贛南某水庫微污染水高錳酸鹽復合藥劑預氧化處理實驗

汪宏，　嚴群，　韓冬雪，　羅仙平，　唐美香

（1.江西理工大學，a.建筑與測繪工程學院；b.資源與環境工程學院，江西 贛州341000）2.江西省礦冶環境污染控制重點實驗室，江西贛州341000；3.安徽馬鋼工程技術集團，安徽馬鞍山243000）

【化學·環境】

贛南某水庫微污染水高錳酸鹽復合藥劑預氧化處理實驗

汪宏1a，嚴群1a，韓冬雪1b，羅仙平2，唐美香3

（1.江西理工大學，a.建筑與測繪工程學院；b.資源與環境工程學院，江西 贛州341000）2.江西省礦冶環境污染控制重點實驗室，江西贛州341000；3.安徽馬鋼工程技術集團，安徽馬鞍山243000）

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

微污染水原水；強化混凝；聚合氯化鋁；高錳酸鹽復合藥劑

目前，隨著工業廢水的大量排放及農業點源面源污染的加劇，污染物進入地表水中.這些污染物種類多、性質復雜，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情況往往具有季節性和地域性.贛南地區林果種植面積大，林果施肥、噴灑農藥等極易造成水體污染，特別是水中氮磷超標［1］.贛南某水庫水中有機物、氨氮、鐵、錳等指標季節性超標；冬季水溫低于10℃，且濁度低［2］.以該水庫水為原水的給水處理廠，大多采用常規處理工藝，難以應對季節性水質惡化情況，出水水質安全性受到嚴重威脅，因而選擇合適的處理方案顯得尤為重要.

針對強化混凝技術處理微污染水原水的問題，國內外進行了大量研究.美國環保署（USEPA）將強化混凝技術列為控制水中天然有機物（NOM）的最佳工藝［3］.高夢鴻等［4］對東太湖水的強化混凝處理實驗表明，粉末活性炭的強化混凝處理效果顯著；Ma等［5］發現，預氧化工藝能顯著改善混凝處理效果；Liu等［6］研究了KMnO4預氧化強化混凝處理過程，發現KMnO4中間產物對絮體結構及沉降性有顯著地提升作用.強化混凝技術是在保證出水安全、技術經濟可行的前提下，通過改變混凝劑投加方式、提高混凝投藥量及控制pH條件等措施優化混凝條件，從而促進水中有機物和膠體顆粒的去除.根據不同水質來選擇適合的混凝藥劑，是混凝處理工藝的關鍵環節［7］，絮凝劑及助凝劑選擇得當與否，直接會影響后續工藝的處理效果.以贛南某水庫水為原水，聚合氯化鋁（PAC）為混凝劑進行燒杯攪拌試驗，研究了單獨采用PAC對該原水的混凝效果.在PAC最佳混凝條件下，再以高錳酸鹽復合藥劑（PPC）為氧化劑，考察PPC預氧化對原水的強化混凝效果，旨在改善和提高以該水庫水為原水的自來水廠出水水質.

1　實驗材料及方法

1.1實驗藥劑及設備

實驗儀器：混凝攪拌器、哈希濁度儀、雷磁pH計、紫外分光光度計、電子天平等.

試驗藥劑：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.

實驗所用原水取自贛南某水庫，其水質指標如表1所示.

表1　試驗期間水庫原水水質分析

由表1可知，根據地表水環境質量標準（GB3838-2002）III類水體標準，原水中有機物、氨氮、鐵、錳等超標，屬于微污染水.

1.2實驗內容及方法

1.2.1單獨PAC混凝實驗

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

實驗發現，單獨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，其他指標均能滿足《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）的要求.

1.2.2PPC預氧化實驗

為近一步提高對原水氨氮、錳的去除效果，在單獨PAC混凝實驗的基礎上，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，待其完成靜置30 min后，取液面下2 cm處上清液測定各項水質指標.PAC混凝基本水力條件不變，PPC預氧化基本水力條件為：攪拌強度為260 r/min，混合攪拌2 min.

1.2.3檢測項目及試驗方法

試驗期間水溫為25～30℃.水質分析項目及測定方法見表2.

表2　分析項目及測定方法

2　實驗結果與分析

2.1PPC預氧化實驗

2.1.1預氧化時間對強化混凝處理效果的影響

基本水力條件下 （包括單獨PAC混凝基本水力條件和PPC預氧化時基本水力條件，下同），PPC投加量為0.6mg/L，預氧化時間分別0、2、4、6、8min，對原水強化混凝效果的影響見圖1.（注：PAC投加前的時間即為PPC預氧化的時間）

圖1（a）中，隨預氧化時間的增大，原水濁度去除率逐漸降低，在預氧化時間為4 min時，PPC對濁度的最大去除率為（99.15±0.1）%；當預氧化時間為4 min和8 min時，鐵的去除率出現兩個峰值，分別為（92.38±0.67）%、（95.23±1.62）%；預氧化時間為4min時，CODMn的去除率最高，為 （72.16± 0.56）%.圖1（b）中，隨預氧化時間的增加，UV254去除率減小，在預氧化時間為4min時，其去除率為（24.62±1.38）%；預氧化時間為4min時，氨氮和錳的去除率均達到最大，分別為（43.18±1.42）%、（66.33± 1.35）%，預氧化時間為8 min時，沉淀水中氨氮濃度高于原水.可能是由于PPC預氧化時間較長，將水中大分子有機物氧化成小分子有機物，而水中懸浮物已沉淀，使得小分子有機物在絮凝時缺少凝結中心，難以沉降，提高了吸光度.

圖1　PPC預氧化時間對原水強化混凝效果的影響

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

2.1.2PPC投加量對強化混凝處理效果的影響

基本水力條件下，預氧化時間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，對原水強化混凝效果的影響見圖2.

圖2　PPC投加量對原水強化混凝效果的影響

圖2（a）中，投加PPC預氧化后，濁度去除率大于97.5%，在PPC投加量為1.8mg/L時，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，其最大去除率為（95.28±1.84）%，當投加量為1.8mg/L時，其去除率為 （92.91±0.33）%；PPC投加量為1.0mg/L和1.8mg/L時，CODMn的去除率出現兩個峰值，分別為（66.33±1.29）%、（66.01±0.4）%.圖2（b）中，PPC投加量為1.8mg/L時，對錳和氨氮強化混凝的去除率最大，分別為 （72.55±1.13）%、（48.32±0.29）%；PPC預氧化對UV254的去除效果不佳，當PPC投加量為0.6mg/L和1.8mg/L時，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生色度［11］.由上述圖表可見，在投加量為1.8 mg/L時，PPC預氧化對各指標的去除效果最好，且靜沉后上清液無色度產生.因此，確定PPC投加量為1.8mg/L.

2.1.3初始pH值對PPC預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，預氧化時間4 min，為充分考慮原水pH值對PPC預氧化強化混凝效果的影響，調節攪拌杯中原水初始pH值分別為5、6、7.42（原水值）、8、9、10.不同初始pH值對PPC預氧化強化混凝效果的影響見圖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，PPC預氧化對濁度的去除效果最好，最大去除率為 （98.77± 0.82）%；原水初始pH值對鐵的去除效果影響顯著，在初始pH值為9時，鐵的最大去除率為 （97.68± 0.57）%，初始pH值為7.42時，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，CODMn的最大去除率為（64.39±0.47）%，當初始pH值為7.42時，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，PPC預氧化對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，PPC預氧化對氨氮的最大去除率為（49.72±1.56）%，較單獨投加PAC時提高9.62%；初始pH值為7.42時，PPC預氧化對錳的去除率為（70.21±0.31）%，較單獨投加PAC時提高34.32%.

圖3　初始pH值對PPC強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（E=1.07 V），對水中還原性物質和有機物進行氧化，弱堿性環境下PPC氧化能力有所下降，但易生成新生態水合二氧化錳［12］，有利于吸附架橋作用，強化了混凝處理效果.考慮到水廠實際運行，取PPC預氧化混凝初始pH值為7～8.

綜合考慮，在初始pH值為7.42，預氧化時間4 min，投加量為1.8mg/L的條件下，PPC預氧化對原水處理效果最佳，此時，氨氮、錳的去除率分別為（49.72±1.56）%、（70.21±0.31）%，較單獨PAC混凝處理時分別提高了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t/d，二期擴建工程2萬t/d，則工程設計處理水量為3.5萬t/d，每年工作天數為365 d，則年處理水量為1277.5萬t.

3.2PPC預氧化經濟估算

由實驗結果可知，PPC投加量為 1.8 mg/L，PAC投加量為10mg/L，則PPC預氧化藥劑成本如表3所示.

表3　PPC預氧化藥劑成本一覽表

微污染水每天處理藥劑費用為：

35000 t/d×0.029=1015元/d

年處理藥劑費用為：

1015×365=37.05萬元

由于PPC預氧化工藝方便，采用該技術不需要太多人力維護，只需增加2人即可，人工費按照當地工資水平定為1000元/月，則人工費每年為2.4萬元.采用PPC預氧化時成本費為39.45萬元/年.

水廠長期以PPC為預氧化劑時的藥劑費用與以高錳酸鉀為預氧化藥劑時費用相當［1，13］，PPC預氧化在水廠實施后，將大大降低原水中氨氮、錳等污染指標，提高水廠供水水質安全性.

4　結論

1）PPC預氧化作用有助于常規單獨PAC混凝工藝對飲用水中污染物質的去除，PPC預氧化強化混凝效果與預氧化時間、PPC投加量、初始pH值等因素有關.

2）在單獨PAC混凝實驗的基礎上，通過考察PPC預氧化時間、投加量、初始pH值等對原水強化混凝效果的影響，得到PPC預氧化強化混凝的最佳條件為：預氧化時間為4 min、PPC投加量為1.8 mg/L、初始pH值為7～8.在此條件下，PPC預氧化對氨氮、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PAC混凝分別提高了9.62%和34.32%.

3）PPC預氧化混凝處理技術在水廠實施后雖增加了制水成本，但可有效強化該水庫微污染水原水的處理效果，提高了飲用水水質安全性.實驗為就近自來水廠強化混凝處理時藥劑的選擇提供了理論依據.

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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”國家科技支撐計劃項目 （2012BAC11B07）；江西省科技廳自然科學基金資助項目 （20122BAB203027）

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

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