的分子量大小、親水性、憎水性等結構和性質，從而改善有機物的可混凝性，因此大大提高后續(xù)平流沉淀處理工藝對有機物的去除效果。

表2 兩種預氧化方式沉淀池出水重要指標去除率對比

4.3 絮凝劑使用量的對比

從表3可以看出，當沉淀池出口水濁度在0.4～0.5NTU時，采用預臭氧氧化比預氯化的絮凝劑液體鋁鐵的投加單耗平均值降低20.4%，也就是說臭氧具有一定的助凝作用。是因為水體中的有機物會全部或部分被水體中的膠體顆粒物吸附形成穩(wěn)定的包裹物，導致膠體顆粒原本的化學性能無法表露，不利于混凝反應的進行。臭氧的預氧化會將粘附在膠體顆粒表面的有機物氧化，促進膠體顆粒和混凝劑的反應，使得膠體顆粒易于在平流沉淀池中下沉[6]。此外，臭氧氧化會增加水中的氧含量，進而增加有機物的含氧官能團，其比原有機物更易與鈣等金屬鹽形成聚合體，更容易脫穩(wěn)、沉淀[7～8]。因此預臭氧氧化，一方面可以降低絮凝劑的投加量，另一方面使出廠水的出廠水的水質更加優(yōu)良，濁度下降約29%。

表3 兩種預氧化方式出廠水濁度和絮凝劑 投加單耗對比

4.4 預臭氧化副產(chǎn)物溴酸鹽的評價

在使用臭氧預氧化期間，當臭氧投加量分別為0.8、0.9、1.0mg/L時，各工藝段水溴酸鹽項目均未檢出。

5.結論

本文采用次氯酸鈉、臭氧兩種不同的預氧化方式對原水進行預氧化處理，研究了預氧化接觸池出水、沉淀池出水、絮凝劑的投加量以及出廠水質的對比分析，結果表明：臭氧的氧化能力比次氯酸鈉強，預臭氧化接觸池的出水耗氧量、藻類、鐵和錳的去除率均高于預氯化；預臭氧化沉淀池出水耗氧量和藻類的去除率亦優(yōu)于預氯化；臭氧的助凝作用明顯，降低絮凝劑的投加量20.4%，節(jié)約原材料消耗，降低原材料成本，進而可以延長后續(xù)砂濾池處理工藝的反沖洗周期；預臭氧化的出廠水更加優(yōu)質，濁度降低約29%。