高錳酸鉀對污水中有機污染物去除效果研究★

王志勇，王 晶，馮文彥，刁偉錚

(1.山東招金膜天股份有限公司,山東 煙臺 265400; 2.大連海洋大學海洋與土木工程學院,遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著社會的發展,全球水資源嚴重短缺和污染,污水是水環境主要污染源,也是水資源的重要補充,污水的資源化利用可以大大緩解水資源的壓力,改善水環境,意義十分重大。重復利用是解決水資源短缺的重要途徑,其根本出路在于大規模利用。而大規模的污水重復利用,又離不開管渠的輸送。管渠既可以作為污水輸送的載體,又可以作為污水處理的反應器。在城市用水中,大規模污水資源化利用以城市污水處理廠二級處理水為水源,經三級處理后供用戶使用[1-2]。城市污水處理廠通常位于城市下游,用戶距離城市污水廠的距離比較遠,需要利用輸水管渠將再生水輸送到用戶。輸水管渠具有充足的時間和空間以及較好紊動條件,管道還具有較高的壓力條件,是很好的反應器[3]。

預氧化技術是在水處理前端投加氧化劑以強化常規水處理工藝的水處理技術,具有投資小、使用方便等優點。氧化劑能夠對水中污染物產生氧化、催化和吸附作用,從而起到很好的強化混凝和氧化助凝的效果,以達到提高對水體中污染物的去除效率。高錳酸鉀氧化技術可有效去除水中微量有機污染物、降低色/嗅和抑制藻類繁殖等,且該技術選擇性良好,氧化過程不會產生鹵代副產物[4-5],其投加與監測均很方便。本文以水廠二級處理出水為對象,以再生利用水質標準為目標,研究在輸水管道前端投放高錳酸鉀氧化劑,通過試驗對有機污染物、濁度、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的去除效應進行比較,探索摻混空氣高錳酸鉀預氧化試驗對管道中有機污染物的去除效果,為大規模污水資源化利用提供參考依據。

1 試驗方案與裝置

試驗原水取自某生態住宅小區污水二級處理出水,該水水質滿足管道處理前水質要求,達到一級排放標準。試驗模擬管道密閉容器容積為60 L,按照空氣和中水一定的比例加入中水,并按照中水量加入高錳酸鉀藥劑,保持高錳酸鉀濃度為4.5 mg/L,且充分攪拌均勻。整個試驗裝置緩慢間歇性旋轉,模仿中水在管道中流動的狀態。在不同摻氣比不同反應時間取樣,測定水樣的COD、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和濁度指標數據,分析管道摻氣氧化的效果。

試驗測試方法:COD:5B-3(B)型COD快速測定儀;DO:DOS-6840型臺式溶解氧測定儀;亞硝酸氮:重氮偶氮比色法;硝酸氮:鋅鎘還原—重氮偶氮比色法;氨氮:納氏試劑法;濁度:723型濁度儀。試驗裝置如圖1所示。

2 效果試驗結果及其分析

通過試驗模擬管道摻氣氧化,確定設計運行參數。試驗設計中所采用的預氧化劑高錳酸鉀能夠和水中具有還原性的無機物和有機物發生有效反應,在和水中物質發生氧化還原反應時,改變水中有機物、膠體顆粒、微生物表面結構或改變金屬離子的電荷,從而促進混凝現象產生[6]。為了了解不同摻氣比對中水中各項指標的影響,對25%,20%,15%,10%,5%五種不同摻氣比的水樣,分別在30 min,60 min,90 min時取樣,進行測量,得到其COD、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和濁度各指標含量的變化,從而分析探索管道摻氣氧化的效果、機理和設計運行參數,進而進一步指導實際生產[7-9]。

2.1 COD的去除效果

不同摻氣比時CODcr去除率變化見圖2。

由圖2可知,對于不同的摻氣比例,CODCr去除率的變化趨勢明顯不同:

1)當摻氣比為20%時,CODCr值明顯降低,最大降幅可達24.9%。說明此條件下CODCr可以從60 mg/L降低至45 mg/L,這就滿足了再生水水質標準,可以作為管道摻氣氧化技術應用于生產的一項試驗依據。

2)當摻氣比為15%時,CODCr值下降不明顯,降幅只有5%左右。當摻氣比為5%,10%和25%時,CODCr值不僅沒有降低反而增加了。這就更加突出了20%摻氣比時反應的去除效果。

不同反應時間CODcr去除率變化見圖3。

由圖3可知,不同反應時間下CODCr去除率的變化曲線趨勢一致,但90 min時20%的摻氣量條件下CODCr去除效果極其明顯,CODCr最大去除率達到24.9%。

綜上所述,管道摻氣氧化試驗研究中最佳摻氣比為20%,最佳反應時間為90 min。

2.2 氨氮的去除效果

不同摻氣比時氨氮量變化見圖4。

由圖4可知,不同摻氣比對氨氮含量影響無明顯規律,由于反應復雜,氨氮含量時而增加時而減少,試驗中出現的氨氮最大去除率也不到15%,可知高錳酸鉀預氧化對氨氮去除效果不是很顯著。要說明的是在摻氣比為20%,反應時間為90 min時,氨氮含量由初始的16.22 mg/L增加到了21.70 mg/L,增幅達到了34%。

2.3 硝酸鹽氮的去除效果

不同摻氣比硝酸鹽氮的去除效果見圖5。

由圖5可知,摻氣比為5%時,NO3-N濃度變化不大;摻氣比10%～20%時,NO3-N去除率隨摻氣比的增加而增加;摻氣比為20%時,NO3-N的去除率最大,達到25%;摻氣量為25%,NO3-N去除率反而減小,NO3-N減少的反應速度明顯比其他摻氣量時快,60 min達到最大,并保持穩定。

可見,摻氣比是NO3-N去除的重要影響因素,20%時NO3-N去除率最大,達到25%,因此20%摻氣比對NO3-N去除有明顯效果。

2.4 亞硝酸鹽氮的去除效果

不同摻氣比的亞硝酸鹽氮值見表1。

表1 不同摻氣比的亞硝酸鹽氮值 mg/L

從表1數據可以看出,隨著時間的延續,各摻氣比的亞硝酸鹽氮(NO2-N)含量均有增加。當摻氣比20%時,NO2-N的增幅普遍高于其他摻氣比,最大增幅25.8%;當摻氣比5%和10%時,NO2-N隨反應時間的增加而增加;摻氣比15%,20%,25%時,NO2-N 30 min最大,之后隨反應時間的增加而緩慢減少。

可見,摻氣比是NO2-N增加的重要影響因素,20%時NO2-N增幅普遍高于其他摻氣比,最大達到25.8%,20%摻氣比對NO2-N的增加影響較大。

2.5 濁度的去除效果

不同摻氣比的濁度值見表2。

表2 不同摻氣比的濁度值

從表2數據可以看出,在不同的摻氣比下,濁度都有增加,且90 min內增加值保持不變。由于試驗用的中水取水批次不同,原水水質不同,在反應后濁度的變化不同,所以不同摻氣比時濁度增加的幅度有所不同。而同一批次的中水,濁度的變化基本相同。因此得知,摻混空氣高錳酸鉀預氧化試驗對濁度的去除沒有效果。若要去除原水中的濁度,還需要其他方法,后續加其他處理工藝。

3 高錳酸鉀催化效果

在自然條件下,觀察原水靜置24 h后的指標變化情況,如表3所示。

表3 原水靜置24 h的變化情況

可見,在自然條件下各指標的濃度幾乎不變,各種反應速度都非常緩慢。如果高錳酸鉀只與有機物發生氧化還原反應,理論上CODCr降低1 mg/L需要消耗6.581 mg/L高錳酸鉀;本試驗投加4.5 mg/L高錳酸鉀,CODCr只能降低0.68 mg/L,去除率為1.1%。試驗結果圖2和圖3表明,摻氣比為15%和20%時,COD去除率為3%～25%,均大于1.1%;摻氣比為5%,10%和25%時,COD不降反增。試驗結果圖5和表1表明,NO3-N和NO2-N也發生了明顯的變化。可見,高錳酸鉀催化了多種反應過程。

對25%,20%,15%,10%,5%五種不同摻氣比的水樣,分別在30 min,60 min,90 min取樣,進行測量,DO變化情況如圖6所示。

由圖6可知,溶解氧(DO)在0 min～30 min的時間內急速上升,在30 min～90 min的時間內曲線趨于平緩,變化幅度較小,基本保持在6 mg/L～8 mg/L之間,從而得出:

1)高錳酸鉀的存在提高了氧的溶解速度,在30 min之內迅速溶解達到飽和。2)提高了飽和溶解氧的濃度。3)就氧的溶解而言,摻氣比5%已經足夠,提高摻氣量并不能進一步提高飽和溶解氧濃度,相反,飽和溶解氧濃度具有隨摻氣比增加而減小的趨勢。

4 結論

本文應用管道摻氣氧化試驗分析了不同摻氣比下高錳酸鉀對污水中有機污染物的去除效果研究,得出以下結論:

1)模擬輸水管道中加高錳酸鉀4.5 mg/L,摻氣比15%和20%時,COD明顯降低,最大降幅24.9%,滿足再生水標準;NO3-N明顯減少,最大降幅25%;NO2-N升高,升高的絕對數值不大,但百分數較高,最大升幅25.8%;對濁度和NH3-N的去除效果不明顯。

2)摻氣比對各項指標變化的影響規律各異,但摻氣比20%對各項指標都有明顯影響;對COD的去除,最佳摻氣比為20%。

3)反應時間對各項指標變化的影響較大,對COD的去除,90 min時去除效果達到最佳;對其他項目,均有在90 min出現折點的趨勢。

4)在高錳酸鉀存在的情況下溶解氧參與了化學氧化反應,其促進了氧的溶氧速度,提高了溶解氧濃度,提高了氧化效果。

此外,高錳酸鉀氧化技術也存在一些不足,后續可將其與其他工藝相聯用,以達到更好的強化去除效果,拓寬高錳酸鉀在水處理領域的應用[10-11]。