岳 兵 ，顏 勇 ，謝美萍 ，李 亮 ，林 濤

（1.揚(yáng)州自來水有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州 225000；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)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(shí)踐中，原水中的藻類會(huì)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(jī)物的重要來源，還是氯化消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物和主要的致臭物質(zhì)[4,5]。目前在眾多的除藻方法中，預(yù)氯化技術(shù)雖然較為經(jīng)濟(jì)，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(jī)污染物[8]、控制氯化消毒副產(chǎn)物及強(qiáng)化混凝等方面取得了重要進(jìn)展，PP具有強(qiáng)氧化性，可在飲用水凈化工藝中用作除藻劑。本試驗(yàn)以PP預(yù)氧化技術(shù)為研究對象，考查其對高藻水的去除效果，為水廠實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)及技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

以揚(yáng)州萬福閘水源地閉閘期的原水水質(zhì)為試驗(yàn)水樣。試驗(yàn)期間主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）可知該水質(zhì)介于Ⅲ類和Ⅳ類之間，屬于微污染水。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Quality of Raw Water

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

靜態(tài)試驗(yàn)在六聯(lián)混凝攪拌器上進(jìn)行，向1 L水樣中投加PP并低速攪拌（轉(zhuǎn)速為60 r/min），模擬水流在輸水管中流動(dòng)。充分考慮原水的實(shí)際輸送時(shí)間，低速攪拌時(shí)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(zhuǎn)速為200 r/min）；模擬絮凝初期，中速攪拌10 min（轉(zhuǎn)速為 60 r/min）；模擬絮凝中后期，低速攪拌15 min（轉(zhuǎn)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(xiàng)目與方法

pH由pH計(jì)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(jì)測定；DOC由TOC-VCPH型總有機(jī)碳分析儀測定；氨氮由納氏試劑光度法測定；藻類計(jì)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(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高錳酸鉀對混凝除藻的強(qiáng)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(jià)PP預(yù)氧化強(qiáng)化混凝的主要指標(biāo)。由圖1可知以PAC為混凝劑進(jìn)行混凝，隨PAC投加量的增加混凝除藻效果提高。當(dāng)PAC投加量從10 mg/L增至40 mg/L時(shí)，沉后水中藻類從3 768萬個(gè)/L降到2 596萬個(gè)/L，而進(jìn)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(yàn)結(jié)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(shí)，需要消耗更多的混凝劑才能使膠體脫穩(wěn)，達(dá)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(yīng)明顯，藻數(shù)量降低明顯；當(dāng)混凝劑投加量較大時(shí)，混凝劑的增加對藻類表面電荷的影響較小，因而對除藻結(jié)果影響也較小。同時(shí)，由于藻類個(gè)體微小，藻細(xì)胞外的黏性分泌物能與混凝劑形成配合、絡(luò)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(dú)使用混凝劑難以達(dá)到理想去除效果。圖1表明在投加0.5 mg/L PP預(yù)氧化后，再投加10 mg/L PAC時(shí)即可將沉后水中藻含量降低到2 355萬個(gè)/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(qiáng)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(yàn)又發(fā)現(xiàn)在PP氧化60 min后，水樣中會(huì)出現(xiàn)較大的礬花，實(shí)際取水口到凈水廠的輸水時(shí)間有80 min，這為PP預(yù)氧化技術(shù)提供了較好的實(shí)施條件。

圖1 高錳酸鉀強(qiáng)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(yù)處理對藻毒素的強(qiáng)化去除效果

試驗(yàn)期間高藻水中藻類的優(yōu)勢種群為藍(lán)藻，部分藻細(xì)胞破裂后會(huì)釋放出藻毒素，對水質(zhì)安全產(chǎn)生影響[11,12]。由圖2可知小試試驗(yàn)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(dāng)PAC投加量超過30 mg/L時(shí)，藻毒素的去除率也僅維持在18.94%左右。有研究[13]表明強(qiáng)化混凝可提高對小分子有機(jī)物的去除。原水經(jīng)PP預(yù)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(shí)，藻毒素的去除率可達(dá)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(rèn)為PP預(yù)氧化對藻類的去除分兩個(gè)方面。一方面PP預(yù)氧化起到了強(qiáng)化混凝的作用，可提高對藻細(xì)胞和藻毒素的去除效果；另一方面PP投加后會(huì)與藻類優(yōu)先接觸，破壞藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并可能釋放藻毒素。當(dāng)PP投加量低時(shí)，主要起到強(qiáng)化混凝的作用，而對藻類細(xì)胞破壞較小，藻毒素釋放低；當(dāng)PP投加量過高時(shí)，會(huì)加強(qiáng)對藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞，使藻細(xì)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(yù)氧化強(qiáng)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(qiáng)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(jié)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(yù)處理后，沉后水嗅味強(qiáng)度可降為1級；投加超過1 mg/L PP預(yù)處理，則沉后水嗅味強(qiáng)度可近乎降為0。其原因[14]為PP預(yù)氧化利用不同價(jià)態(tài)錳元素的強(qiáng)氧化性破壞這些嗅味物質(zhì)，從而降低沉后水中的嗅味；反應(yīng)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(zhì)有很強(qiáng)的吸附能力，從而降低沉后水嗅味。

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

2.4 高錳酸鉀預(yù)處理對有機(jī)物的去除效果

原水中的顆粒性有機(jī)物容易被常規(guī)水處理工藝去除，而溶解性有機(jī)物不易被常規(guī)工藝去除。UV254、DOC作為有機(jī)污染物指標(biāo)廣泛應(yīng)用于飲用水處理領(lǐng)域。UV254表征水中含不飽和鍵的有機(jī)物，這些物質(zhì)大部分為疏水性荷電物質(zhì)（如腐殖質(zhì)等），部分物質(zhì)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(dú)混凝處理的沉后水降為0.474 cm－1,去除率為22.55%。經(jīng)PP預(yù)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(zhì)的分子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的弱極性有機(jī)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(jié)構(gòu)有機(jī)物，使UV254下降。

圖4 高錳酸鉀預(yù)氧化強(qiáng)化去除有機(jī)物效果Fig.4 Removal Effect of Organics with Potassium Permanganate Pre－Oxidation

小試結(jié)果表明投加PP預(yù)氧化強(qiáng)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(yuǎn)高于單獨(dú)投加PAC的傳統(tǒng)工藝的去除率（17.7%）。

2.5 高錳酸鉀預(yù)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(bào)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(gè)/L時(shí)，三鹵甲烷前體物的測定結(jié)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(dú)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(yù)氧化后，沉后水中三鹵甲烷比單獨(dú)投加PAC混凝時(shí)降低，當(dāng)投加量為1.5 mg/L時(shí)，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(gòu)成Fig.5 Components of Trihalomethanes in Raw Water

圖6 高錳酸鉀預(yù)氧化強(qiáng)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(shí)際運(yùn)行效果分析

利用實(shí)驗(yàn)室小試結(jié)果進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)性試驗(yàn)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(shí)際生產(chǎn)工藝流程如圖7所示，原水水質(zhì)以及各單元出水水質(zhì)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(shí)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(zhì)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(shí)，對原水中有機(jī)物等指標(biāo)的去除率有所提高。PP預(yù)氧化強(qiáng)化混凝對有機(jī)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(dāng)PP投加量為1 mg/L時(shí)，水廠出水的鹵代烴含量甚微，小于飲用水水質(zhì)指標(biāo)規(guī)定的上限值。

3 結(jié)論

PP預(yù)氧化技術(shù)與常規(guī)工藝組合處理高藻原水試驗(yàn)表明PP預(yù)氧化能顯著提高對藻類、有機(jī)物、臭味和消毒副產(chǎn)物前提物等的去除效果。實(shí)際生產(chǎn)中當(dāng)PP投加量為1.0 mg/L、PAC 投加量為 30 mg/L 時(shí)，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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