劉 偉，馬　軍
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：為研究高鐵酸鉀對(duì)有機(jī)物含量較高原水的處理效果，進(jìn)行了高鐵酸鉀預(yù)氧化強(qiáng)化混凝處理穩(wěn)定性水庫水的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，少量的高鐵酸鉀(0.5～1.0 mg/L)預(yù)氧化即可顯著提高混凝效果，出水剩余濁度明顯下降。水中色度、UV254和氯仿生成量等有機(jī)物綜合指標(biāo)均隨著高鐵酸鉀投量的增加呈明顯下降趨勢(shì)。與此同時(shí)，水中鐵、錳濃度也顯著降低。另外，高鐵酸鉀預(yù)氧化可有效地去除水中細(xì)菌。
　　關(guān)鍵詞：高鐵酸鉀；預(yù)氧化；混凝；剩余濁度
　　中圖分類號(hào)：TU991.22
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)07-0070-04

　　高鐵酸鉀是一種強(qiáng)氧化劑，其在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧化勢(shì)E0高達(dá)2.2 V。初期研究結(jié)果表明，高鐵酸鉀對(duì)低溫低濁水具有顯著的助凝作用^［1］，同時(shí)還具有優(yōu)良的除污染^［2］和除藻效果^［3］。此次以有機(jī)物含量較高的水庫水為研究對(duì)象，探討了高鐵酸鉀的強(qiáng)化混凝效果，對(duì)硫酸鋁混凝與增加高鐵酸鉀預(yù)氧化后的處理效果進(jìn)行了比較。

1　試驗(yàn)過程與方法

　　靜態(tài)試驗(yàn)在DBJ—621型六聯(lián)定時(shí)攪拌器上進(jìn)行。將水樣轉(zhuǎn)移至6個(gè)1 000 mL的燒杯中，投加一定量的高鐵酸鉀，以300 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌一定時(shí)間，再投加一定量的混凝劑［Al₂(SO₄)₃·18H2O］，繼續(xù)以300 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1 min，然后以60 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10 min，靜置30 min后在液面1 cm下取上清液，并進(jìn)一步用中速定性濾紙(1～2 μm)過濾。對(duì)沉后及濾后水樣用散射光濁度儀測(cè)定水中剩余濁度，用標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)檢測(cè)方法測(cè)定水中剩余色度和細(xì)菌總數(shù)，采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定水中鐵、錳濃度。濾后水樣投加5 mg/L的Cl₂,并在閉光條件下密封保存30 min，保存溫度為20 ℃，然后加入過量的Na2S₂O₃以還原剩余的Cl₂，抽取一定量的水樣，用氣相色譜頂空法測(cè)定水樣中的氯仿生成量。

2　結(jié)果分析與討論

　　水庫位于東北地區(qū)，其水源的補(bǔ)給由附近的河水提供。該水庫水含有大量的天然有機(jī)物，COD高達(dá)35.46 mg/L。另外，補(bǔ)給的河水受到工業(yè)廢水、生活污水的嚴(yán)重污染，尤其在夏季，河水的大量流入使水庫污染加重。試驗(yàn)期間原水水質(zhì)如表1所示。

表1　原水典型水質(zhì) 指標(biāo) 濁度(NTU) 色度(倍) 總硬度(mgCaCO₃/L) 總堿度(mgCaCO₃/L) COD(mg/L) 溫度(℃) pH Fe(mg/L) Mn(mg/L) 含量 282 25 135.6 163 35.46 20 7.5 0.35 0.08

　　從高鐵酸鉀預(yù)氧化與單純硫酸鋁混凝對(duì)濁度去除效果的比較試驗(yàn)可以看出，單純硫酸鋁混凝在低投加量時(shí)剩余濁度較高，50 mg/L的硫酸鋁僅使沉后濁度降到約17 NTU；投加量升高至70 mg/L時(shí)，沉后濁度才降至5 NTU，繼續(xù)加大投量，沉后濁度反而有所升高。采用少量高鐵酸鉀預(yù)氧化可使沉后剩余濁度顯著下降，剩余濁度曲線整體呈下降趨勢(shì)，說明在所選的混凝劑投量范圍內(nèi)，高鐵酸鉀預(yù)氧化均具有助凝作用。此外，高鐵酸鉀預(yù)氧化使混凝劑的最佳投量范圍有所拓寬，如1 mg/L的高鐵酸鉀預(yù)氧化和60 mg/L硫酸鋁混凝聯(lián)合作用的沉后水剩余濁度低于單獨(dú)投加70 mg/L硫酸鋁的剩余濁度，這說明達(dá)到相同的沉后濁度，使用高鐵酸鉀預(yù)氧化可以節(jié)省硫酸鋁投量。該試驗(yàn)結(jié)果(見圖1)與高錳酸鉀預(yù)氧化助凝規(guī)律相近［4］，表明兩種不同類型的無機(jī)氧化劑具有相似的助凝機(jī)理。濾后水剩余濁度曲線表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，說明高鐵酸鉀預(yù)氧化同樣具有明顯的助濾作用。試驗(yàn)中采用孔徑為1～2 μm的中速定性濾紙過濾，濾后水濁度明顯下降，表明預(yù)氧化后在混凝過程中形成的絮體易于被濾紙截留。

　　用高鐵酸鉀進(jìn)行預(yù)氧化，會(huì)使水中引入一定量的鐵，因此出水的剩余總鐵濃度也是眾所關(guān)心的問題。試驗(yàn)結(jié)果表明(見圖2)，高鐵酸鉀預(yù)氧化不僅沒有增加沉后水的總鐵濃度，反而使其總鐵濃度明顯下降，是單純硫酸鋁混凝沉淀后總鐵濃度的1/2，濾后水也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，說明高鐵酸鉀預(yù)氧化不會(huì)使出水中鐵的濃度升高，高鐵酸鉀被還原成難溶解的三價(jià)鐵后易于被沉淀和過濾去除，同時(shí)高鐵酸鉀預(yù)氧化可以去除水中原來含有的鐵。地表水中的鐵一般具有較高的穩(wěn)定性，主要是由于鐵與水中有機(jī)成分絡(luò)合后難于被氧化。地表水中的錳更難于氧化，錳與有機(jī)物絡(luò)合后穩(wěn)定性顯著提高，是比較棘手的問題。圖3為高鐵酸鉀預(yù)氧化對(duì)水中錳的去除效果。

　　　　　　

　　結(jié)果表明，高鐵酸鉀對(duì)水中的錳也具有顯著的去除作用。單獨(dú)硫酸鋁混凝時(shí)，濾后與濾前水中總錳濃度沒有明顯變化，剩余錳濃度不隨硫酸鋁投量變化，說明單獨(dú)硫酸鋁處理對(duì)錳幾乎沒有去除效果。高鐵酸鉀預(yù)氧化能夠顯著提高地表水的除錳效果是該技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)。高鐵酸鉀預(yù)氧化使沉后水中錳濃度有一定程度的下降，濾后水則表現(xiàn)出明顯的剩余總錳濃度隨高鐵酸鉀投量的增加而下降的趨勢(shì)。高鐵酸鉀對(duì)水中重金屬離子的去除是由于其分解后產(chǎn)生的Fe(OH)₃膠體顆粒具有較高的吸附性［5］，被吸附的金屬離子可被后續(xù)的混凝沉淀和過濾工藝去除。天然地表水中的鐵、錳大部分是以與有機(jī)物絡(luò)合的形式存在，F(xiàn)e(OH)
3膠體顆粒可能是通過對(duì)產(chǎn)生絡(luò)合的有機(jī)物的吸附而去除鐵、錳。高鐵酸鉀具有強(qiáng)氧化性，其對(duì)多種細(xì)菌、病毒有滅活作用［5、6］。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鉀預(yù)氧化使沉后及濾后水中的細(xì)菌總數(shù)大大降低。高鐵酸鉀預(yù)氧化對(duì)水中細(xì)菌總數(shù)的去除效果見圖4。

　　由圖4可以看出，沉后水的細(xì)菌總數(shù)隨混凝劑投量的增加而呈下降的趨勢(shì)。在投加量低時(shí)，高鐵酸鉀預(yù)氧化具有顯著的滅菌作用，如硫酸鋁投加量為50 mg/L時(shí)，投加1.0 mg/L的高鐵酸鉀使沉后細(xì)菌總數(shù)是單純硫酸鋁混凝沉淀后細(xì)菌總數(shù)的1/3。過濾后細(xì)菌總數(shù)整體下降，經(jīng)預(yù)氧化后的濾后水細(xì)菌總數(shù)下降幅度遠(yuǎn)大于單純硫酸鋁處理，說明過濾強(qiáng)化了高鐵酸鉀預(yù)氧化對(duì)細(xì)菌的去除效果，進(jìn)一步說明高鐵酸鉀產(chǎn)生的Fe(OH)₃膠體沉淀可以吸附細(xì)菌，若未被沉淀去除，則可被過濾截留，從而降低濾后出水的細(xì)菌總數(shù)。
　　由上述試驗(yàn)結(jié)果分析，高鐵酸鉀的助凝作用可能基于以下幾方面的反應(yīng)：高鐵酸鉀的強(qiáng)氧化性能破壞了水中膠體顆粒表面的有機(jī)保護(hù)層，降低了膠體顆粒之間由有機(jī)物造成的位阻現(xiàn)象，使之易于被混凝劑脫穩(wěn)；高鐵酸鉀在還原過程中［即由Fe(Ⅵ)還原為Fe(Ⅲ)］有可能形成一系列帶高價(jià)正電荷的水解產(chǎn)物，通過電中和作用使水中無機(jī)膠體脫穩(wěn)，最終形成的Fe(OH)₃膠體顆粒具有較高的吸附活性，可以吸附細(xì)小的膠體顆?；蛘咝躞w，增加了絮體的沉速。高鐵酸鉀預(yù)氧化使濾后剩余濁度下降，絮體尺度較單純硫酸鋁混凝有所增大，說明Fe(OH)₃膠體可能在混凝過程中起到了絮核的作用。高鐵酸鉀預(yù)氧化使濾后水的總錳濃度和細(xì)菌總數(shù)進(jìn)一步下降也證實(shí)了Fe(OH)3膠體的吸附作用，并且對(duì)水中多種污染物具有吸附去除的效果。
　　圖5為濾后水的UV254吸光度值變化規(guī)律。

　　由圖5可見，高鐵酸鉀預(yù)氧化可使處理后水的UV254下降。波長254 nm的紫外吸光度值是難揮發(fā)性總有機(jī)碳(NPTOC)和總?cè)u甲烷生成勢(shì)(TTHMFP)的一個(gè)良好替代參數(shù)。紫外吸光度(UVA)間接反應(yīng)原水中NPTOC和TTHMFP濃度，可以用來監(jiān)控生產(chǎn)運(yùn)行或預(yù)測(cè)NPTOC和TTHMFP的去除率。另外，前人的研究結(jié)果表明，UVA與CODCr、TOC、BOD₅等具有顯著的線性關(guān)系，因而通過UV254的下降趨勢(shì)可以推斷處理后水中有機(jī)物總量的去除規(guī)律以及氯仿生成勢(shì)的降低幅度。
　　為進(jìn)一步考察高鐵酸鉀預(yù)氧化對(duì)濾后水樣氯仿生成量的控制作用，試驗(yàn)中將高鐵酸鉀預(yù)氧化與預(yù)氯化對(duì)氯仿生成量的影響進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，原水經(jīng)預(yù)氯化后氯仿生成量明顯升高，投氯量為4 mg/L時(shí)(以Cl₂計(jì))，濾后水消毒30 min，氯仿生成量達(dá)到26.2 μg/L，是未經(jīng)預(yù)氯化的一倍。高鐵酸鉀預(yù)氧化后，濾后水消毒30 min的氯仿生成量隨高鐵酸鉀投量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，5 mg/L 的高鐵酸鉀預(yù)氧化使濾后水的氯仿生成量降低至6.6 μg/L的低水平，說明高鐵酸鉀可以有效地去除水中的氯仿前質(zhì)。高鐵酸鉀預(yù)氧化可能改變了水中氯仿前質(zhì)的結(jié)構(gòu)，或者是高鐵酸鉀被還原后產(chǎn)生的Fe(OH)3膠體通過沉淀吸附去除了部分氯仿前質(zhì)，因而使氯化消毒后的氯仿生成量下降(見圖6)。

　　高鐵酸鉀預(yù)氧化對(duì)水中有機(jī)物的去除作用也是高鐵酸鉀預(yù)氧化對(duì)該種穩(wěn)定性的水庫水具有明顯助凝作用的重要原因之一。

3　結(jié)論

　　燒杯試驗(yàn)結(jié)果表明，高鐵酸鉀預(yù)氧化對(duì)于穩(wěn)定性受污染水庫水具有顯著的助凝、助濾作用，可使沉后及濾后出水的剩余濁度大大降低。沉后及濾后水中總鐵、總錳濃度的降低說明高鐵酸鉀被還原后產(chǎn)生的Fe(OH)3膠體沉淀對(duì)高鐵酸鉀預(yù)氧化的助凝效果有重要影響。高鐵酸鉀預(yù)氧化還有顯著的殺菌、去除有機(jī)物的效果?？傊?，高鐵酸鉀是一種優(yōu)良的預(yù)處理藥劑，其在水處理過程中可以發(fā)揮氧化、殺菌、吸附等多功能的協(xié)同作用，對(duì)水中的濁度、有機(jī)物、細(xì)菌、重金屬有良好的去除效果，并且可以控制氯化消毒后的氯仿生成量。高鐵酸鉀的強(qiáng)氧化性和分解后產(chǎn)生的Fe(OH)3膠體顆粒的吸附作用是其具有多種水處理功能的主要原因。

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　　收稿日期：2001-01-08