赣南某水库微污染水高锰酸盐复合药剂预氧化处理实验

汪宏，　严群，　韩冬雪，　罗仙平，　唐美香

（1.江西理工大学，a.建筑与测绘工程学院；b.资源与环境工程学院，江西 赣州341000）2.江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西赣州341000；3.安徽马钢工程技术集团，安徽马鞍山243000）

【化学·环境】

赣南某水库微污染水高锰酸盐复合药剂预氧化处理实验

汪宏1a，严群1a，韩冬雪1b，罗仙平2，唐美香3

（1.江西理工大学，a.建筑与测绘工程学院；b.资源与环境工程学院，江西 赣州341000）2.江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西赣州341000；3.安徽马钢工程技术集团，安徽马鞍山243000）

为提高单独聚合氯化铝（PAC）混凝处理效果，以赣南某水库水为原水，考察了高锰酸盐复合药剂（PPC）预氧化对原水的强化混凝效果.结果表明，在初始pH值为7～8、PPC投加量为1.8mg/L、预氧化时间为4min时，PPC预氧化对原水锰、氨氮的去除率分别为 （70.21±0.31）%、（49.72±1.56）%，较单独PAC混凝分别提高了34.32%和9.62%，可提高饮用水水质安全性.

微污染水原水；强化混凝；聚合氯化铝；高锰酸盐复合药剂

目前，随着工业废水的大量排放及农业点源面源污染的加剧，污染物进入地表水中.这些污染物种类多、性质复杂，但在水中的浓度较低，使得水体成为微污染水.这类水体中特征污染物及水质情况往往具有季节性和地域性.赣南地区林果种植面积大，林果施肥、喷洒农药等极易造成水体污染，特别是水中氮磷超标［1］.赣南某水库水中有机物、氨氮、铁、锰等指标季节性超标；冬季水温低于10℃，且浊度低［2］.以该水库水为原水的给水处理厂，大多采用常规处理工艺，难以应对季节性水质恶化情况，出水水质安全性受到严重威胁，因而选择合适的处理方案显得尤为重要.

针对强化混凝技术处理微污染水原水的问题，国内外进行了大量研究.美国环保署（USEPA）将强化混凝技术列为控制水中天然有机物（NOM）的最佳工艺［3］.高梦鸿等［4］对东太湖水的强化混凝处理实验表明，粉末活性炭的强化混凝处理效果显著；Ma等［5］发现，预氧化工艺能显著改善混凝处理效果；Liu等［6］研究了KMnO4预氧化强化混凝处理过程，发现KMnO4中间产物对絮体结构及沉降性有显著地提升作用.强化混凝技术是在保证出水安全、技术经济可行的前提下，通过改变混凝剂投加方式、提高混凝投药量及控制pH条件等措施优化混凝条件，从而促进水中有机物和胶体颗粒的去除.根据不同水质来选择适合的混凝药剂，是混凝处理工艺的关键环节［7］，絮凝剂及助凝剂选择得当与否，直接会影响后续工艺的处理效果.以赣南某水库水为原水，聚合氯化铝（PAC）为混凝剂进行烧杯搅拌试验，研究了单独采用PAC对该原水的混凝效果.在PAC最佳混凝条件下，再以高锰酸盐复合药剂（PPC）为氧化剂，考察PPC预氧化对原水的强化混凝效果，旨在改善和提高以该水库水为原水的自来水厂出水水质.

1　实验材料及方法

1.1实验药剂及设备

实验仪器：混凝搅拌器、哈希浊度仪、雷磁pH计、紫外分光光度计、电子天平等.

试验药剂：PAC、PPC、盐酸、硫酸、氢氧化钠（均为分析纯）等.药剂采用超纯水配置.

实验所用原水取自赣南某水库，其水质指标如表1所示.

表1　试验期间水库原水水质分析

由表1可知，根据地表水环境质量标准（GB3838-2002）III类水体标准，原水中有机物、氨氮、铁、锰等超标，属于微污染水.

1.2实验内容及方法

1.2.1单独PAC混凝实验

取原水1000mL，投加一定量的PAC，置于磁力搅拌器上反应，待其完成静置30 min后，取液面下2 cm处上清液测定各项水质指标.PAC混凝时基本水力条件为：搅拌强度260 r/min，混合搅拌2min，搅拌强度80 r/min，絮凝搅拌25 min.以PAC投加量、初始pH值对原水混凝处理效果的影响为基准，确定单独PAC混凝的最佳条件.

实验发现，单独PAC混凝的最佳条件为：PAC投加量为10mg/L，pH值为7.42（原水值）.在此条件下，PAC对原水的混凝效果最好，原水浊度、CODMn、UV254［8-9］、氨氮、铁、锰的去除率分别为 98.87%、60.70%、66.21%、40.10%、95.10%、35.89%.静置后水除氨氮、锰外，其他指标均能满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的要求.

1.2.2PPC预氧化实验

为近一步提高对原水氨氮、锰的去除效果，在单独PAC混凝实验的基础上，取原水1000mL，以PPC为氧化剂，PAC为混凝剂，置于磁力搅拌器上反应，待其完成静置30 min后，取液面下2 cm处上清液测定各项水质指标.PAC混凝基本水力条件不变，PPC预氧化基本水力条件为：搅拌强度为260 r/min，混合搅拌2 min.

1.2.3检测项目及试验方法

试验期间水温为25～30℃.水质分析项目及测定方法见表2.

表2　分析项目及测定方法

2　实验结果与分析

2.1PPC预氧化实验

2.1.1预氧化时间对强化混凝处理效果的影响

基本水力条件下 （包括单独PAC混凝基本水力条件和PPC预氧化时基本水力条件，下同），PPC投加量为0.6mg/L，预氧化时间分别0、2、4、6、8min，对原水强化混凝效果的影响见图1.（注：PAC投加前的时间即为PPC预氧化的时间）

图1（a）中，随预氧化时间的增大，原水浊度去除率逐渐降低，在预氧化时间为4 min时，PPC对浊度的最大去除率为（99.15±0.1）%；当预氧化时间为4 min和8 min时，铁的去除率出现两个峰值，分别为（92.38±0.67）%、（95.23±1.62）%；预氧化时间为4min时，CODMn的去除率最高，为 （72.16± 0.56）%.图1（b）中，随预氧化时间的增加，UV254去除率减小，在预氧化时间为4min时，其去除率为（24.62±1.38）%；预氧化时间为4min时，氨氮和锰的去除率均达到最大，分别为（43.18±1.42）%、（66.33± 1.35）%，预氧化时间为8 min时，沉淀水中氨氮浓度高于原水.可能是由于PPC预氧化时间较长，将水中大分子有机物氧化成小分子有机物，而水中悬浮物已沉淀，使得小分子有机物在絮凝时缺少凝结中心，难以沉降，提高了吸光度.

图1　PPC预氧化时间对原水强化混凝效果的影响

PPC预氧化强化混凝是其核心组分高锰酸钾和新生态水合二氧化锰的协同作用.核心组分高锰酸钾的氧化作用降解了部分有机物，可改善悬浮颗粒的凝聚性能，此时加入混凝剂，使水中悬浮物形成絮体，同时，新生态水合二氧化锰以较大的聚合度和较长的分子链在有机物和颗粒物间起吸附架桥作用［10］，使絮体体积急剧增加，加速了沉降过程.综合PAC水解混凝反应的充分性和PPC强化混凝处理效果，预氧化时间4min.

2.1.2PPC投加量对强化混凝处理效果的影响

基本水力条件下，预氧化时间4min，在PPC投加量分别为0.2、0.6、1.0、1.4、1.8和2.2 mg/L时，对原水强化混凝效果的影响见图2.

图2　PPC投加量对原水强化混凝效果的影响

图2（a）中，投加PPC预氧化后，浊度去除率大于97.5%，在PPC投加量为1.8mg/L时，浊度最大去除率为（99.36±0.03）%，随PPC投加量的增加，铁的去除率先增大后减小，PPC投加量为1.0mg/L时，其最大去除率为（95.28±1.84）%，当投加量为1.8mg/L时，其去除率为 （92.91±0.33）%；PPC投加量为1.0mg/L和1.8mg/L时，CODMn的去除率出现两个峰值，分别为（66.33±1.29）%、（66.01±0.4）%.图2（b）中，PPC投加量为1.8mg/L时，对锰和氨氮强化混凝的去除率最大，分别为 （72.55±1.13）%、（48.32±0.29）%；PPC预氧化对UV254的去除效果不佳，当PPC投加量为0.6mg/L和1.8mg/L时，UV254的去除率分别为（34.48±1.22）%、（31.03±0.82）%.

PPC投加量的确定既要满足沉后水浊度最低，又要考虑PPC中所含KMnO4被消耗完而不使水产生色度［11］.由上述图表可见，在投加量为1.8 mg/L时，PPC预氧化对各指标的去除效果最好，且静沉后上清液无色度产生.因此，确定PPC投加量为1.8mg/L.

2.1.3初始pH值对PPC预氧化混凝处理效果影响

基本水力条件下，PPC投加量为1.8 mg/L，预氧化时间4 min，为充分考虑原水pH值对PPC预氧化强化混凝效果的影响，调节搅拌杯中原水初始pH值分别为5、6、7.42（原水值）、8、9、10.不同初始pH值对PPC预氧化强化混凝效果的影响见图3.

图3（a）中，随着初始pH值的增大，浊度去除率先增大后减小，初始pH值为7.42时，PPC预氧化对浊度的去除效果最好，最大去除率为 （98.77± 0.82）%；原水初始pH值对铁的去除效果影响显著，在初始pH值为9时，铁的最大去除率为 （97.68± 0.57）%，初始pH值为7.42时，其去除率为（93.02± 0.54）%；随着初始pH值的增大，CODMn去除率先增加后减小，在初始pH值为6时，CODMn的最大去除率为（64.39±0.47）%，当初始pH值为7.42时，其去除率为（63.56±0.56）%.在图3（b）中，随着初始pH值的增大，UV254、氨氮和锰的去除率先增大后减小，初始pH值为6时，PPC预氧化对UV254的去除效果最好，最大去除率为（46.53±0.56）%；初始pH值为7.42（原水值）时，PPC预氧化对氨氮的最大去除率为（49.72±1.56）%，较单独投加PAC时提高9.62%；初始pH值为7.42时，PPC预氧化对锰的去除率为（70.21±0.31）%，较单独投加PAC时提高34.32%.

图3　初始pH值对PPC强化混凝处理效果的影响

研究证明，PPC在酸性条件下氧化能力较强（E=1.07 V），对水中还原性物质和有机物进行氧化，弱碱性环境下PPC氧化能力有所下降，但易生成新生态水合二氧化锰［12］，有利于吸附架桥作用，强化了混凝处理效果.考虑到水厂实际运行，取PPC预氧化混凝初始pH值为7～8.

综合考虑，在初始pH值为7.42，预氧化时间4 min，投加量为1.8mg/L的条件下，PPC预氧化对原水处理效果最佳，此时，氨氮、锰的去除率分别为（49.72±1.56）%、（70.21±0.31）%，较单独PAC混凝处理时分别提高了9.62%和34.32%.

3　制水成本分析

3.1水厂概况

水厂一期工艺为1.5万t/d，二期扩建工程2万t/d，则工程设计处理水量为3.5万t/d，每年工作天数为365 d，则年处理水量为1277.5万t.

3.2PPC预氧化经济估算

由实验结果可知，PPC投加量为 1.8 mg/L，PAC投加量为10mg/L，则PPC预氧化药剂成本如表3所示.

表3　PPC预氧化药剂成本一览表

微污染水每天处理药剂费用为：

35000 t/d×0.029=1015元/d

年处理药剂费用为：

1015×365=37.05万元

由于PPC预氧化工艺方便，采用该技术不需要太多人力维护，只需增加2人即可，人工费按照当地工资水平定为1000元/月，则人工费每年为2.4万元.采用PPC预氧化时成本费为39.45万元/年.

水厂长期以PPC为预氧化剂时的药剂费用与以高锰酸钾为预氧化药剂时费用相当［1，13］，PPC预氧化在水厂实施后，将大大降低原水中氨氮、锰等污染指标，提高水厂供水水质安全性.

4　结论

1）PPC预氧化作用有助于常规单独PAC混凝工艺对饮用水中污染物质的去除，PPC预氧化强化混凝效果与预氧化时间、PPC投加量、初始pH值等因素有关.

2）在单独PAC混凝实验的基础上，通过考察PPC预氧化时间、投加量、初始pH值等对原水强化混凝效果的影响，得到PPC预氧化强化混凝的最佳条件为：预氧化时间为4 min、PPC投加量为1.8 mg/L、初始pH值为7～8.在此条件下，PPC预氧化对氨氮、锰的去除效果最好，去除率分别为（49.72±1.56）%、（70.21±0.31）%，较单独PAC混凝分别提高了9.62%和34.32%.

3）PPC预氧化混凝处理技术在水厂实施后虽增加了制水成本，但可有效强化该水库微污染水原水的处理效果，提高了饮用水水质安全性.实验为就近自来水厂强化混凝处理时药剂的选择提供了理论依据.

［1］唐美香.赣南某县微污染水原水强化处理工艺［D］.赣州:江西理工大学，2012.

［2］严群，唐美香，余洋.低温低浊水处理技术研究进展［J］.有色金属科学与工程，2011，2（4）:45-48.

［3］EPA U.Enhanced coagulation and enhanced precipitative softening guidancemanual［J］.Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule（DBPR），1999:237.

［4］高梦鸿，高乃云，谢茴茴，等.强化混凝技术处理东太湖原水研究［J］.给水排水，2014，40（9）:119-125.

［5］Ma J，Liu W.Effectiveness of ferrate（VI）preoxidation in enhancing the coagulation of surface waters［J］.Water Research，2002，36（20）:4959-4962.

［6］Liu B T，Wu W，Cong H Y.Study on effect and mechanism of chitosan coagulation aid in flocculation treatment of water supply［C］//Advanced Materials Research.2012，433:1857-1863.

［7］李为兵，金雪中，张红春.处理低温低浊水的混凝剂优选［J］.中国给水排水，2006，22（13）:49-52.

［8］蒋绍阶，刘宗源.UV254作为水处理中有机物控制指标的意义［J］.中国给水排水，1992，8（4）:4-7.

［9］于浩，李宁.地表水中UV254与COD之间的关系分析［J］.水资源保护，2009，25（4）:67-69.

［10］陈忠林，午晚扬，马军，等.高锰酸盐复合药剂强化混凝处理高有机物含量的地表水［J］.工业水处理，2001，21（5）:15-26.

［11］陈卫，李圭白，邹浩春.PPC强化混凝除蓝藻除色度效果及致因研究［J］.河海大学学报，2006，34（2）:140-143.

［12］胡文华，吴慧芳，孙士权.高锰酸盐复合药剂预氧化去除受污染地下水中的铁锰［J］.工业水处理，2011，31（8）:35-41.

［13］杨勇其.高锰酸盐复合药剂在水厂水处理中的应用［J］.广东化工，2014，42（11）:195-197.

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”国家科技支撑计划项目 （2012BAC11B07）；江西省科技厅自然科学基金资助项目 （20122BAB203027）

汪宏（1990-），男，硕士研究生，主要从事微污染水源水处理技术等方面的研究，E-mail:1607480053@qq.com.

严群（1973-），女，博士，副教授，主要从事微污染水源水处理技术及水污染控制工程等方面的研究，E-mail：1068630@qq.com.