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（1.中建二局安裝工程有限公司 北京100010； 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 成都610031）

強(qiáng)化混凝組合工藝處理微污染水源水研究*

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（1.中建二局安裝工程有限公司 北京100010； 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 成都610031）

采用靜態(tài)燒杯實(shí)驗(yàn)考察了強(qiáng)化混凝組合工藝解決某水廠出水CODMn、色度及鋁含量超標(biāo)的問(wèn)題。結(jié)果表明 ，高錳酸鹽與次氯酸鈉聯(lián)合預(yù)氧化，配合使用少量黏土、粉末活性炭混合物強(qiáng)化混凝，可以在氯化物不超標(biāo)的情況下，使出水CODMn、色度及鋁含量得到有效控制。

高錳酸鉀 次氯酸鈉 預(yù)氧化 強(qiáng)化混凝 微污染水

0 引言

江蘇某地水廠的水源為長(zhǎng)江下游支流地表水 ，該水源在6～9月份出現(xiàn)季節(jié)性污染。在這一階段，水廠進(jìn)水的CODMn質(zhì)量濃度維持在6mg／L左右，色度高達(dá)40左右，嗅味強(qiáng)烈，而濁度一般在10 NTU以下，pH為8.3左右。該水廠為保證出水達(dá)標(biāo)且穩(wěn)定，大量投加聚合氯化鋁（PAC）（35～65mg／L），效果較差，同時(shí)，出水鋁含量出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。這是因?yàn)樵疂岫容^低，使得混凝形成的絮體細(xì)小松散 ，難沉淀，容易出現(xiàn)“跑礬花”現(xiàn)象。而該水受到較為嚴(yán)重的有機(jī)物污染，水中膠體表面的電荷密度相對(duì)較大，也難以脫穩(wěn)［1］。因此，即使大量投加PAC也無(wú)法取得較好的混凝效果，反而造成了出水鋁含量超標(biāo)的問(wèn)題。

預(yù)氧化技術(shù)可以有效去除天然有機(jī)物、嗅味及色度等，提高后續(xù)工藝的處理效率。常用的氧化劑有臭氧、液氯、高錳酸鉀及次氯酸鈉等。臭氧預(yù)氧化技術(shù)成本高，控制管理較為繁瑣，而對(duì)于液氯及高錳酸鉀 ，前期實(shí)驗(yàn)考察采用液氯及單獨(dú)高錳酸鉀氧化工藝對(duì)該水源水進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)效果較差，同時(shí)出水氯化物量超標(biāo)。因此，筆者探索了調(diào)整pH，KMnO4與高鐵酸鹽聯(lián)用，KMnO4與次氯酸鈉聯(lián)用進(jìn)行預(yù)氧化，并配合使用黏土及粉末活性炭混合物，以期在出水鋁含量不超標(biāo)的情況下，提高CODMn、嗅味和色度的去除效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與儀器

主要采用的試劑有鹽基度為 70%的 PAC（10%）、鹽基度為85%的PAC（10%）、粉末活性炭、黏土，以上材料均取自水廠。除此之外，六水合氯化鐵（FeCl3·6H2O，99%）、次氯酸鈉（NaClO，5.2%）及高錳酸鉀（99.5%），購(gòu)自國(guó)藥試劑集團(tuán)；高鐵酸鹽由次氯酸鹽氧化法制備［2］，試驗(yàn)所用溶液均采用超純水（電阻率18.2MΩ·cm）配制。水樣取自該水廠進(jìn)水口，相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1原水水質(zhì)指標(biāo)

主要用到的儀器有pH計(jì)、六聯(lián)電動(dòng)攪拌器、磁力攪拌器、分析天平、Hach濁度儀。

1.2 試驗(yàn)方法

反應(yīng)在室溫下進(jìn)行，整個(gè)試驗(yàn)反應(yīng)溫度為22～ 24℃。前期試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝過(guò)程中攪拌強(qiáng)度及攪拌時(shí)間對(duì)處理效果有一定影響。本課題選取最佳反應(yīng)參數(shù)組合進(jìn)行后續(xù)研究。在六聯(lián)攪拌器上設(shè)定相應(yīng)程序，相應(yīng)的試驗(yàn)步驟如圖1所示。

圖1 靜態(tài)混凝燒杯試驗(yàn)流程

其中，氧化劑主要為高錳酸鉀、高鐵酸鹽及次氯酸鈉。當(dāng)需要調(diào)整pH時(shí)，使用1mol／L HCl及NaOH來(lái)調(diào)整反應(yīng)液的初始pH。

2 結(jié)果與討論

2.1 原水初始pH對(duì)出水水質(zhì)的影響

原水的初始pH值影響著PAC中Al存在的形態(tài)，從而影響PAC成核、絮體的生成及破碎再生能力［3］。pH較低時(shí)，PAC主要以單體鋁的形態(tài)存在，pH升高會(huì)導(dǎo)致具有更高電荷的多聚物出現(xiàn)，從而影響著PAC的電中性黏結(jié)架橋能力［4］。不同初始pH下，經(jīng)過(guò)質(zhì)量濃度為0.6mg／L的KMnO4預(yù)氧化及質(zhì)量濃度為20 mg／L、鹽基度為70%的聚合氯化鋁混凝后得到的出水水質(zhì)如表2所示。

表2 原水初始pH對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)的影響

如表2所示，原水初始pH對(duì)CODMn、氨氮、濁度及鋁含量均有一定的影響。在pH為7.0時(shí)，出水中CODMn、氨氮及濁度均最低 ，相應(yīng)的去除率分別為19.39% ，41.3% ，79.6%。3組實(shí)驗(yàn)出水色度無(wú)差異，均為15。同時(shí)，pH越高，Al－溶出量也越大。從表2也可以看出，pH在7.0與7.53時(shí)得到的出水水質(zhì)基本無(wú)差異，兩者均好于pH為8.15時(shí)的出水水質(zhì)。PAC在中性條件下容易水解生成大量的Al（OH）3，易于成核生成絮體，促進(jìn)有機(jī)物、濁度的去除。此時(shí)溶解態(tài)的鋁含量也較低，出水殘留鋁可以得到有效的控制。隨著pH的提高 ，Al（OH）3會(huì)進(jìn)一步水解生成帶負(fù)電荷的偏鋁酸根離子，不但不利于帶負(fù)電荷的有機(jī)物去除，也會(huì)導(dǎo)致水中鋁含量的提高［5－6］。

2.2 高錳酸鹽與高鐵酸鹽聯(lián)用預(yù)氧化對(duì)出水水質(zhì)的影響

調(diào)整pH雖然可以較好地控制出水鋁含量，但對(duì)有機(jī)物的去除仍較差。大量研究表明，高鐵酸鹽與高錳酸鹽均能夠達(dá)到較好的預(yù)氧化效果［7－8］。而高錳酸鹽與高鐵酸鹽對(duì)水體污染物均有一定的選擇性，因此本文對(duì)比考察了單獨(dú)高錳酸鹽、單獨(dú)高鐵酸鹽及高錳酸鹽與高鐵酸鹽聯(lián)用預(yù)氧化對(duì)出水水質(zhì)的影響，單獨(dú)氧化時(shí)，高錳酸鹽與高鐵酸鹽投加量均為0.8mg／L；兩種氧化劑聯(lián)合氧化時(shí)，高錳酸鹽與高鐵酸鹽投加量均為0.4mg／L，鹽基度為70%的PAC投加量為20 mg／L。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：使用HCl將反應(yīng)液pH調(diào)至7.53，再按照?qǐng)D1所示先加高錳酸鹽，再投加高鐵酸鹽，最后使用PAC進(jìn)行混凝，結(jié)果如表3所示。

表3不同氧化劑預(yù)氧化對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)的影響

從表3可以看出，高錳酸鹽與高鐵酸鹽聯(lián)合預(yù)氧化對(duì)CODMn與濁度的去除效果最好，然而單獨(dú)高錳酸鹽預(yù)氧化對(duì)氨氮的去除效果最好。3種出水鋁質(zhì)量濃度均為0.066mg／L左右。3組試驗(yàn)對(duì)色度的去除效果相似 ，出水色度均為11。高鐵酸鹽氧化有機(jī)物產(chǎn)生Fe3＋，F(xiàn)e3＋在水中與OH－反應(yīng)，生成Fe（OH）3膠體－沉淀物，容易吸附部分污染物質(zhì)，形成絮體，產(chǎn)生助凝效果［9］。高錳酸鹽氧化有機(jī)物原位生成MnO2，MnO2在水中一方面容易團(tuán)聚成核，能夠促進(jìn)絮體生成，增大絮體尺寸，另一方面也能夠催化高錳酸鉀氧化有機(jī)物［1，10］。

2.3 黏土與粉末活性炭強(qiáng)化混凝對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)的影響

本文還對(duì)比考察了黏土、粉末活性炭及黏土粉末活性炭質(zhì)量比1∶1混合物對(duì)原水強(qiáng)化混凝的效果。高錳酸鹽投加量為0.8mg／L，強(qiáng)化混凝藥劑（即黏土、粉末炭或黏土粉末炭）的投加量為20mg／L，鹽基度為70%的PAC投加量為20mg／L，結(jié)果如表4所示。

從表4看出，加入黏土強(qiáng)化混凝后的CODMn、氨氮及色度等指標(biāo)反而比不加黏土?xí)r差，這可能是由于黏土中雜質(zhì)溶入了反應(yīng)水體。在這3種藥劑中，粉末活性炭的強(qiáng)化混凝效果最好，使CODMn、氨氮、濁度及色度的去除率分別達(dá)到了31.27%，66.67%，71.84% ，71.43% ，這是因?yàn)榛钚蕴磕軌蜉^好地吸附有機(jī)物、氨氮等。使用黏土與粉末炭質(zhì)量比1∶1混合物強(qiáng)化混凝對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的去除效果與粉末活性炭強(qiáng)化混凝相差不大。雖然其中出水氨氮質(zhì)量濃度超過(guò)了規(guī)定的0.5mg／L，但水廠運(yùn)行時(shí)后續(xù)還有加氯工藝，根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，出水中氨氮質(zhì)量濃度均可控制在0.2mg／L以下。因此，根據(jù)經(jīng)濟(jì)原則，可以選用黏土活性炭混合物對(duì)混凝工藝進(jìn)行強(qiáng)化。

表4黏土及粉末活性炭強(qiáng)化混凝效果對(duì)比

2.4 強(qiáng)化混凝組合工藝對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)的影響

采用高鐵酸鹽與高錳酸鹽聯(lián)合預(yù)氧化雖然具有一定的前瞻性 ，但由于高鐵酸鹽是一種較不穩(wěn)定的氧化劑，很容易自分解失去效用，這便給水廠實(shí)際運(yùn)用帶來(lái)了較大的操作困難。同時(shí)，上述預(yù)氧化方式的處理效果也不是很好。為貼合水廠運(yùn)用的實(shí)際情況，本文進(jìn)一步探索采用高錳酸鹽與次氯酸鈉聯(lián)合進(jìn)行預(yù)氧化，同時(shí)采用黏土與粉末活性炭混合物進(jìn)行強(qiáng)化混凝，以期在成本可行的條件下，獲得更好的污染物去除效果，高錳酸鹽、次氯酸鈉、黏土活性炭、PAC、FeCl3質(zhì)量濃度分別為0.8，2.52，10，20，5 mg／L，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5強(qiáng)化混凝組合工藝對(duì)原水處理情況

從表5中前2組試驗(yàn)得知，在反應(yīng)溫度為24℃，pH為8.16條件下，單獨(dú)使用鹽基度為85%的PAC進(jìn)行混凝時(shí)，表觀上可見(jiàn)絮體細(xì)小散亂，靜沉后無(wú)法得到絮體沉淀，而水體渾濁；使用質(zhì)量濃度為5 mg／L的FeCl3進(jìn)行助凝，表觀上觀察發(fā)現(xiàn)絮體較大，沉降速度快，水體清亮。該組出水CODMn質(zhì)量濃度僅為3.45 mg／L，去除率達(dá)到了43.63%，而出水色度、濁度、氨氮及鋁含量等指標(biāo)也得到了有效的控制，同時(shí)，出水氯化物質(zhì)量濃度為206 mg／L，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的250mg／L。從表5中最后3組實(shí)驗(yàn)可知，試驗(yàn)工藝中高錳酸鉀、次氯酸鈉和黏土活性炭同時(shí)使用時(shí)效果最佳，3種藥劑不可或缺。高錳酸鉀的使用可以去除有機(jī)物、色度等，同時(shí)也可降低出水中氯化物及消毒副產(chǎn)物的生成量，次氯酸鈉對(duì)有機(jī)物和氨氮的去除效果較好，而黏土活性炭不但可以降低原水濁度，也可以吸附部分有機(jī)物，對(duì)有機(jī)物、濁度和色度的去除具有良好的作用。經(jīng)過(guò)計(jì)算，上述強(qiáng)化混凝組合工藝使用的水處理藥耗成本較現(xiàn)有工藝所用水處理劑成本低25.16%。

綜上所述，使用鹽基度為85%的PAC及FeCl3代替鹽基度為70%的PAC進(jìn)行混凝是該水廠控制出水鋁含量的較好的方法。使用高錳酸鉀與次氯酸鈉聯(lián)合預(yù)氧化，并使用黏土活性炭強(qiáng)化混凝，不僅能夠降低藥耗，也可以進(jìn)一步提高CODMn、色度及氨氮等指標(biāo)的去除效果。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）將原水pH調(diào)整至7.53以下，有利于促進(jìn)CODMn、濁度等指標(biāo)的去除，而出水鋁質(zhì)量濃度也可以控制在0.1mg／L以下。但由于調(diào)整pH涉及加酸加堿，酸堿量也隨著原水pH變化而變化，由此需要建立pH實(shí)時(shí)反饋裝置，成本較大。

（2）高鐵酸鹽與高錳酸鹽聯(lián)合預(yù)氧化對(duì)CODMn和濁度的去除效果優(yōu)于單獨(dú)高鐵酸鹽氧化或是單獨(dú)高錳酸鹽氧化。

（3）使用黏土和粉末活性炭混合物可以在控制成本的同時(shí)強(qiáng)化對(duì)原水的混凝效果。黏土活性炭的加入可以提高濁度，促進(jìn)絮體的生成；同時(shí)也可以吸附部分有機(jī)污染物，促進(jìn)對(duì)有機(jī)物的去除。

（4）使用高錳酸鹽和次氯酸鈉聯(lián)合預(yù)氧化，配合使用黏土和粉末活性炭混合物強(qiáng)化混凝，并采用鹽基度為85%的PAC混凝及少量FeCl3助凝，可以有效降低CODMn、濁度、色度及氨氮等指標(biāo)。同時(shí)，出水氯化物量及鋁含量也可以得到有效控制。

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Study on Treatment of Micro－polluted Raw Water by Enhanced Coagulation

LU Qiang1ZHANG Tianshuang1LU Xiaohui2WANG Qun2
（1.China Construction Second Bureau Installation Engineering Co.，Ltd.Beijing100010）

Enhanced coagulation processwas investigated to solve theover standard problemsof CODMn，colourity and aluminium using static beakerexperiments.The resultsshowed that theabove indexes could be controlled effectivelywithout the over standard of chloridewhen potassium permanganate and sodium hypochlorite were used as oxidants，combined with the mixture of clay and powdered activated carbon to enhance coagulation.

KMnO4NaClO pre－oxidation enhanced coagulation micro－polluted raw water

王群，男，1980年生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，國(guó)外多個(gè)期刊的審稿人，主要從事飲用水安全保障技術(shù)、高級(jí)氧化技術(shù)及污水處理技術(shù)研究。

2015－10－27）

國(guó)家自然科學(xué)基金（51378141），水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2009ZX07424－005－02），水的深度處理與資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題研究（PS13H05），國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（201510613015）。