基于高錳酸鉀復合鹽的原水預氧化處理研究
——以重慶市A水廠為例

曾 誠 胡詩越 原金海 覃 余 慎琪琦 周 婧

(重慶科技學院 化學化工學院，重慶 401331)

0 前 言

隨著社會的發(fā)展，人們對水質(zhì)的要求也在不斷提高。目前，大多數(shù)自來水廠采用絮凝—沉淀—過濾—氯消毒的常規(guī)處理工藝，但處理效果往往達不到要求，特別是對有機物的處理效率大約只有20%，常使得出廠水中的高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)、化學需氧量、溶解氧等指標不達標[1-2]。以重慶市A水廠為例，由于農(nóng)作物肥料等通過地底滲透進入水源，使水源富營養(yǎng)化，有機物含量升高，耗氧量增加，出廠水平均CODMn為3.5～4.5 mg/L。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)，要求出廠水CODMn<3 mg/L，但常規(guī)工藝處理的出廠水難以滿足水質(zhì)要求，因此，需對重慶市A水廠原有工藝進行改造。

對于有機物含量高的水，可在常規(guī)處理工藝的前端增加預氧化處理工藝，以氧化水中有機物，降低水體耗氧量。同時，部分氧化劑的助凝作用能降低水的濁度。高錳酸鉀(KMnO4)具有較強的氧化性，可有效降低水中有機物含量，相較于臭氧氧化，高錳酸鉀氧化操作簡單，經(jīng)濟成本和危險程度低[3-5]。針對重慶市A水廠出廠水耗氧量高的問題，結(jié)合實際情況，在原水絮凝前添加高錳酸鉀復合鹽進行預氧化處理，確定高錳酸鉀復合鹽與聚合氯化鋁(PAC)的最佳投加量，以降低原水耗氧量，并通過現(xiàn)場實驗探究水廠預氧化工藝的改造流程。

1 實驗室模擬實驗

1.1 實驗裝置及設(shè)備

HACH2100P濁度儀，HJ-1磁力攪拌器，PH818酸堿測試儀。

1.2 實驗材料

高錳酸鉀復合鹽水處理劑，由重慶昌元化工集團有限公司生產(chǎn)，其主要成分是KMnO4，含有少量的碳酸鈉(Na2CO3)和氯化鈣(CaCl2)。PAC，由重慶藍潔廣順凈水材料有限公司生產(chǎn)。實驗用水為重慶市A水廠原水，取水月份為3月。重慶市A水廠原水監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 重慶市A水廠原水監(jiān)測結(jié)果

由表1可知，原水pH值為7.3～7.9，屬于偏弱堿性水；CODMn為5.0～9.0 mg/L，屬于微污染原水；濁度根據(jù)天氣情況有所變化；其余指標均在Ⅲ類水標準范圍內(nèi)。

1.3 處理工藝

在實驗室進行模擬水廠預氧化、絮凝、沉淀實驗。首先，在無預氧化條件下，研究PAC對濁度與CODMn的影響，確定其最佳投加量。然后，在此基礎(chǔ)上增加高錳酸鉀復合鹽進行預氧化，確定高錳酸鉀復合鹽的最佳投加量。具體步驟如下：

配置質(zhì)量濃度為100 mg/L的高錳酸鉀復合鹽溶液。首先，分別向4個裝有1 L原水的燒杯中加入一定量的高錳酸鉀復合鹽溶液，使原水中高錳酸鉀復合鹽溶液的質(zhì)量濃度分別達到0.2、0.4、0.6、0.8 mg/L，以100 r/min的速度攪拌1 min，靜置氧化20 min。然后，加入最佳投加量(30 mg/L)的PAC，以120 r/min快速攪拌0.5 min、60 r/min慢速攪拌5 min，靜置30 min。最后，取液面下方2 cm處溶液進行水質(zhì)測定。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 PAC的最佳投加量

PAC在凈水工藝中常作為絮凝劑，具有較強的絮凝作用，能夠降低水體濁度，但對有機物的去除效果相對較差[6]。在此探討無預氧化條件下PAC投加量對濁度和CODMn的影響。

2.1.1 PAC投加量對濁度的影響

PAC投加量對濁度的影響如圖1所示。由圖1可知，隨著PAC投加量的增加，濁度去除率呈先上升后下降的趨勢。當PAC投加量為30 mg/L時，濁度去除率達到最大值，為72.28%。平均濁度去除率為66.19%，平均濁度為2.8 NTU。此投加量在現(xiàn)場實際運行時也得到了驗證，斜管沉淀池出水濁度基本保持在1.0～2.0 NTU[7]。

圖1 PAC投加量對濁度的影響

2.1.2 PAC投加量對CODMn的影響

PAC投加量對CODMn的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著PAC投加量的增加，CODMn去除率呈先上升后趨于平緩的趨勢。當PAC投加量為30 mg/L時，CODMn去除率為18.08%；PAC投加量為40 mg/L時，CODMn去除率達到最大值，為19.84%。但CODMn去除率整體不高，平均CODMn去除率為15.71%，平均CODMn為5.3 mg/L。因此，CODMn對確定PAC投加量的參考意義不大。

圖2 PAC投加量對CODMn的影響

綜上所述，在不進行預氧化的情況下，PAC的最佳投加量為30 mg/L，濁度去除效果明顯，但CODMn去除效果不明顯，需要進行預氧化處理。

2.2 高錳酸鉀復合鹽的最佳投加量

高錳酸鉀復合鹽的主要作用是氧化去除水體中有機物，提高CODMn去除率[8]。選用的指標為pH值、濁度、CODMn、色度。在確定高錳酸鉀復合鹽投加量時，確定PAC投加量為30 mg/L。

2.2.1 高錳酸鉀復合鹽投加量對pH值的影響

高錳酸鉀復合鹽投加量對pH值的影響由圖3所示。由圖3可知，經(jīng)過預氧化、混凝工藝后水的pH值為7.8～7.9，變化幅度很小，說明在0～0.8 mg/L濃度范圍內(nèi)，高錳酸鉀復合鹽與PAC的組合處理工藝對水體pH值的影響很小。

圖3 高錳酸鉀復合鹽投加量對pH值的影響

2.2.2 高錳酸鉀復合鹽投加量對濁度的影響

高錳酸鉀復合鹽投加量對濁度的影響如圖4所示。由圖4可知，不添加高錳酸鉀復合鹽時，濁度去除率為72.28%。隨著高錳酸鉀復合鹽投加量的增加，濁度去除率的變化不大。因此，高錳酸鉀復合鹽投加量對濁度去除效果的影響不大。

圖4 高錳酸鉀復合鹽投加量對濁度的影響

2.2.3 高錳酸鉀復合鹽投加量對CODMn的影響

高錳酸鉀復合鹽投加量對CODMn的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著高錳酸鉀復合鹽投加量的增加，CODMn去除率快速升高，當投加量為0.4 mg/L時，CODMn去除率達到最大值。繼續(xù)增加高錳酸鉀復合鹽投加量，CODMn去除率的變化不大，但會使水體呈紫紅色，影響色度。因此，0.4 mg/L的投加量對CODMn去除效果較好。

圖5 高錳酸鉀復合鹽投加量對CODMn的影響

2.2.4 高錳酸鉀復合鹽投加量對色度的影響

高錳酸鉀復合鹽投加量對色度的影響如圖6所示。由圖6可知，隨著高錳酸鉀復合鹽投加量的增加，色度上升，水體逐漸呈紅色。因此，高錳酸鉀復合鹽投入過量會影響水體的感觀度，應在滿足其他條件的情況下選取最少的投加量，以保證水體色度。

圖6 高錳酸鉀復合鹽投加量對色度的影響

通過分析高錳酸鉀復合鹽投加量對原水pH值、濁度、CODMn、色度的影響可知，處理重慶市A水廠原水時，高錳酸鉀復合鹽的最佳投加量為0.4 mg/L。

3 重慶市A水廠現(xiàn)場運行結(jié)果

3.1 重慶市 A水廠概況

重慶市A水廠的總設(shè)計日供水能力為3×106m3，分3期建設(shè)，現(xiàn)一期工程日供水能力為1×106m3。水廠目前采用的工藝為常規(guī)處理工藝(原水—沉淀—過濾—消毒—存放—泵房—管網(wǎng))，后期為深度處理工藝(臭氧氧化—活性炭過濾)。

3.2 重慶市A水廠凈水工藝流程

重慶市A水廠凈水工藝流程如圖7所示。原水首先進入絮凝池，與PAC充分混合；再經(jīng)過45°斜管沉淀池進行沉淀，去除大顆粒物質(zhì)；隨后通過砂濾池進行過濾，去除較小的雜質(zhì)與有機物等；最后進入清水池，再通過外輸泵送入供水管網(wǎng)。消毒方式是在清水池入口處通過水射器加入氯氣，既能消殺細菌，又能保持管網(wǎng)的余氯。

圖7 重慶市 A水廠凈水工藝流程

3.3 現(xiàn)場實驗結(jié)果分析

按照實驗室得出的高錳酸鉀復合鹽與PAC的最佳投加量進行投加，由于氯氣為有毒氣體，風險高、管控嚴，實驗室未對其投加量進行具體實驗，因而參考已有水廠(用同一原水)的投加量進行投加，在原水進入絮凝池前端現(xiàn)場連接臨時管線，投加高錳酸鉀復合鹽。

3.3.1 藥劑投加情況

原水流量為1 500 m3/h，PAC投加量為30 mg/L，高錳酸鉀復合鹽投加量為0.4 mg/L，液氯投加量為3.2 kg/h。

3.3.2 評價依據(jù)

評價依據(jù)為《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)。

3.3.3 評價結(jié)果

依據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)，出廠水各項指標均符合要求。出廠水部分監(jiān)測指標結(jié)果如表2所示。由表2可知，進行預氧化工藝后，出廠水的濁度、CODMn、NH3N質(zhì)量濃度、臭和味等指標都有不同程度的降低，其中，CODMn去除效果最明顯。

表2 出廠水部分監(jiān)測指標結(jié)果

4 結(jié) 語

(1)PAC對濁度的去除效果明顯，對耗氧量的去除效果較差，當原水耗氧量較高時，需要增加去除有機物的凈水工藝。

(2)重慶市A水廠在原有常規(guī)處理工藝(絮凝—沉淀—過濾—氯消毒)的基礎(chǔ)上，增加以高錳酸鉀復合鹽為氧化劑的預氧化工藝。當PAC、高錳酸鉀復合鹽及液氯投加量分別為30、0.4及3.2 kg/h時，能有效降低原水CODMn，平均出廠水CODMn為2.0～2.8 mg/L，比常規(guī)處理工藝的去除率提高了30%～40%；色度大約為5度，出水無異味，錳離子含量低且符合標準要求，其余指標均符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)。因此，在原工藝基礎(chǔ)上增加以高錳酸鉀復合鹽為氧化劑的預氧化工藝，能有效解決重慶市A水廠出廠水耗氧量高的問題。