張杰¹，周丕全¹，王桂榮²，唐友堯²，
(1．武漢自來水公司．武漢430034；2．華中科技大學環境科學與工程學院．武漢430074)

　　摘 要：水源水質富營養化導致藻類繁殖，嚴重影響了常規水處理。KMnO₄、H₂O₂、ClO₂作為預氧化劑能顯著提高水中藻類、濁度、細菌及大腸菌群的去除率，而且不會形成三氯甲烷等有毒物質；但高錳酸鉀會增加出水色度，二氧化氯除藻效果較好，但成本太高，不宜推廣使用，過氧化氫是一種較為理想的預氧化劑。
　　關鍵詞：H₂O₂、ClO₂、KMnO₄　預氧化劑 水處理 應用

Apply on Three Kinds of Peroxides in Water Treatment
ZHANG-jiel, ZHOU-Piqutml, WANG GUl-rong2, Tang- Youyao2
(1. WUHAN Water Supply Co., WUHAN 430034;
2. School of Environ. Science. and Engineering,HUZHONG Univ. of Sci.And Tech., WUHAN 430074)

　　Abstract: Eutrophication of water quality of raw water results in algae multiply greatly, affects usual water treatment. KMnO₄、H₂O₂、ClO₂ Pre-oxidation could improve removal efficiency of algae and turbidity, bacteria and coliform. And can‘t form toxicant such as chloroform. But KMnO₄ can increase chroma of water. ClO₂ has great removal efficiency of algae. But it costs high too, so it isn‘t fit for applying. So hydrogen eroxide is a kind of better agent of pre-oxidation.
　　Key words: H₂O₂　ClO₂　KMnO₄　pre-oxidation　water treatment apply

　　“水華”又稱水體的富營養化；是由于水體中富含的營養物質導致藻類過量繁殖的現象，漢江武漢段在2000年2月28日發生了第三次“水華”現象，并一直持續到4月上旬，這次“水華”是繼92年和98年初春發生的兩次以來更為嚴重的一次。“水華”給自來水公司凈水處理帶來了巨大壓力，同時給市民正常飲用水帶來一定影響。常規處理工藝很難去除水中藻類和臭味。
　　水中藻類的去除主要有微濾、氣浮、接觸過濾或投加氧化劑等幾種方式，其中氧化預處理是去除水中藻類較為普遍采用的方法。傳統的預加氯預氧化和消毒，雖能部分去除藻類，但是預加氯過程中氯與源水中較高濃度的有機物作用會生成對人體有害的鹵代有機物，如三鹵甲烷等致癌物質。近年來，歐美等一些發達國家采用臭氧頸氧化除藻。臭氧化技術雖然效果好但設備投資大，運行操作管理技能要求嚴，運行費用較高。研究凈水除藻技術，已成為提高飲用水水質的一個重要而迫切的問題。
　　為尋求更好的含藻水解決辦法，我們選取了水處理中常用的二氧化氯、過氧化氫和高錳酸鉀三種預氧化劑進行預氧化除藻試驗研究。

1 研究內容與方法

　　試驗裝置由我們自行設計了一套中試試驗裝置，其工藝流程為：

　　試驗裝置示意圖如下：

　　其中二氧化氯采用穩定性二氧化氯(試驗前以活化劑活化)，H₂O₂、高錳酸鉀為化學純試劑，混凝劑采用液體堿式氯化鋁(PAC)。PAC、高錳酸鉀的投加采用轉子流量計。因H₂O₂、KMnO₄的投加量較小，沒有合適的轉子流量計，故選取可以調節流速的恒流泵投加。試驗地點選在含藻水較高的武漢市自來水公司團山水廠。
　　試驗期間，團山水廠源水濁度一般在10NTU左右，藻類3000萬個/L。首先調節PAC的投加量，直到沉淀池出水濁度在3NTU以下得到PAC的最佳投加量；然后分別選取ClO₂、H₂O₂、KMnO₄作為預氧化劑，先投PAC，后投預氧化劑。試驗中ClO₂的投加量分別為0.4mg／L、0.8mg/L；H₂O₂投加量分別為2mg/L、8mg/L；KMnO₄投加量分別為0.5mg/L、1mg/L、1.5mg/L。

2 試驗結果分析

2．1 PAC的最佳投加量選擇(不加預氧化劑)
　　試驗結果見表1。
　　團山水廠源水濁度一般在10NTU左右，實際運行過程中要求濾前水出水濁度在3NTU以下，故選擇25mg/L為最佳投加量。

表1 PAC最佳投加量確定 投加量 30mg/L 25mg/L 20mg/L 運行時間(小時) 3 3 3 平均出水濁度(NTU) 2.39 2.73 3.66

2．2 ClO₂預氧化效果研究
　　PAC投加量取25mg/L，選取不同的ClO₂投加量，測定濾前水出水濁度，藻類細菌總數、大腸菌群以及ClO₂殘余量等各項指標。試驗結果見表2。并根據表2繪成曲線，如下圖1、圖2。

表2 ClO₂預氧化試驗結果 ClO₂投加量(mg/L) 0 0.40 0.80 濾前水出水濁度(NTU) 2.75 1.95 1.5 濁度去除率(％) 72.5 80.5 88.5 藻類(萬個/L) 1420 606.1 430.6 藻類去除率(％) 52.6 79.8 85.6 細菌總數(個/mL) 115 <3 <3 大腸菌群(個/L) 2380 1087 <3 ClO₂殘余量(mg/L) 0 0.28 0.65

　　

　　從圖1可看出，ClO₂對濁度、藻類均有較高的去除率。當只投加混凝劑時，濁度和藻類的去除率分別為72.5%，52.6%，投加二氧化氯0.4mg/L后，濁度和藻類去除率明顯提高，尤其是除藻率提高到79.8%，當再繼續增加二氧化氯投加量時，濁度和藻類去除率繼續增加。從表1試驗結果看出，二氧化氯對細菌、大腸菌群也具有較高的殺滅效果，可作為消毒劑應用于水處里中。
　　圖2表示二氧化氯投加量與殘余量關系曲線。從圖中可見，當二氧化氯與水樣的接觸時間為一定值時，不同濃度的二氧化氯與水中有機物相互作用，其消耗量基本相同，大致為30％，這表明二氧化氯在水中的消耗量主要取決于水中有機物的濃度，投入的二氧化氯越多，殘余量也越多。可見二氧化氯作可維持較長時間的殺菌作用。
　　但據有關報道^[2]，二氧化氯工藝也存在以下缺點：制取二氧化氯不盡如人意。目前制取ClO₂的方法有兩種：一是以亞氯酸鈉、氯酸鈉為原料的化學法；二是以食鹽為原料的電解法來制取二氧化氯。由于目前國內NaClO₂原料價格很高，生產廠家少，規模亦小(濃度按100%計，每噸價格為2.4萬元)，在經濟上很難承受。用食鹽作原料的電解法生產的ClO₂發生器，裝置較復雜，售價也較高，而且發生氣中ClO₂含量較低(約30%)，同時仍有Cl₂存在，因此是否仍會存在Cl₂消毒的副作用，值得懷疑。
2．3 H₂O₂預氧化效果研究
　　試驗步驟同2．2，試驗結果見表3。并根據表3繪成曲線，見圖3、圖4。

表3 過氧化氫預氧化試驗結果 H₂O₂投加量(mg/L) 0 2 8 濾前水出水濁度(NTU) 2.75 2.53 1.76 濁度去除率(％) 72.5 74.7 82.4 藻類(萬個/L) 1403.6 1127.4 504 藻類去除率(％) 53.2 62.4 83.2 細菌總數(個/mL) 112 60 5 大腸菌群(個/L) 2400 1100 <3 H₂O₂殘余量(mg/L) 0 1.1 3.9

　　

　　過氧化氫時一種比較常見的氧化劑，其氧化還原電位比氯氣高，比二氧化氯和臭氧低。圖3為過氧化氫預氧化試驗結果。投加過氧化氫后沉淀出水濁度和藻類去除率明顯提高。以藻類去除分析，若單投PAC，除藻率僅有53.2%，當投加2mg/L。過氧化氫后，除藻率增加到62.4％，提高將近10個百分點，且隨著過氧化氫投加量的增加，如細沙l時去除率也增加到83.2％，較不預氧提高了30個百分點。濁度去除方面來看，過氧化氫預氧化有助于混凝效果的提高，當過氧化氫投加量達到8mg/L時，濁度去除率比單投PAC提高了10個百分點。
　　圖4表明過氧化氫投加量與殘余量之間的關系曲線。從圖中可看出，過氧化氫消耗量隨著投加量的增加而增加，但基本保持在50％左右，由此表明過氧化氫在水中的消耗量是由水中有機物濃度決定的。
　　從表3中細菌總數、大腸菌群指標可看出，過氧化氫具有較好的殺菌、消毒作用。當單投PAC時，濾前水中細菌總數和大腸菌群仍然很高，但投加過氧化氫后，濾前水中的細菌和總大腸菌群顯著降低，這樣可以大大減少濾后水消毒氯氣的用量，從而減少三氯甲烷、四氯化碳等鹵代烴的生成量。
2．4 KMnO₄預氧化效能研究
　　試驗步驟同2．3，試驗結果列于下表4，并根據表4繪成曲線，見圖5。

表4 高錳酸鉀預氧化試驗結果 KMnO₄投加量(mg/L) 0 0.5 1.0 1.5 出水濁度(NTU) 2.73 2.7 2.65 2.72 濁度去除率(％) 72.7 73 73.5 72.8 藻類(萬個/L) 1450 1200 1000 850 藻類去除率(％) 51.7 60 66.7 71.7 細菌總數(個/mL) 118 73 65 <3 大腸菌群(個/L) 2338 1200 500 50

　　高錳酸鉀也是一種常用的氧化劑與消毒劑。從圖5的試驗結果看，高錳酸鉀對水中細菌和總大腸菌群有一定的殺滅作用，投加一定量的高錳酸鉀能有效的提高藻類的去除效果，但其效果沒有二氧化氯和過氧化氫那么顯著，當高錳酸鉀投加量達到15mg/L時，除藻率也只有71.7%。而且在去除濁度方面，高錳酸鉀投加量為1mg/L時，余濁降至最低，當高錳酸鉀投加量繼續增加時，余濁反而升高，而且可觀察到出水帶有明顯的淡紅色，致使出水色度增加。而且高錳酸鉀還會增加水中錳離子M⁷⁺的含量，這樣給后續處理帶來較大困難。因此，從水質安全角度考慮，不宜采用高錳酸鉀作為水處理中的預氧化劑。

3 結論

　　①ClO₂、H₂O₂、KMnO₄三種藥劑均具有較強的氧化性，作為預氧化劑均有較好的預氧化作用，但高錳酸鉀預氧化會增加處理水的色度及錳離子含量，不宜用作預氧化劑。
　　②二氧化氯和過氧化氫對濁度、藻類、細菌及大腸菌群均有較好的去除作用，而且二氧化氯、過氧化氫均不會與水中有機物反應形成鹵代烴和氯酚，而預氯化會增加水中三氯甲烷的含量，且鹵代烴的生成量隨投氯量增加而增高，對居民的健康不利。
　　③二氧化氯和過氧化氫在水中殘余量較高，可維持更長的消毒殺菌效果，以防止管網細菌的二次污染。
　　④三種預氧化劑中，二氧化氯及過氧化氫均可作為水處理中的預氧化劑，但從成本考慮，二氧化氯成本太高，不宜推廣和普遍使用，而過氧化氫成本與傳統的氯氣相當，因此過氧化氫作為預氧化劑取代氯氣將具有很大的應用前景。

參考文獻：
　　[1]尤作亮等，不同預氧化劑對提高除藻效果的比較研究．
　　[2]陳翼孫，翁曉姚，二氧化氟在飲用水處理中應用的幾個問題．給水排水，1998，(11)：61-64．

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張杰(1971－)，男，武漢自來水公司工程師，武漢大學本科畢業，研究方向：水處理．