江 富， 李喜林， 劉泰毅， 王聰聰， 郭玉耀

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

微污染水源水質(zhì)特征分析及水處理實(shí)驗(yàn)

江 富， 李喜林， 劉泰毅， 王聰聰， 郭玉耀

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為了給微污染水源水處理提供可靠工藝參數(shù)，以白石水庫水源水為研究對(duì)象，在水質(zhì)監(jiān)測基礎(chǔ)上，對(duì)白石水庫水質(zhì)進(jìn)行分析，并針對(duì)水源水質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)行了高錳酸鉀與沸石聯(lián)用處理微污染水源水實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，白石水庫各監(jiān)測點(diǎn)位濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等指標(biāo)不同程度超標(biāo)，采用高錳酸鉀預(yù)氧化、PAC+PAM混凝和沸石吸附聯(lián)用能有效去除水中濁度、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮，使處理后三種水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

微污染水源水;高錳酸鉀;混凝;沸石;有機(jī)物;氨氮

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國80%以上水域和45%地下水被污染，90%以上城市水域遭受污染或嚴(yán)重污染［1］。目前，我國人群患病的88%、死亡人數(shù)的33%與生活用水污染、水質(zhì)不潔直接相關(guān)［2］。近年來，工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，使得許多水源受到不同程度的污染，而這些水源(微污染水源)正是人們飲用水的主要來源地。

微污染水源水一般是指水體受到有機(jī)物污染，部分水質(zhì)指標(biāo)超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水體［3］。對(duì)于微污染水源水中的有機(jī)物、氨氮等污染物，采用現(xiàn)有常規(guī)處理工藝(混凝→沉淀→過濾→消毒)不能有效去除，無法保障人們飲水安全［4］。同時(shí)，生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，現(xiàn)有水廠亟需改造，在傳統(tǒng)水處理工藝基礎(chǔ)上，增加經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的處理單元，是目前微污染水源水處理理論和實(shí)踐的重點(diǎn)［5］。

國內(nèi)外學(xué)者在微污染水源水處理方面做了大量工作，微污染源水處理的兩類主要方法——源水深度處理和源水生物化學(xué)預(yù)處理技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)，一些新技術(shù)、新工藝，如高級(jí)氧化技術(shù)、超濾膜技術(shù)等也被引入。但由于經(jīng)濟(jì)及技術(shù)等原因，很多技術(shù)還在研究階段。從國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)與應(yīng)用情況看，根據(jù)微污染水源水質(zhì)特征，強(qiáng)化傳統(tǒng)水處理工藝，或?qū)鹘y(tǒng)處理工藝與各種物理、化學(xué)、生物技術(shù)聯(lián)用，進(jìn)行優(yōu)化組合，得到滿足要求的凈水新工藝，受到越來越多研究者的重視［6－9］。

基于此，以阜新“引白水源工程”的白石水庫為研究對(duì)象［10］，對(duì)豐水期和枯水期水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測分析，探究白石水庫水源水質(zhì)特征，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行高錳酸鉀預(yù)氧化和沸石吸附聯(lián)用處理微污染水源水實(shí)驗(yàn)研究，試圖開發(fā)出適合微污染水源水處理的新技術(shù)。

表1 白石水庫水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果Table 1 Water quality monitoring results of Baishi reservoir

1 白石水源水質(zhì)特征分析

1.1 監(jiān)測時(shí)間與地點(diǎn)

白石水庫入庫河流干流為大凌河，支流有牤牛河和涼水河。水質(zhì)監(jiān)測取大凌河、水庫中心區(qū)和引白入阜工程水源取樣口三個(gè)點(diǎn)位。主要監(jiān)測時(shí)間在2010－10－06、2011－01－02、2011－02－12和2011－05－01四個(gè)時(shí)段，時(shí)間包括枯水季節(jié)和豐水季節(jié)，具有代表性。

1.2 水質(zhì)指標(biāo)及測定方法

高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)用酸性高錳酸鉀滴定法(GB/T 5750.7—2006)測定，氨氮質(zhì)量濃度用納氏試劑比色法(GB7479—87)測定，濁度φ用濁度儀測定，pH值用精密pH計(jì)測定、BOD5用BOD測定儀測定。

1.3 測定結(jié)果及分析

白石水庫不同時(shí)間、不同監(jiān)測點(diǎn)位的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

由表1可以看出，與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)、生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(CJ3020—93)和生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749—2006)相比，各監(jiān)測點(diǎn)位濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等指標(biāo)不同程度超標(biāo)。從時(shí)間上分析，2月份監(jiān)測點(diǎn)位污染較為嚴(yán)重，可能是冬季水結(jié)冰，流動(dòng)性差，水體自凈作用差;從空間上分析，大凌河是白石水庫主流，城市生活污水未經(jīng)處理直接排放，水土及化肥流失，入庫水量少、水位偏低使得水體自凈能力未得到充分發(fā)揮等原因?qū)е掠袡C(jī)污染物(高錳酸鹽指數(shù))和富營養(yǎng)化物(氨氮)等超標(biāo)較多。而白石水庫作為遼西地區(qū)最大生活飲用水水源，關(guān)系到阜新、北票等地區(qū)飲用水安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有不可替代的作用。僅僅采用常規(guī)處理工藝不能有效去除污染物，必須采取一定的強(qiáng)化處理措施，以保證達(dá)到現(xiàn)行飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 微污染水源水處理參數(shù)確定

白石水庫作為水源，不僅具有微污染的特點(diǎn)，而且地處東北地區(qū)，冬季屬于低溫低濁水，溫度較低時(shí)，水的凈化難度隨之加大，從不利因素考慮，文中采用高錳酸鉀預(yù)氧化、混凝和沸石吸附聯(lián)用方式，進(jìn)行低溫低濁微污染水源水處理實(shí)驗(yàn)研究。

原水于2011－12－03取自白石水庫，水溫tw在5℃，pH值7.3，濁度20.6 NTU，高錳酸鹽指數(shù)為11.75 mg/L，氨氮為1.96 mg/L。模擬水廠實(shí)際工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，絮凝采用電動(dòng)攪拌方式，混凝實(shí)驗(yàn)為:混合時(shí)間3 min，混合轉(zhuǎn)速300 r/min，反應(yīng)時(shí)間15 min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速50 r/min，沉淀時(shí)間25 min。用高錳酸鉀預(yù)氧化時(shí)，高錳酸鉀先于絮凝劑投加，并以150 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌反應(yīng)15 min。經(jīng)過氧化處理后的水樣進(jìn)行天然沸石吸附實(shí)驗(yàn)分別測量吸附前后高錳酸鹽指數(shù)、氨氮質(zhì)量濃度變化。

2.1 混凝沉淀實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇PAC作為絮凝劑，PAM作為助凝劑，保持原水pH值不變，改變絮凝劑投加量，考察絮凝劑和助凝劑投加量對(duì)混凝處理效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和2所示。

圖1是PAC投加量對(duì)污染物去除影響曲線，可以看出，隨PAC投加量 ρPAC的增加，濁度、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮去除率都呈增長趨勢，在ρPAC達(dá)30 mg/L后，增速放緩，因此，確定 PAC最佳投藥量為30 mg/L。此時(shí)濁度去除率為69.36%，高錳酸鹽指數(shù)去除率為46.36%，氨氮去除率為6.07%。PAC和 PAM混合投加，固定 PAC為30 mg/L不變，投加PAM，各污染物去除率繼續(xù)增加，以濁度增速較大(圖2)，在 PAM投加量達(dá)3 mg/L后，增速放緩，此時(shí)濁度去除率為92.72%，高錳酸鹽指數(shù)去除率為55.69%，氨氮去除率為8.72%。實(shí)驗(yàn)得到的最佳絮凝沉降時(shí)間為25 min?？梢?，絮凝劑單獨(dú)投加時(shí)，濁度去除效果較好，高錳酸鹽指數(shù)得到一定去除，而氨氮去除效果較差，確定PAC和PAM最佳投藥量分別為30 mg/L和3 mg/L。

圖1 PAC投加量對(duì)污染物去除影響Fig.1 Influence of PAC dosage on pollutants removal

圖2 PAM投加量對(duì)污染物去除影響Fig.2 Influence of PAM dosage on pollutants removal

2.2 高錳酸鉀預(yù)氧化和混凝聯(lián)用實(shí)驗(yàn)

高錳酸鉀對(duì)水中微量有機(jī)物去除效果較好的主要原因可能包括:一是高錳酸鉀對(duì)微量有機(jī)物具有氧化作用，一是水合二氧化錳對(duì)微量有機(jī)物具有吸附作用，且二氧化錳還可對(duì)高錳酸鉀與有機(jī)物間的反應(yīng)起催化作用，這兩種作用相互影響，相互協(xié)同［11－12］。

實(shí)驗(yàn)水樣為2011－12－03日取自白石水庫的原水，選擇PAC作為絮凝劑，PAM作為助凝劑，固定PAC投加量為30 mg/L，PAM為3 mg/L，投加順序?yàn)橄妊趸蠡炷謩e加入不同劑量高錳酸鉀，氧化15 min，測定剩余濁度、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，隨高錳酸鉀投加量增加，高錳酸鹽指數(shù)和氨氮去除效果增強(qiáng)，濁度變化很小。可見，絮凝劑投加前，通過高錳酸鉀預(yù)氧化，可以使高錳酸鹽指數(shù)和氨氮去除率大幅提高。當(dāng)高錳酸鉀投加量從2.5 mg/L增至3.0 mg/L時(shí)，高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的去除率分別從66.80%和35.90%增至69.50%和37.34%，增速變緩，從節(jié)省藥品考慮，確定高錳酸鉀投加量為2.5 mg/L。

圖3 高錳酸鉀投加量對(duì)污染物去除影響Fig.3 Influence of potassium permanganate dosage on pollutants removal

2.3 沸石吸附實(shí)驗(yàn)

沸石是一族具有連通孔道、呈架狀構(gòu)造的含水鋁硅酸鹽礦物。特殊的晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)使沸石擁有離子交換、高效選擇性吸附、催化等優(yōu)異性能和環(huán)境屬性，是一種很有潛力的吸附劑［13］。向25 mL高錳酸鉀預(yù)氧化和混凝聯(lián)用工藝處理后水溶液(2.2節(jié)處理后水，水質(zhì)為:濁度1.0 NTU，高錳酸鹽指數(shù)為3.9 mg/L，氨氮為1.26 mg/L)中加不同劑量的0.15～0.60 mm 粒徑沸石，加塞后在25℃下恒溫震蕩，在150 r/min下吸附120 min后，測濾液中高錳酸鹽指數(shù)和氨氮質(zhì)量濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 沸石投加量對(duì)污染物吸附作用影響Fig.4 Influence of zeolite dosage on pollutants adsorption

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沸石作為一種有潛力的吸附劑，對(duì)氨氮和高錳酸鹽指數(shù)都有一定的去除效果，對(duì)氨氮去除效果最好。隨著沸石用量mz增加，氨氮和高錳酸鹽指數(shù)去除率逐漸增大，而吸附容量卻隨著沸石用量增加而降低。高錳酸鹽指數(shù)和氨氮最大去除率分別為30.02%和97.21%。

上述實(shí)驗(yàn)可以看出，“高錳酸鉀預(yù)氧化+PAC、PAM混凝沉淀+沸石吸附”對(duì)微污染水源水中濁度、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的去除效果明顯，處理后水中濁度為1.0 NTU，高錳酸鹽指數(shù)為2.73 mg/L，氨氮為0.04 mg/L，未檢測到高錳酸鉀、PAC和PAM藥劑存在?？梢?，微污染水源水中三種主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，建議以微污染水為水質(zhì)特征的新建凈水廠或老水廠改造中，采用“高錳酸鉀預(yù)氧化→PAC+PAM混凝→沉淀→過濾→沸石吸附→消毒”工藝，出水可達(dá)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

(1)對(duì)白石水庫水質(zhì)時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果顯示，濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等指標(biāo)不同程度超標(biāo)，屬于典型的微污染水源水。

(2)混凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PAC和PAM混合投加，濁度去除效果較好，去除率為92.72%，高錳酸鹽指數(shù)得到一定去除，去除率達(dá)到55.69%，氨氮去除效果較差，去除率僅為8.72%，最佳投加量為PAC 30 mg/L、PAM 3 mg/L，最佳絮凝沉降時(shí)間為25 min。

(3)先高錳酸鉀氧化再混凝可明顯提高高錳酸鹽指數(shù)和氨氮去除率，高錳酸鉀最佳投藥量為2.5 mg/L，氧化15 min后投加PAC 30 mg/L、PAM 3 mg/L。

(4)沸石對(duì)氨氮和高錳酸鹽指數(shù)都有一定的去除效果，對(duì)氨氮去除效果最好，25 mL高錳酸鉀氧化后向溶液投加粒徑0.15～0.60 mm沸石10 g，吸附120 min，氨氮去除率達(dá)到97.21%。

(5)在微污染水源水處理廠建設(shè)或老水廠改造中，可以考慮在傳統(tǒng)水處理工藝(混凝→沉淀→過濾→消毒)中，加入高錳酸鉀預(yù)氧化和沸石吸附工藝，出水可達(dá)到飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］LI XILIN，WANG LAIGUI，ZHOU XINHUA，et al.Study on rainwater utilization of building district in water shortage city of northern China［C］//The International conference on Environmental Pollution and Public Health，2010:325－328.

［2］潘碌亭.中國微污染水源水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.工業(yè)水處理，2006，26(6):6－10.

［3］何 斐，李 磊，徐炎華.微污染水源水處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(11):4672－4673，4685.

［4］馬 放，邱 珊，馮 奇，等.生物陶粒在水源水處理中的實(shí)驗(yàn)［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，16(4):205－208.

［5］SHANNON M A，BOHN P W，ELIMELECH M，et al.Science and technology for water purification in the coming decades［J］.Nature，2008，452:301－310.

［6］王 娜，馬 軍，何文杰，等.強(qiáng)化混凝與臭氧預(yù)氧化強(qiáng)化處理微污染水的對(duì)比［J］.中國給水排水，2010，26(5):63－65.

［7］張?jiān)倮T奇峰，孫國勝，等.聚合氯化鋁－高錳酸鉀－羥基氧化鐵復(fù)合強(qiáng)化混凝微污染原水［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20(10):1536－1539.

［8］宋正國，曾 果，鄧慧萍，等.浸沒式膜生物反應(yīng)器處理微污染水的工藝強(qiáng)化［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(11):128－132.

［9］楊殿臣，狄旭東，李 浩.遼寧省白石水庫環(huán)境工程地質(zhì)問題綜述［J］.遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技，2005，25(4):1－3.

［10］薛 飛，張曉會(huì)，趙玉華，等.高錳酸鉀預(yù)氧化處理微污染水試驗(yàn)研究［J］.遼寧化工，2005，34(8):344－347.

［11］孫洪偉，蔣福春，喬鐵軍.高錳酸鹽預(yù)氧化與PAM聯(lián)用處理微污染水的工程研究［J］.科技信息，2008(15):17－19.

［12］張英俊，武道吉，欒韶華.沸石在微污染水處理中的應(yīng)用［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2008(1):47－48.

［13］崔俊華，王培寧，李 凱，等.基于在線混凝－超濾組合工藝的微污染地表水處理［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，28(1):52－56，63.

Analysis of water quality characteristics and experimental study on water treatment of micro-polluted source water

JIANG Fu， LI Xilin， LIU Taiyi， WANG Congcong， GUO Yuyao
(College of Civil Engineering＆ Architecture，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China)

This paper aims to provide reliable technological parameters for the treatment of micro-polluted source water.The paper builds on the water from Baishi reservoir as research object and describes an analysis of the water quality based on water quality monitoring and experimental research on treating micro-polluted source water by combining potassium with permanganate-zeolite，as determined by water quality characteristics.The result shows that an effective removal of turbidity，permanganate，and ammonia nitrogen index found exceeding standards to varying degrees by combined adoption of preoxidation by potassium permanganate，coagulation with PAC and PAM ，and zeolite adsorption leaves water qualities after treatment up to Standards for Drinking Water Quality.

micro-polluted source water;potassium permanganate;coagulation;zeolite;organic compounds;ammonia nitrogen

X524;TU991.2

A

2012－05－02

國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(101014729);遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(L2011045);遼寧工程技術(shù)大學(xué)科學(xué)研究立項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(2010ZR15)

江 富(1989－)，男，江蘇省南京人，碩士，研究方向:水污染治理，E-mail:dxscxjh501@163.com。

(編輯 王 冬)