張 杰1， 臧景紅2， 劉俊良3， 周志剛4

(1.中國市政工程東北設(shè)計研究院，吉林長春13 0021；2.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；3.河北建筑工程學(xué)院城市建設(shè)系，河北張家口075024；4.河北省滄州市供水總公司，河北滄州061001)

　　摘要：針對微污染、富營養(yǎng)化的黃河平原水庫水進(jìn)行了以高錳酸鉀預(yù)氧化取代預(yù)氯化的實用性研究，結(jié)果表明：雖然在除藻效率方面二者相當(dāng)，都能將藻類數(shù)量控制在不干擾混凝過程的范圍內(nèi)，但高錳酸鉀預(yù)氧化的助凝效果要優(yōu)于預(yù)氯化氧化；在對COD_Mn、NH3-N、嗅味的去除方面要優(yōu)于預(yù)氯化；高錳酸鉀預(yù)氧化能顯著地控制氯化消毒副產(chǎn)物，并有效地降低后續(xù)氯化消毒過程中氯仿和四氯化碳等致癌物質(zhì)的生成量、減少后續(xù)氯化消毒中的投氯量；用高錳酸鉀預(yù)氧化代替預(yù)氯化，可為水廠節(jié)約制水成本約18.62萬元/a。
　　關(guān)鍵詞： 富營養(yǎng)化； 水庫水； 高錳酸鉀預(yù)氧化；預(yù)氯化
　　中圖分類號：TU991.2
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號： 1000-4602(2002)01-0076-03

　　河北省滄州市自來水廠(東水廠)的原水取自以黃河水為水源的平原水庫——大浪淀水庫。目前，該水庫水已微污染、富營養(yǎng)化，其總磷、總氮值已達(dá)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的湖泊、水庫特定項目標(biāo)準(zhǔn)值的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，水中藻類(多為藍(lán)藻和綠藻)生長尤為旺盛，有時竟高于1×10⁸個/L，若用預(yù)氯化強(qiáng)化處理易造成：①生成大量鹵化有機(jī)污染物，使處理后水的毒理學(xué)安全性下降；②加重了水的嗅味；③夏、秋季節(jié)加氯機(jī)雖已滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，但出廠水的余氯仍不能滿足要求。以上問題迫使東水廠尋求適合該水庫水的更為經(jīng)濟(jì)有效的預(yù)氧化工藝。通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析，初步選定以高錳酸鉀預(yù)氧化替代預(yù)氯化。因高錳酸鉀預(yù)氧化應(yīng)加在混凝反應(yīng)之前，受水廠工藝條件限制，投加點只能設(shè)在配水井上，故可認(rèn)為高錳酸鉀與混凝劑同時投加。

1 高錳酸鉀預(yù)氧化條件優(yōu)化

1.1 試驗方法
　　取KMnO₄的特征吸收波長520 nm，該波長下的吸光度值可以反映KMnO₄剩余濃度的變化情況。
　　① 作KMnO₄濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線；
　　② 在6個放有水樣的燒杯中，分別加入0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mg/L的KMnO₄，隨后模擬東水廠的實際處理工藝操作，即：以200 r/min快速攪拌2 min，以60 r/min慢速攪 拌21 min，靜置沉淀10、30、60、90min；
　　③ 取燒杯中部的上清液用離心沉淀器離心沉淀7min，目的是避免水中未沉淀顆粒和膠體影響KMnO4殘余量的測定；
　　④ 用UV—754型紫外—可見分光光度計測離心沉淀后上清液的吸光度值，從而得到氧化時間分別為40、60、90、120min時的KMnO4投加量與剩余量之間的關(guān)系。
1.2 試驗結(jié)果
　　圖1、2分別為在不同的氧化時間下KMnO4投加量與消耗量、剩余量的關(guān)系曲線。
　　從圖1可見，當(dāng)KMnO₄與水樣的接觸時間足夠長時，不同濃度的KMnO₄溶液與水中有機(jī)物 相互作用的消耗量基本相同，表明KMnO₄消耗量主要取決于原水的有機(jī)物濃度。若投入KMnO₄過多，剩余的KMnO4就多，則可能存在出水Mn超標(biāo)的問題。對于大浪淀水庫水而言，KMnO₄與水中有機(jī)物作用消耗量為0.45～0.5 mg/L，即其最佳投量為0.45～0.5 mg/L，經(jīng)生產(chǎn)性試驗證明，該投量不存在出水Mn超標(biāo)的問題。

　　由圖2可見，投加過量KMnO₄(＞0.5 mg/L)則沉后水中KMnO4剩余濃度與投加量成正比例關(guān)系，投加量達(dá)0.8mg/L時濾后水Mn超標(biāo)，這是Mn膠體粒子穿透濾層所致。雖然Mn的毒性較小，但如果出廠水中Mn超標(biāo)，不僅會使出水色度增加致衣服和固定設(shè)備染色，而且Mn的氧化物還能在水管內(nèi)壁上逐漸沉積，在水壓波動時造成“黑水”現(xiàn)象。
　　值得注意的一點是，KMnO₄投量為0.5 mg/L時，根據(jù)水樣所需KMnO4量，其剩余量應(yīng)接近0 mg/L，然而實際上在氧化時間為40、60min時其剩余量約為0.25 mg/L。這是由于當(dāng)KMnO4投量低時，它與水中有機(jī)物反應(yīng)緩慢所致，隨著氧化時間的延長剩余量逐漸接近零，表明KM nO4與水樣的接觸時間是KMnO4預(yù)氧化工藝的一個重要參數(shù)。對于大浪淀水庫水而言，接觸時間應(yīng)為2.0h左右，東水廠的實際工藝流程時間為2.5h左右，所以在配水井投加KMnO₄可完全滿足氧化時間。

2 高錳酸鉀預(yù)氧化的優(yōu)勢

　　由于水廠有兩套完全相同的處理系統(tǒng)，因此可用來進(jìn)行高錳酸鉀預(yù)氧化和預(yù)氯化的生產(chǎn)性對比試驗。在試驗中，兩套系統(tǒng)的混凝劑均采用Al2(SO4)3，對比工藝流程如圖3。

2.1 助凝作用
　　由于水廠的實際運(yùn)行需根據(jù)沉后水濁度來控制加藥量，故高錳酸鉀所表現(xiàn)的助凝作用可通過現(xiàn)場實際加藥量和濾后水濁度來反映。大量現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，Ⅰ系統(tǒng)的實際加藥量和濾后水濁度比Ⅱ系統(tǒng)低。
2.2 對CODMn、藻類和氨氮的去除效果
　　兩系統(tǒng)的去除效果比較見表1。

表1 Ⅰ、Ⅱ 系統(tǒng)對CODMn、藻類和氨氮去除效果比較 項 目 原水 Ⅰ系統(tǒng)濾后水 Ⅱ系統(tǒng)濾后水 CODMn(mg/L) 7.15 4.77 5.09 去除率(%) 　 32.7 28.1 藻類(×10⁴個/L) 5626.3 1265.7 899.7 去除率(%) 　 75.7 82.9 NH₃-N(mg/L) 0.360 0.251 0.287 去除率(%) 　 30.0 20.5

　　Ⅰ系統(tǒng)濾后水中CODMn含量明顯低于預(yù)氯化常規(guī)處理工藝系統(tǒng)，對CODMn的去除率Ⅰ系統(tǒng)比Ⅱ系統(tǒng)高4.6%，可見在去除有機(jī)污染物方面，KMnO4預(yù)氧化的處理效果要好于預(yù)氯化的處理效果。
　　高錳酸鉀的除藻率稍遜色于預(yù)氯化，分別為75.7%和82.9%。雖然兩系統(tǒng)除藻率都較高，但因原水藻類含量很高(一般在5 000×10⁴個/L左右，有時達(dá)1×10⁸個/L)，使濾后水也都在1 000×10⁴個/L上下，如此高的含藻量不僅會給濾池運(yùn)行帶來麻煩，使濾池反沖洗次數(shù)和能耗增加，還易使細(xì)菌重新生長，且個體尺寸細(xì)小的藻類也會穿透濾層而增加出廠水的嗅味。據(jù)國內(nèi)武漢東湖、昆明滇池等水廠的運(yùn)行經(jīng)驗，浮沉池對藻類去除效果很好，故東水廠應(yīng)將沉淀池改為浮沉池以解決除藻問題。
　　在氨氮去除率上，高錳酸鉀預(yù)氧化工藝比常規(guī)預(yù)氯化工藝高9.5%，對氨氮的去除很有效果。
2.3 對氯仿和四氯化碳的控制效果
　　① 高錳酸鉀預(yù)處理的同時未取消預(yù)加氯
　　試驗結(jié)果見表2。

表2 未取消預(yù)氯化時對氯仿和CCl₄的控制效果 項 目 Ⅱ系統(tǒng)出水濃度(μg/L) Ⅰ系統(tǒng) 出水濃度(μg/L) Ⅰ系統(tǒng)比Ⅱ系統(tǒng)降低率(%) 氯仿 12.818 8 5.545 3 56.7 四氯化碳 0.1443 0.0644 55.4

　　② 高錳酸鉀預(yù)處理的同時取消預(yù)加氯
　　試驗結(jié)果見表3。

表3 取消預(yù)氯化時對氯仿和CCl₄的控制效果 項 目 Ⅱ系統(tǒng)出水濃度(μg/L) Ⅰ系統(tǒng) 出水濃度(μg/L) Ⅰ系統(tǒng)比Ⅱ系統(tǒng)降低率(%) 氯仿 9.0476

0.0154 99.8 四氯化碳 0.3049

0.0222 92.7

　　由表2、3可見，Ⅰ系統(tǒng)即使在同時預(yù)氯化的情況下，濾后水中氯仿和四氯化碳濃度也明顯低于只進(jìn)行預(yù)氯化的混凝沉淀系統(tǒng)。取消預(yù)氯化后，濾后水中氯仿和四氯化碳已很微量，顯示高錳酸鉀預(yù)氧化能顯著地控制氯化消毒副產(chǎn)物，并有效地降低后續(xù)氯化消毒過程中氯仿和四氯化碳等致癌物質(zhì)的生成量。
2.4 對嗅味的去除效果
　　觀測期間，當(dāng)測定溫度t=40 ℃時，Ⅰ系統(tǒng)濾后水嗅閾值為4，而Ⅱ系統(tǒng)濾后水嗅閾值竟達(dá)70。混合出廠水脫氯前的嗅閾值為24，脫氯后的嗅閾值為17，表明KMnO ₄除嗅效果很好。我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“無異臭”約相當(dāng)于嗅閾值為5～8，由此可見KMnO4預(yù)氧化出廠水能符合標(biāo)準(zhǔn)，并在實際運(yùn)行中達(dá)到市民滿意。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

　　高錳酸鉀市場售價為9000元/t，氯氣的售價為3200元/t。東水廠實際運(yùn)行中采用濾前和濾后兩點加氯，總加氯量為4.0g/m³，其中濾前為2.5g/m3，濾后為1.5g/m³。采用 高錳酸鉀預(yù)氧化后，加氯量可減至1.0g/m³。按供水量為10×10⁴m³/d計算，則采用預(yù)氯化耗費(fèi)為1280元/d，采用高錳酸鉀預(yù)氧化耗費(fèi)為770元/d，可節(jié)約制水成本510元/d或18.62萬元/a。可見，選用高錳酸鉀預(yù)氧化代替預(yù)氯化的設(shè)想是完全可行的。

4 建議

　　① 雖KMnO4的除藻率較高(76%左右)，但氯化消毒后出廠水的藻類仍在(500～1000)×10⁴個/L范圍，故該廠應(yīng)在現(xiàn)有處理流程的基礎(chǔ)上，把平流沉淀池改為可切換交替運(yùn)行的浮沉池，既能消除原沉淀池的配水不均，又能在季節(jié)性的高藻期采用氣浮工況，有效去除藻類，以避免堵塞濾池，保證出廠水水質(zhì)。
　　② 雖然目前高錳酸鉀預(yù)氧化替代預(yù)氯化解決了水廠的燃眉之急，但通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較和從長遠(yuǎn)來看，采用具有高效吸附能力的活性炭與高錳酸鉀聯(lián)用方能較徹底地解決大浪淀水庫日益嚴(yán)重的微污染和富營養(yǎng)化問題。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］ 李鏡明，蔣海濤.富營養(yǎng)化水源的給水除臭技術(shù)［J］.中國給水排水，1994，10(1)：33-37.

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　　電　話：(0431)5627048
　　收稿日期：2001-08-07