齊敦哲，余 磊，肖 寒，徐 慧

(1. 寧夏寧東水務(wù)有限責(zé)任公司，寧夏銀川 640100;2. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京

100085)

寧東水廠處于寧東能源化工基地，水源水是黃河水，黃河水經(jīng)過常規(guī)的混凝、沉淀、過濾、消毒等工藝由輸水管網(wǎng)輸送到基地各用戶端。寧東水廠冬季水源水呈現(xiàn)明顯的低溫低濁的性質(zhì)，常規(guī)水處理過程不能達(dá)到水廠出水的要求。

高錳酸鉀作為一種強(qiáng)氧化劑，廣泛應(yīng)用于水處理工藝中，它可以較大程度地去除原水中的藻類、嗅味等;而且還原形成的新生態(tài)二氧化錳具有“凝核”作用，可以明顯提高絮凝和沉淀效果。本文采用靜態(tài)燒杯試驗(yàn)和動態(tài)中試、生產(chǎn)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究寧東黃河水高錳酸鉀預(yù)氧化的助凝效果，為進(jìn)一步解決冬季低溫低濁水處理困難提供幫助［1-3］。

高鐵酸鉀可以快速殺滅水中的細(xì)菌和病毒，且不會生成次級衍生物等。當(dāng)pH ＜7.50 時，高鐵酸鉀穩(wěn)定性明顯下降，在微酸性條件下很快分解，放出氧氣，并析出具有高度吸附活性的無機(jī)絮凝劑Fe(OH)3［4-8］。與其他氧化劑(二氧化錳、高錳酸鉀、重鉻酸鉀)相比，使用高鐵酸鉀做助凝劑無重金屬二次污染。高鐵酸鉀的凈化機(jī)理是由于高鐵離子在被還原生成Fe3+過程中，經(jīng)歷了一系列由六價(jià)到三價(jià)帶有不同電荷的中間態(tài)，因而表現(xiàn)出獨(dú)特的處理效果。為了提高水廠在冬季低溫低濁條件下水廠的運(yùn)行效果，考察了高鐵酸鉀預(yù)氧化作用對改善出水水質(zhì)的影響。

在以往的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高堿化度的PAC 中含有較多的有效成分Alb，處理低溫低濁水時具有較好的混凝效果。針對高堿化度的PAC，本研究提純了混凝劑中的有效成分Alb，希望在冬季低溫低濁水運(yùn)行時能夠提高濁度等指標(biāo)的去除率。結(jié)果表明提純后的Al13在處理低溫低濁水時具有明顯的優(yōu)勢，在pH降低到7.7 時效果更明顯。

1 試驗(yàn)方法與裝置

1.1 水廠水源水質(zhì)

冬季寧東黃河水處于低溫低濁期，其水質(zhì)情況如表1 所示。

表1 黃河水水質(zhì)情況Tab.1 Water Quality of Yellow River

試驗(yàn)中使用的PAC 為寧東水廠常規(guī)使用混凝劑，取一定量AlCl3固體置于燒杯中，加入定量蒸餾水，攪拌下緩慢加入碳酸鈉粉末至預(yù)定堿化度，靜置熟化24 h，得到用于提純的PAC。然后取一定量的PAC 與等體積、相同濃度的硫酸鈉溶液混合反應(yīng)24 h，用濾紙進(jìn)行過濾，將沉淀用去離子水沖洗若干次后轉(zhuǎn)入25.0 mL 比色管中，按一定比例與適宜濃度的硝酸鋇混合，超聲反應(yīng)4.0 h 后離心分離，得到本次試驗(yàn)所用Al13。經(jīng)Ferron 測定結(jié)果獲得的Al13純度較為滿意，如表2 所示。

表2 Ferron 表征Al13結(jié)果Tab.2 Characterization of Al13 by Ferron

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)分燒杯攪拌試驗(yàn)和中試試驗(yàn)兩部分。其中中試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為2.5 m3/h，中試試驗(yàn)裝置如圖1 所示。中試裝置長為3.0 m、寬為0.60 m、總深度為0.60 m。在設(shè)計(jì)流量下各段G 值，T 值以及流速等如表3 所示。

表3 中試裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Design Parameters of Pilot Test

水源水經(jīng)過第一步快速攪拌后，使得藥劑和水樣得到初步混合，通過絮凝池的絮凝作用后進(jìn)入后面的沉淀區(qū)。裝置如圖1 所示。

圖1 中試裝置示意圖Fig.1 Schematic of Experimental Equipment

1.3 試驗(yàn)方法

六聯(lián)攪拌裝置的運(yùn)行程序:加混凝劑后以200 r/min 攪拌90 s，此為混凝過程快速混合階段;接下來以40 r/min 攪拌10 min，此為絮體緩慢生成階段;最后沉降30 min，從距離水面2 cm 處取水樣測試各項(xiàng)指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高錳酸鉀最佳投加量和投加方式的確定

A:在混凝劑投加之前投加高鐵酸鉀(0.40 mg/L，0.80 g/L)、高錳酸鉀(0.50 mg/L、1.00 g/L)，然后快速攪拌(以300 r/min 攪拌5 min)后加入混凝劑PAC 進(jìn)行混凝。

B:高鐵酸鉀、高錳酸鉀與PAC 同時投加。

C:投加PAC 后慢速攪拌5 min 再加入高鐵酸鉀、高錳酸鉀等氧化劑。

利用高錳酸鉀、高鐵酸鉀的氧化助凝作用來氧化地表水中的有機(jī)物，需要合理確定高錳酸鉀、高鐵酸鉀投加量。氧化劑的最佳投加量既要達(dá)到對地表水的助凝作用，又要考慮氧化劑本身的色度給水質(zhì)處理帶來的影響。若投入氧化劑過多，則可能存在出水Mn、Fe 超標(biāo)的問題。投加方式對濁度和UV254的去除效果如圖2、圖3 所示。

圖2 高鐵酸鉀投加量與投加方式對濁度和UV254去除效果的影響Fig.2 Effects of Different Dosage and Dosing Method on Removal of Turbidity and UV254 using Potassium Ferrate

圖3 高錳酸鉀投加量與投加方式對濁度和UV254去除效果的影響Fig.3 Effects of Different Dosage and Dosing Method on Removal of Turbidity and UV254 using Potassium Permanganate

當(dāng)PAC 投加量一定時，高鐵酸鉀和高錳酸鉀先于PAC 投加對濁度和UV254的去除效果最好，其次是同時投加，二者后于PAC 投加效果最差。這可能是因?yàn)檠趸瘎┫扔赑AC 投加可以與膠體表面的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，破壞膠體顆粒表面的有機(jī)涂層，起到壓縮雙電層的作用，提高混凝效果。以高錳酸鉀為例，當(dāng)氧化劑與PAC 同時投加或后于PAC 投加時，由于PAC 已經(jīng)完成壓縮雙電層和電性中和作用，使得高錳酸鉀產(chǎn)生的部分新生態(tài)二氧化錳沒有成為混凝劑的絮凝核心，從而減低了去除效果，影響了混凝作用。

2.2 高鐵酸鉀、高錳酸鉀預(yù)氧化時間的確定

氧化劑先于混凝劑投加，以300 r/min 快速攪拌，預(yù)氧化時間為2、5、10、20、30 和40 min，PAC 投加量為16.0 mg/L，高鐵酸鉀的投加量為0.80 mg/L，高錳酸鉀的投加量為0.50 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 高鐵酸鉀預(yù)氧化時間對混凝效果的影響Fig.4 Effects of Pre-Oxidation Time on Coagulation Performance using Potassium Ferrate

圖5 高錳酸鉀預(yù)氧化時間對混凝效果的影響Fig.5 Effects of Pre-Oxidation Time on Coagulation Performance using Potassium Permanganate

由圖4、圖5 可知兩種混凝劑的預(yù)氧化時間為5到10 min 時混凝效果最好，時間過長或過短都會對混凝效果產(chǎn)生影響。預(yù)氧化時間過短，高錳酸鉀沒有足夠的時間與膠體表面的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng);預(yù)氧化時間過長，氧化劑會將 =C C、 =C O 氧化為—COO—等親水性較強(qiáng)的基團(tuán)，增強(qiáng)水中有機(jī)物的親水性，影響混凝效果。在接下來的小試試驗(yàn)中預(yù)氧化時間確定為10 min。

2.3 高鐵酸鉀最佳投加量的確定

預(yù)氧化的時間為10 min，考察不同混凝劑投加量下高鐵酸鉀投加量對處理效果的影響。高鐵酸鉀投加量分別為0、0.20、0.60、0.80、1.00 和1.20 mg/L，PAC 投加量分別為8.0、10.0、12.0、14.0、16.0 和18.0 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 高鐵酸鉀投加量對濁度去除率的影響ig.6 Effects of Dosage of Potassium Ferrate on Removal of Turbidity

由圖6 可知高鐵酸鉀的最佳投加量為0.80 mg/L，高鐵酸鉀投加量過低或者過高都會使得去除率受到影響。

2.4 高錳酸鉀最佳投加量的確定

預(yù)氧化的時間為10 min，考察不同混凝劑投加量下高錳酸鉀投加量的影響。高錳酸鉀投加量分別為0、0.20、0.50、0.80、1.00 和1.20 mg/L，PAC 投加量分別為8.0、10.0、12.0、14.0、16.0 和18.0 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知高錳酸鉀的最佳投加量為0.50 mg/L，高錳酸鉀投加量過低或者過高都會使得去除率受到影響。

圖7 高錳酸鉀投加量對濁度去除率的影響Fig.7 Effects of Dosage of Potassium Permanganate on Removal of Turbidity

2.5 不同pH 下高鐵酸鉀、高錳酸鉀預(yù)氧化對混凝效果的影響

取6 組1 L 水樣，調(diào)節(jié)pH 分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 和10.0，然后投加0.80 mg/L 高鐵酸鉀、0.50 mg/L 高錳酸鉀，在六聯(lián)攪拌儀上以300 r/min攪拌10 min，再調(diào)節(jié)pH 至中性，分別投加16.0 mg/L PAC，結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 pH 對高鐵酸鉀預(yù)氧化作用的影響Fig.8 Effects of pH on Pre-Oxidation using Potassium Ferrate

從以上結(jié)果可知pH 偏酸性條件時混凝效果達(dá)到最佳，pH 過高或者過低均使得混凝效果變差，在實(shí)際操作中需要調(diào)節(jié)pH 為中性時即可滿足混凝效果和生產(chǎn)成本兩方面的要求。

圖9 pH 對高錳酸鉀預(yù)氧化作用的影響Fig.9 Effects of pH on Pre-Oxidation using Potassium Permanganate

2.6 Al13處理低溫低濁水(不調(diào)節(jié)pH)過程

本部分試驗(yàn)選擇兩種混凝劑，清水源生產(chǎn)的PAC 與試驗(yàn)時提純的Al13，混凝劑投加量分別為8.0、10.0、12.0、14.0、16.0 和18.0 mg/L。試驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11 所示。

圖10 PAC 與Al13對濁度的去除率Fig.10 Removal Efficiency pf Turbidity Using PAC and Al13

從以上結(jié)果可知相對于PAC 而言，Al13對濁度和UV254的去除率具有明顯的提高，說明Al13對于混凝效果有明顯的提高，也就是說在處理低溫低濁水時高堿化度PAC(含有較高含量的Alb)將獲得較好的混凝效果。

圖11 PAC 與Al13對UV254的去除率Fig.11 Removal Efficiency of UV254 using PAC and Al13

2.7 中試試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證高錳酸鉀、高鐵酸鉀預(yù)氧化對混凝效果的影響，選定兩者的最優(yōu)投加量0.80、0.50 mg/L，PAC的投加量為8.0、10.0、12.0、14.0、16.0 和18.0 mg/L。每一種試驗(yàn)條件均運(yùn)行3 h 后從中試裝置沉淀池中取沉后水測定濁度，試驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示。

圖12 中試裝置運(yùn)行結(jié)果Fig.12 Results of Pilot Test

3 結(jié)論

(1)高鐵酸鉀、高錳酸鉀預(yù)氧化劑投加方式對混凝過程具有重要的影響，高鐵酸鉀和高錳酸鉀在PAC 前投加對濁度和UV254的去除效果最好，其次是兩者同時投加，兩者后于PAC 投加效果最差。

(2)兩種氧化劑(高錳酸鉀、高鐵酸鉀)的預(yù)氧化時間均為5 ～10 min 處理效果最好，過長或過短都會對混凝效果產(chǎn)生影響。兩種氧化劑(高錳酸鉀、高鐵酸鉀)均具有最佳的投加量，過多或者過少的投加量都會對混凝效果產(chǎn)生影響。pH 對氧化劑的氧化助凝效果具有重要的影響，偏酸性的條件有利于兩種氧化劑的氧化作用，會獲得較高的混凝效果。

(3)Al13對提高混凝劑的混凝效果具有重要的影響。

(4)經(jīng)過中試裝置的驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，本試驗(yàn)結(jié)論對于水廠在處理冬季低溫低濁水具有重要的指導(dǎo)意義。

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