高錳酸鉀預氧化強化混凝工藝對高藻水的處理

岳 兵 ，顏 勇 ，謝美萍 ，李 亮 ，林 濤

（1.揚州自來水有限責任公司，江蘇揚州 225000；2.河海大學環(huán)境學院，江蘇南京 210098）

水源地原水中的藻類問題[1]普遍存在于世界各國的水處理實踐中，原水中的藻類會影響混凝和沉淀效果[2,3]、增加混凝劑投加量、堵塞濾池、縮短過濾周期。研究表明藻類及其代謝產(chǎn)物不僅是水中有機物的重要來源，還是氯化消毒副產(chǎn)物前驅物和主要的致臭物質[4,5]。目前在眾多的除藻方法中，預氯化技術雖然較為經(jīng)濟，但難以避免產(chǎn)生DBPs[6,7]。近年來，高錳酸鉀(PP)在去除水中微量有機污染物[8]、控制氯化消毒副產(chǎn)物及強化混凝等方面取得了重要進展，PP具有強氧化性，可在飲用水凈化工藝中用作除藻劑。本試驗以PP預氧化技術為研究對象，考查其對高藻水的去除效果，為水廠實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)及技術指導。

1 試驗材料與方法

1.1 原水水質

以揚州萬福閘水源地閉閘期的原水水質為試驗水樣。試驗期間主要水質指標如表1所示。依據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）可知該水質介于Ⅲ類和Ⅳ類之間，屬于微污染水。

表1 原水水質Tab.1 Quality of Raw Water

1.2 試驗內(nèi)容

靜態(tài)試驗在六聯(lián)混凝攪拌器上進行，向1 L水樣中投加PP并低速攪拌（轉速為60 r/min），模擬水流在輸水管中流動。充分考慮原水的實際輸送時間，低速攪拌時間確定為80 min。隨后投加PAC，模擬混凝沉淀過程：模擬快速混合階段，高速攪拌30 s（轉速為200 r/min）；模擬絮凝初期，中速攪拌10 min（轉速為 60 r/min）；模擬絮凝中后期，低速攪拌15 min（轉速為 30 r/min）。然后靜止沉淀 20 min，在水面下1 cm處抽取上清液并測定其濁度、DOC、UV254、藻類及藻毒素等含量，其中測DOC以及UV254的水樣須先過0.45μm的微濾膜過濾。

1.3 檢測項目與方法

pH由pH計測定；濁度由Hach 2100N濁度儀測定；UV254由WFZ-UV2600型紫外可見分光光度計測定；DOC由TOC-VCPH型總有機碳分析儀測定；氨氮由納氏試劑光度法測定；藻類計數(shù)由哈希多功能參數(shù)儀測定；胞外藻毒素[6]由高效液相色譜測定。

2 試驗結果與討論

2.1 高錳酸鉀對混凝除藻的強化效果

藻類是高藻水中的主要污染物，因此可以藻類的去除效果作為評價PP預氧化強化混凝的主要指標。由圖1可知以PAC為混凝劑進行混凝，隨PAC投加量的增加混凝除藻效果提高。當PAC投加量從10 mg/L增至40 mg/L時，沉后水中藻類從3 768萬個/L降到2 596萬個/L，而進一步增加混凝劑的投加量，藻含量降低幅度較小。根據(jù)試驗結果確定PAC的適宜投加量為30 mg/L。有研究[9]顯示藻濃度高時，需要消耗更多的混凝劑才能使膠體脫穩(wěn)，達到除藻效果。投加混凝劑后可降低藻的電荷量，使藻體易吸附于絮凝體表面而沉降，在混凝劑投加初期，對藻體電荷的改變效應明顯，藻數(shù)量降低明顯；當混凝劑投加量較大時，混凝劑的增加對藻類表面電荷的影響較小，因而對除藻結果影響也較小。同時，由于藻類個體微小，藻細胞外的黏性分泌物能與混凝劑形成配合、絡合物膠體而不利于脫穩(wěn)，所形成的礬花較輕[10]，不易沉淀。因此單獨使用混凝劑難以達到理想去除效果。圖1表明在投加0.5 mg/L PP預氧化后，再投加10 mg/L PAC時即可將沉后水中藻含量降低到2 355萬個/L；隨著PP及PAC投加量的增加，沉后水中藻含量逐漸降低。由此可見PP的強氧化性可使藻體滅活，易于形成絮凝體而沉降，能大幅度改善混凝工藝的除藻效果。試驗又發(fā)現(xiàn)在PP氧化60 min后，水樣中會出現(xiàn)較大的礬花，實際取水口到凈水廠的輸水時間有80 min，這為PP預氧化技術提供了較好的實施條件。

圖1 高錳酸鉀強化混凝除藻效果Fig.1 Removal Effect of Algae with Potassium Permanganate Enhanced Coagulation

2.2 高錳酸鉀預處理對藻毒素的強化去除效果

試驗期間高藻水中藻類的優(yōu)勢種群為藍藻，部分藻細胞破裂后會釋放出藻毒素，對水質安全產(chǎn)生影響[11,12]。由圖2可知小試試驗中原水藻毒素濃度為1.8 μg/L，常規(guī)混凝工藝對溶解性藻毒素的去除效果非常有限。當PAC投加量超過30 mg/L時，藻毒素的去除率也僅維持在18.94%左右。有研究[13]表明強化混凝可提高對小分子有機物的去除。原水經(jīng)PP預氧化后，沉后水中藻毒素含量降低，投加1.0 mg/L PP、10 mg/L PAC時，藻毒素的去除率可達85.5%。但隨著PP投加量的增加，原水藻毒素的去除率趨于平緩。分析認為PP預氧化對藻類的去除分兩個方面。一方面PP預氧化起到了強化混凝的作用，可提高對藻細胞和藻毒素的去除效果；另一方面PP投加后會與藻類優(yōu)先接觸，破壞藻類細胞結構，并可能釋放藻毒素。當PP投加量低時，主要起到強化混凝的作用，而對藻類細胞破壞較小，藻毒素釋放低；當PP投加量過高時，會加強對藻細胞結構的破壞，使藻細胞內(nèi)一些分泌物泄露出來，并可能釋放藻毒素。因此，PP投加量不宜過大。

圖2 高錳酸鉀預氧化強化去除藻毒素效果Fig.2 Removal Effect of Microcystin with Potassium Permanganate Pre-Oxidation

2.3 高錳酸鉀對藻類引發(fā)嗅味的強化去除作用

藻類對水體的最顯著影響之一是使水體產(chǎn)生異臭。圖3為投加PP后，沉后水嗅味的去除結果。原水嗅味為4級，采用常規(guī)PAC混凝處理后，沉后水嗅味降至3級。經(jīng)0.5 mg/L PP預處理后，沉后水嗅味強度可降為1級；投加超過1 mg/L PP預處理，則沉后水嗅味強度可近乎降為0。其原因[14]為PP預氧化利用不同價態(tài)錳元素的強氧化性破壞這些嗅味物質，從而降低沉后水中的嗅味；反應產(chǎn)物新生態(tài)二氧化錳具有巨大比表面積，對某些嗅味物質有很強的吸附能力，從而降低沉后水嗅味。

圖3 高錳酸鉀強化嗅味去除效果Fig.3 Removal Effect of Odor with Potassium Permanganate

2.4 高錳酸鉀預處理對有機物的去除效果

原水中的顆粒性有機物容易被常規(guī)水處理工藝去除，而溶解性有機物不易被常規(guī)工藝去除。UV254、DOC作為有機污染物指標廣泛應用于飲用水處理領域。UV254表征水中含不飽和鍵的有機物，這些物質大部分為疏水性荷電物質（如腐殖質等），部分物質容易形成消毒副產(chǎn)物。由圖4可知原水的UV254值為0.612 cm－1，PAC單獨混凝處理的沉后水降為0.474 cm－1,去除率為22.55%。經(jīng)PP預氧化后，沉后水的UV254值顯著下降，并隨著PP投加量的增加而降低。PP對某些可被紫外吸收物質的分子結構具有破壞作用，PP產(chǎn)生的新生態(tài)水合二氧化錳對含芳環(huán)結構的弱極性有機物分子有吸附作用，所以PP可以氧化去除水中含不飽和雙鍵或含芳香環(huán)結構有機物，使UV254下降。

圖4 高錳酸鉀預氧化強化去除有機物效果Fig.4 Removal Effect of Organics with Potassium Permanganate Pre－Oxidation

小試結果表明投加PP預氧化強化混凝對DOC的去除效果更好。在PP投加量為0.5～1.5 mg/L之間，水中DOC的去除率（32.1%～50.0%）遠高于單獨投加PAC的傳統(tǒng)工藝的去除率（17.7%）。

2.5 高錳酸鉀預處理對消毒副產(chǎn)物生成潛能的去除效果

研究證明三鹵甲烷是致癌物[15]，也是氯化消毒副產(chǎn)物的主要組成部分，藻類及其分泌物是消毒副產(chǎn)物前體物的重要來源[16]。Graham等[17]報道水中藻類及其分泌物可生成高濃度的三鹵甲烷。在原水中藻類濃度為4 930萬個/L時，三鹵甲烷前體物的測定結果如圖5、圖6所示。

由圖5可知原水中三鹵甲烷前體物含量趨勢是三氯甲烷前體物〉一溴二氯甲烷前體物〉二溴一氯甲烷前體物〉三溴甲烷前體物，其中三氯甲烷前體物和一溴二氯甲烷前體物的總含量大約可占到三鹵甲烷前體物含量的90.33%。由圖6可知原水經(jīng)PAC單獨混凝處理后，沉后水中三鹵甲烷較原水低12.92 μg/L，去除率為17.4%；投加PP預氧化后，沉后水中三鹵甲烷比單獨投加PAC混凝時降低，當投加量為1.5 mg/L時，沉后水中三鹵甲烷為22.94 μg/L，與原水相比去除率為69.1%。

圖5 原水中三鹵甲烷組分構成Fig.5 Components of Trihalomethanes in Raw Water

圖6 高錳酸鉀預氧化強化去除三鹵甲烷生成勢效果Fig.6 Removal Effect of THMFP with Potassium Permanganate Pre－Oxidation

2.6 組合工藝在水廠實際運行效果分析

利用實驗室小試結果進行實際生產(chǎn)性試驗研究。該水廠產(chǎn)水能力為11.3×104m3/d，PP的投加量為 1 mg/L，PAC 投加量為 30 mg/L、加氯量為 2.58 mg/L；水廠實際生產(chǎn)工藝流程如圖7所示，原水水質以及各單元出水水質如表2所示。該生產(chǎn)數(shù)據(jù)為某年七月份的數(shù)據(jù)，其中氣溫為28～34℃、水溫為26～29 ℃。

圖7 水廠實際生產(chǎn)凈水工藝流程圖Fig.7 Flow Chart of Water Treatment

表2 凈水廠在投加1 mg/L高錳酸鉀后各單元水質條件Tab.2 Water Quality of Units after Dosing 1 mg/L Potassium Permanganate

由表2可知在1 mg/L PP作用下，沉后水中藻類的去除率為82%。PP在提高藻類的去除率同時，對原水中有機物等指標的去除率有所提高。PP預氧化強化混凝對有機物的去除率（參考DOC和UV254所表征的值）提高了40%左右。由三鹵甲烷生成量可知，當PP投加量為1 mg/L時，水廠出水的鹵代烴含量甚微，小于飲用水水質指標規(guī)定的上限值。

3 結論

PP預氧化技術與常規(guī)工藝組合處理高藻原水試驗表明PP預氧化能顯著提高對藻類、有機物、臭味和消毒副產(chǎn)物前提物等的去除效果。實際生產(chǎn)中當PP投加量為1.0 mg/L、PAC 投加量為 30 mg/L 時，對藻類、藻毒素、嗅味、UV254、DOC及三鹵甲烷的去除率分別為83.57%、87.89%、100%、44.3%、45.45%和 64.4%，去除效果明顯優(yōu)于常規(guī)工藝。

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