出　　自： 《中國給水排水》 1992年第4期第4頁
發表時間： ： 1992-4

馬軍 ① ；李圭白(哈爾濱建筑工程學院)；范萃苓；賈永新(大慶市供水公司)

摘要：通過燒杯攪拌試驗及大型生產性試驗，探討了高錳酸鉀對地表水的氧化助凝效能。研究結果表明，高錳酸鉀對地表水有顯著的助凝效果，沉淀后濁度明顯降低，具有較大的經濟效益。

1 概述

　　地表水的特征之一是水中含有一定色度，溶解性天然有機物濃度相對較高，一般為幾~十幾mg/L。其主要成份為腐植物質、丹寧、木質素、藻類及一些嗅味物質。
近來很多研究結果表明，天然有機物的存在大大地增加了水中膠體濁質的穩定性 〔1〕 ，例如，據報道如果水中溶解性天然有機物濃度增加3mg/L(以TOC計)，則硫酸鋁混凝的有效劑量增加5.3倍；若溶解性天然有機物濃度增加7mg/L，則硫酸鋁混凝的有效劑量增加10.2倍 〔2〕 。O′melia等人報道 〔3〕 ，在溶解性天然有機物存在下，水中無機濁質的凝聚動力學過程，一般不取決于其本身的性質，而主要取決于水中溶解性天然有機物的濃度與性質。一些學者認為 〔4〕 ，膠體穩定性的增加是由于腐植酸等溶解性天然有機物，在無機膠體濁質表面形成一有機涂層(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。因此，對于地表水，特別是當水中溶解性天然有機物濃度較高時，要取得良好的混凝效果、保證良好的出水水質，不得不加大混凝劑投量 〔5〕 ，這勢必會大大地增加制水成本。
　　氧化助凝是解決上述問題的常用措施。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處理，但由于氯化過程中會產生一系列有害的鹵代有機物，近來人們紛紛對預氯化助凝提出質疑；臭氧在一定投量下對地表水有助凝作用 〔6〕 ，可使水中有機物電荷密度降至最低，但臭氧投量過高會導致混凝效果下降 〔7〕 ，由于臭氧設備投資較大，一般水廠難于采用。
筆者提出采用高錳酸鉀對地表水進行氧化助凝，并以幾種不同的地表水為研究對象，對其氧化助凝效果進行了探討。

2 試驗過程

　　2.1 燒杯攪拌試驗
　　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-621六聯定時變速攪拌器在室溫條件下進行燒杯攪拌試驗。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處吸取上部清液測定剩余濁度。必要時用慢速定性濾紙或玻璃砂蕊漏斗作進一步分離手段，考察濾后水質。
　　2.2生產性試驗
　　選用大慶市水庫水廠進行生產性試驗。大慶水庫為大慶市的主要飲用水源，水庫水由嫩江引入。據試驗期間測定，水中耗氧量與總有機碳分別達10.5mg/L和8.0mg/L，pH為7.80，總硬度100mg/L。
　　水廠采用傳統的給水處理工藝，以液體聚合鋁作混凝劑，通過靜態混合器，經隔板反應池、斜板沉淀池、虹吸濾池，最后進行氯化消毒。
　　水廠工藝流程有平行的兩套系統，如圖1。這兩套系統的設計參數及構筑物結構完全相同，每個系統的進水流量均為1512m 3 /h，因此可用來進行高錳酸鉀助凝效果的對比試驗。

3 試驗結果

　　3.1燒杯攪拌試驗
　　首先考察了高錳酸鉀對松花江水的助凝效果。試驗用水取自春季，濁度200度左右，色度約20度，COD Mn 9~13mg/L，試驗結果如圖2。高錳酸鉀氧化對松花江水有明顯的助凝作用，在所試驗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，而且高錳酸鉀投量僅為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有改變，沉后余濁曲線向下發生平移。
　　值得注意的是，高錳酸鉀處理對濾后水水質改善更為明顯。圖3為上述混凝、沉淀后上清液經濾紙進一步過濾后的濁度變化情況?？梢?，當高錳酸鉀投量僅為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，濾后水濁度進一步降低。

　　考慮到一般隨著水中溶解性天然有機物濃度升高，對膠體濁質的保護作用增強，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腐植酸溶液進行試驗，結果如圖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。如高錳酸鉀投量僅為0.5mg/L，濾后水濁度比單純用硫酸鋁時下降約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，隨著水中溶解性天然有機物濃度增加，高錳酸鉀的助凝作用更加顯著。

　　對大慶市八百坰水庫水進行了高錳酸鉀助凝試驗，該水庫水色度高達30~50度，而濁度僅為幾十度，是一種不易處理的地表水。試驗結果表明，高錳酸鉀對該水庫水助凝效果很顯著，見表1。

　?、?以每L水中投加的液體聚合鋁計
　　高錳酸鉀投加量是其助凝過程的重要參數，高錳酸鉀投量過高，有可能造成其剩余濃度過大。為探討高錳酸鉀投加量與其剩余濃度的關系，進行了下述試驗:
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行助凝試驗，硫酸鋁投量為90mg/L，高錳酸鉀與水中腐植酸的接觸反應時間為20min?；炷⒊恋砗?，將上清液分別在420、530、680nm波長下測定吸光度變化。其中，530nm波長為高錳酸鉀的特征吸收波長，該波長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波長可分別反映出水中腐植酸濃度與濁度的相對變化情況，結果如圖5所示。高錳酸鉀投量為2mg/L時，在530nm波長下的吸光度略高于不投加高錳酸鉀的對照水樣，說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增加，在該波長下的吸光度逐漸下降，并低于對照水樣，表明水中高錳酸鉀沒有剩余；當高錳酸鉀投量高于8mg/L以后吸光度開始上升，即高錳酸鉀剩余濃度升高。該現象表明，高錳酸鉀投量較低時與腐植酸反應緩慢，水中殘留有微量的高錳酸鉀；隨著高錳酸鉀投量增加，初期產生的水合二氧化錳可能對反應起催化作用，使之反應速度加快，導致高錳酸鉀耗竭。此外，由420和680nm波長下吸光度變化可知，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；當高錳酸鉀投量>8mg/L，隨高錳酸鉀剩余濃度上升，其助凝效果也開始下降。由此可見，對于特定水質而言，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 生產性試驗
　　分別在夏、秋季進行了兩次生產性試驗。
　　圖6 為1991年6月22日~25日所做的生產性試驗結果。Ⅰ、Ⅱ兩套試驗系統的聚合鋁投加量均為34.7mg/L，沉淀后水的濁度基本相等，兩條曲線重疊。當向I系統中投加0.96mg/L高錳酸鉀后，兩套系統的沉后水濁度很快出現明顯差別，I系統比對照系統的沉后濁度低5.0~11.0mg/L。同時還觀察到，在投加高錳酸鉀的I系統中，反應池絮體尺寸明顯增大。
　　圖7 為1991年8月31日~9月2日所做的生產性試驗結果。同樣，兩套系統的聚合鋁投量控制在34.7mg/L，待兩套系統沉后濁度相同后，向I系統中投加1.9mg/L的高錳酸鉀，再繼續穩定工作8h，分別測定兩套系統的沉后濁度，結果I系統比Ⅱ系統下降了約4~8度。

　　由上可見，高錳酸鉀助凝能夠使沉后余濁下降、提高出廠水水質。如果保持相同的出廠水水質，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生的經濟效果，進一步做了下述試驗:
　　I系統的混凝劑及高錳酸鉀投量不變，然后逐步地提高Ⅱ系統的混凝劑投量，同時連續觀測兩套系統的沉后余濁，如圖7所示。I系統的沉后余濁基本沒發生變化，而Ⅱ系統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一步降低濁度、提高出水水質便很困難，所需的混凝劑的量也很高。當Ⅱ系統的聚合鋁投量增加到54.6mg/L，兩套系統的沉后余濁接近，但I系統的出水濁度仍比Ⅱ系統低約1度。據此，由于高錳酸鉀的助凝作用，I系統至少可以比Ⅱ系統節省聚合鋁20mg/L。聚合鋁的使用溶液濃度為15%，每套系統的處理水量為1512m 3 /h，則可節省20kg/km 3 的液體聚合鋁。一個產水量為10萬m 3 /d的水廠，可節省2t/d液體聚合鋁，如果1000元/t計算，每年可節省價值73萬元的聚合鋁；高錳酸鉀投量為1.9mg/L，一個產水量為10萬m 3 /d的水廠需投加190kg/d的高錳酸鉀，如果按6500元/t計算，則每年需消耗價值45萬元的高錳酸鉀。由此可見，高錳酸鉀對地表水的助凝作用具有顯著的經濟效益。

4 結語

　　燒杯攪拌試驗及生產性試驗結果均表明，以高錳酸鉀為助凝劑能夠提高出廠水水質、節省混凝劑用量、降低制水成本。該工藝運行操作簡便，易于在給水處理中推廣應用。

5 參考文獻

　　1 Jekel, M. R. , "The Stabilization of Dispersed Mineral Partices by Adsorption of Humic Substance", Water Research, Vol. 12,1543,1986.
　　2 姚重華等，“硫酸鋁的除濁除色性能”，上海給水排水，1989 年第1期
　　3 Or melia,C. R. ,"Particle--Particle Interaction‘, Aquatic Surface Chemistry, Wiley-- Interscience, New York, ! 987.
　　4 Gibbs, R. J. , "Effect of Natural Qrganic Coatings on the Coagulation of Particles", Envir. Sci. and Technol. , Vol. 17,237,1983.
　　5 N. Narkis and M. Rebhum, "The Mechanism of Flocculation Processes in the Presence of Humic Substances", J. Am. Water Works Assoc. ,Vol. 67,No. 2,101,1975.
　　6 Mohamad R. Farvardin, "Preozonation as an Aid in the coagulation of Humic Substances--Optimum Preozonation Dose",Water Research,Vol. 23. No. 3,307,1989.
　　7 Rechhow, D. et al. , "Ozone as a Coagulant Aid‘, Am. Water works Annual Conference,Denver colo, 1986.
　　① 現在同濟大學環境工程學院博士后流動站工作