出　　自： 《中國(guó)給水排水》 1992年第4期第4頁(yè)
發(fā)表時(shí)間： ： 1992-4

馬軍 ① ；李圭白(哈爾濱建筑工程學(xué)院)；范萃苓；賈永新(大慶市供水公司)

摘要：通過(guò)燒杯攪拌試驗(yàn)及大型生產(chǎn)性試驗(yàn)，探討了高錳酸鉀對(duì)地表水的氧化助凝效能。研究結(jié)果表明，高錳酸鉀對(duì)地表水有顯著的助凝效果，沉淀后濁度明顯降低，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 概述

　　地表水的特征之一是水中含有一定色度，溶解性天然有機(jī)物濃度相對(duì)較高，一般為幾~十幾mg/L。其主要成份為腐植物質(zhì)、丹寧、木質(zhì)素、藻類(lèi)及一些嗅味物質(zhì)。
近來(lái)很多研究結(jié)果表明，天然有機(jī)物的存在大大地增加了水中膠體濁質(zhì)的穩(wěn)定性 〔1〕 ，例如，據(jù)報(bào)道如果水中溶解性天然有機(jī)物濃度增加3mg/L(以TOC計(jì))，則硫酸鋁混凝的有效劑量增加5.3倍；若溶解性天然有機(jī)物濃度增加7mg/L，則硫酸鋁混凝的有效劑量增加10.2倍 〔2〕 。O′melia等人報(bào)道 〔3〕 ，在溶解性天然有機(jī)物存在下，水中無(wú)機(jī)濁質(zhì)的凝聚動(dòng)力學(xué)過(guò)程，一般不取決于其本身的性質(zhì)，而主要取決于水中溶解性天然有機(jī)物的濃度與性質(zhì)。一些學(xué)者認(rèn)為 〔4〕 ，膠體穩(wěn)定性的增加是由于腐植酸等溶解性天然有機(jī)物，在無(wú)機(jī)膠體濁質(zhì)表面形成一有機(jī)涂層(organicrcoating)，造成膠體顆粒間的空間阻礙或雙電層排斥作用，從而使其保持分散、難于聚結(jié)。因此，對(duì)于地表水，特別是當(dāng)水中溶解性天然有機(jī)物濃度較高時(shí)，要取得良好的混凝效果、保證良好的出水水質(zhì)，不得不加大混凝劑投量 〔5〕 ，這勢(shì)必會(huì)大大地增加制水成本。
　　氧化助凝是解決上述問(wèn)題的常用措施。以往使用的氧化劑主要有氯和臭氧。氯多被用于地表水的預(yù)處理，但由于氯化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列有害的鹵代有機(jī)物，近來(lái)人們紛紛對(duì)預(yù)氯化助凝提出質(zhì)疑；臭氧在一定投量下對(duì)地表水有助凝作用 〔6〕 ，可使水中有機(jī)物電荷密度降至最低，但臭氧投量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致混凝效果下降 〔7〕 ，由于臭氧設(shè)備投資較大，一般水廠(chǎng)難于采用。
筆者提出采用高錳酸鉀對(duì)地表水進(jìn)行氧化助凝，并以幾種不同的地表水為研究對(duì)象，對(duì)其氧化助凝效果進(jìn)行了探討。

2 試驗(yàn)過(guò)程

　　2.1 燒杯攪拌試驗(yàn)
　　取地表水，靜置2h后用虹吸法抽取上部水樣，移至1000mL玻璃燒杯中，用DBJ-621六聯(lián)定時(shí)變速攪拌器在室溫條件下進(jìn)行燒杯攪拌試驗(yàn)。投加一定量高錳酸鉀和混凝劑后，首先以300r/min快速攪0.5min，再以35r/min慢速攪5min，靜置15min后用真空法在液面下2cm處吸取上部清液測(cè)定剩余濁度。必要時(shí)用慢速定性濾紙或玻璃砂蕊漏斗作進(jìn)一步分離手段，考察濾后水質(zhì)。
　　2.2生產(chǎn)性試驗(yàn)
　　選用大慶市水庫(kù)水廠(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)。大慶水庫(kù)為大慶市的主要飲用水源，水庫(kù)水由嫩江引入。據(jù)試驗(yàn)期間測(cè)定，水中耗氧量與總有機(jī)碳分別達(dá)10.5mg/L和8.0mg/L，pH為7.80，總硬度100mg/L。
　　水廠(chǎng)采用傳統(tǒng)的給水處理工藝，以液體聚合鋁作混凝劑，通過(guò)靜態(tài)混合器，經(jīng)隔板反應(yīng)池、斜板沉淀池、虹吸濾池，最后進(jìn)行氯化消毒。
　　水廠(chǎng)工藝流程有平行的兩套系統(tǒng)，如圖1。這兩套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)及構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)完全相同，每個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)水流量均為1512m 3 /h，因此可用來(lái)進(jìn)行高錳酸鉀助凝效果的對(duì)比試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

　　3.1燒杯攪拌試驗(yàn)
　　首先考察了高錳酸鉀對(duì)松花江水的助凝效果。試驗(yàn)用水取自春季，濁度200度左右，色度約20度，COD Mn 9~13mg/L，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。高錳酸鉀氧化對(duì)松花江水有明顯的助凝作用，在所試驗(yàn)的任何混凝劑投量下，沉淀后水的剩余濁度與單純硫酸鋁混凝相比普遍下降幾度，而且高錳酸鉀投量?jī)H為0.5mg/L，就可取得明顯的助凝效果。從圖中還可看出，用高錳酸鉀助凝，硫酸鋁的最佳投量沒(méi)有改變，沉后余濁曲線(xiàn)向下發(fā)生平移。
　　值得注意的是，高錳酸鉀處理對(duì)濾后水水質(zhì)改善更為明顯。圖3為上述混凝、沉淀后上清液經(jīng)濾紙進(jìn)一步過(guò)濾后的濁度變化情況?？梢?jiàn)，當(dāng)高錳酸鉀投量?jī)H為0.5mg/L，濾后水的濁度即可明顯下降。隨著高錳酸鉀投量增加，濾后水濁度進(jìn)一步降低。

　　考慮到一般隨著水中溶解性天然有機(jī)物濃度升高，對(duì)膠體濁質(zhì)的保護(hù)作用增強(qiáng)，在此條件下為考察高錳酸鉀的助凝效果，向松花江源水中投加5mg/L腐植酸溶液進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。腐植酸的投入大大地增加了松花江水中膠體的穩(wěn)定性，單純硫酸鋁混凝后濁度下降幅度很小。用高錳酸鉀助凝，隨著高錳酸鉀投量增加，濁度有所下降，濾后濁度下降幅度更為顯著。如高錳酸鉀投量?jī)H為0.5mg/L，濾后水濁度比單純用硫酸鋁時(shí)下降約50%，若高猛酸鉀投量增至4mg/L，濾后水濁度下降約70%。由此可見(jiàn)，隨著水中溶解性天然有機(jī)物濃度增加，高錳酸鉀的助凝作用更加顯著。

　　對(duì)大慶市八百坰水庫(kù)水進(jìn)行了高錳酸鉀助凝試驗(yàn)，該水庫(kù)水色度高達(dá)30~50度，而濁度僅為幾十度，是一種不易處理的地表水。試驗(yàn)結(jié)果表明，高錳酸鉀對(duì)該水庫(kù)水助凝效果很顯著，見(jiàn)表1。

　　① 以每L水中投加的液體聚合鋁計(jì)
　　高錳酸鉀投加量是其助凝過(guò)程的重要參數(shù)，高錳酸鉀投量過(guò)高，有可能造成其剩余濃度過(guò)大。為探討高錳酸鉀投加量與其剩余濃度的關(guān)系，進(jìn)行了下述試驗(yàn):
向松花江源水中加入5mg/L的腐植酸以模擬高色度地表水，然后改變高錳酸鉀投量進(jìn)行助凝試驗(yàn)，硫酸鋁投量為90mg/L，高錳酸鉀與水中腐植酸的接觸反應(yīng)時(shí)間為20min?；炷?、沉淀后，將上清液分別在420、530、680nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度變化。其中，530nm波長(zhǎng)為高錳酸鉀的特征吸收波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)下的吸光度可以反映高錳酸鉀剩余濃度的變化情況；420和680nm波長(zhǎng)可分別反映出水中腐植酸濃度與濁度的相對(duì)變化情況，結(jié)果如圖5所示。高錳酸鉀投量為2mg/L時(shí)，在530nm波長(zhǎng)下的吸光度略高于不投加高錳酸鉀的對(duì)照水樣，說(shuō)明混凝后水中殘留有微量的高錳酸鉀。但隨著高錳酸鉀投量繼續(xù)增加，在該波長(zhǎng)下的吸光度逐漸下降，并低于對(duì)照水樣，表明水中高錳酸鉀沒(méi)有剩余；當(dāng)高錳酸鉀投量高于8mg/L以后吸光度開(kāi)始上升，即高錳酸鉀剩余濃度升高。該現(xiàn)象表明，高錳酸鉀投量較低時(shí)與腐植酸反應(yīng)緩慢，水中殘留有微量的高錳酸鉀；隨著高錳酸鉀投量增加，初期產(chǎn)生的水合二氧化錳可能對(duì)反應(yīng)起催化作用，使之反應(yīng)速度加快，導(dǎo)致高錳酸鉀耗竭。此外，由420和680nm波長(zhǎng)下吸光度變化可知，高錳酸鉀投量<8mg/L，助凝效果均隨高錳酸鉀投量升高而增強(qiáng)；當(dāng)高錳酸鉀投量>8mg/L，隨高錳酸鉀剩余濃度上升，其助凝效果也開(kāi)始下降。由此可見(jiàn)，對(duì)于特定水質(zhì)而言，高錳酸鉀助凝存在著最佳投量。

　　圖5 高錳酸鉀投加量與其殘余量的關(guān)系
　　松花江源水吸光度E 420 0.195，E 680 0.070 加入5mg/L腐植酸后吸光度E 420 0.650，E 680 0.245
　　3.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)
　　分別在夏、秋季進(jìn)行了兩次生產(chǎn)性試驗(yàn)。
　　圖6 為1991年6月22日~25日所做的生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果。Ⅰ、Ⅱ兩套試驗(yàn)系統(tǒng)的聚合鋁投加量均為34.7mg/L，沉淀后水的濁度基本相等，兩條曲線(xiàn)重疊。當(dāng)向I系統(tǒng)中投加0.96mg/L高錳酸鉀后，兩套系統(tǒng)的沉后水濁度很快出現(xiàn)明顯差別，I系統(tǒng)比對(duì)照系統(tǒng)的沉后濁度低5.0~11.0mg/L。同時(shí)還觀(guān)察到，在投加高錳酸鉀的I系統(tǒng)中，反應(yīng)池絮體尺寸明顯增大。
　　圖7 為1991年8月31日~9月2日所做的生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果。同樣，兩套系統(tǒng)的聚合鋁投量控制在34.7mg/L，待兩套系統(tǒng)沉后濁度相同后，向I系統(tǒng)中投加1.9mg/L的高錳酸鉀，再繼續(xù)穩(wěn)定工作8h，分別測(cè)定兩套系統(tǒng)的沉后濁度，結(jié)果I系統(tǒng)比Ⅱ系統(tǒng)下降了約4~8度。

　　由上可見(jiàn)，高錳酸鉀助凝能夠使沉后余濁下降、提高出廠(chǎng)水水質(zhì)。如果保持相同的出廠(chǎng)水水質(zhì)，則有可能減少混凝劑用量、降低制水成本。為探討高錳酸鉀助凝所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效果，進(jìn)一步做了下述試驗(yàn):
　　I系統(tǒng)的混凝劑及高錳酸鉀投量不變，然后逐步地提高Ⅱ系統(tǒng)的混凝劑投量，同時(shí)連續(xù)觀(guān)測(cè)兩套系統(tǒng)的沉后余濁，如圖7所示。I系統(tǒng)的沉后余濁基本沒(méi)發(fā)生變化，而Ⅱ系統(tǒng)的沉后余濁則隨著混凝劑投量的增加逐漸下降。值得注意的是，濁度降得越低，所需混凝劑的投量就越大，即濁度下降到一定程度后，單靠提高混凝劑投量再進(jìn)一步降低濁度、提高出水水質(zhì)便很困難，所需的混凝劑的量也很高。當(dāng)Ⅱ系統(tǒng)的聚合鋁投量增加到54.6mg/L，兩套系統(tǒng)的沉后余濁接近，但I(xiàn)系統(tǒng)的出水濁度仍比Ⅱ系統(tǒng)低約1度。據(jù)此，由于高錳酸鉀的助凝作用，I系統(tǒng)至少可以比Ⅱ系統(tǒng)節(jié)省聚合鋁20mg/L。聚合鋁的使用溶液濃度為15%，每套系統(tǒng)的處理水量為1512m 3 /h，則可節(jié)省20kg/km 3 的液體聚合鋁。一個(gè)產(chǎn)水量為10萬(wàn)m 3 /d的水廠(chǎng)，可節(jié)省2t/d液體聚合鋁，如果1000元/t計(jì)算，每年可節(jié)省價(jià)值73萬(wàn)元的聚合鋁；高錳酸鉀投量為1.9mg/L，一個(gè)產(chǎn)水量為10萬(wàn)m 3 /d的水廠(chǎng)需投加190kg/d的高錳酸鉀，如果按6500元/t計(jì)算，則每年需消耗價(jià)值45萬(wàn)元的高錳酸鉀。由此可見(jiàn)，高錳酸鉀對(duì)地表水的助凝作用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

　　燒杯攪拌試驗(yàn)及生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果均表明，以高錳酸鉀為助凝劑能夠提高出廠(chǎng)水水質(zhì)、節(jié)省混凝劑用量、降低制水成本。該工藝運(yùn)行操作簡(jiǎn)便，易于在給水處理中推廣應(yīng)用。

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　?、?現(xiàn)在同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院博士后流動(dòng)站工作