微污染水处理的实验研究

1. 简介
　　随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对于饮用水的质量更加关心。与此同时，由于工农业发展所带来的对环境污染问题已使部分城市的供水水源受到不同程度的污染，使供水公司面对被微污染水源的挑战，需要采取对策，以保证向城市供应安全合格的饮用水。因此，对微污染水处理的研究，目前大家甚是关注。
　　微污染水是指饮水水源受到主要是有机物污染，使部分指标超过饮用水源的卫生标准。有机污染物来源一部分是属于天然的有机化合物，主要是水中动、植物分解而形成的产物如腐殖酸等。其余是人工合成的有机物，主要是来自工业、生活污水和农业排水等。这类水的特征是：
　　1，在江河水源上表现为氨氮，总磷，色度，有机物等指标高于生活饮用水源卫生标准。
　　2，在湖泊水库水源上，表现为水库和湖泊水体的富营养化，并在一定时期藻类滋生，造成水质恶劣，一部分指标超过标准。
　　这种情况给常规水处理工艺下带来的问题是混凝效果不好，水处理困难，用常规的氯消毒方法使处理后的饮用水有色、味， 此外水中有机物和氯作用生成的有机卤化物，危及人体健康。
　　为了解决微污染水给净水处理所带来的困难，过去通常用原水预氯化处理的方法来破坏胶体、氧化有机物为无机物或小分子有机物以使混凝效果改善从而达到水净化的目的。但是由于在源水中大量加氯所产生的三氯甲烷类对人体致癌的潜在危险，因此，目前普遍已认识到应当尽量减少在净水工艺中氯的用量。国外发达国家在近10余年通过研究，已普遍采取在常规处理工艺前增加生物予处理，与臭氧代替预氯处理和在常规处理工艺后增加活性炭过滤（或生物慢滤池）的深度处理，以使净化处理后的水更为安全可靠。我们国家由于经济条件的限制，大部分水厂都是采取常规水处理工艺。因此，中国的供水公司，除了吸收国外的经验外，也正在积极寻求适合我国现在状况的处理技术与措施。
　　天津是中国的四个直辖市之一，市中心区供水系统有五个水厂，总能力2030000 立方米/日。水厂的水源是从234公里以外的滦河潘家口水库引来，水源水质较好，只是轻度污染。但是由于存在污染，使引水线路上的中间水库富营养化发展，导致季节性藻类繁殖，严重影响水厂处理和处理后的水质。
　　在藻类高发季节，原水的特征表现：
　　1，水的耗氧量高可达10－12 mg/l，是一般季节的3－4倍。
　　2，水的pH值增高，可达8.5－9.0
　　3，z电位高
　　4，叶绿素测定值高，一般在20mg/l ,最高可达90 mg/l。
　　为了保证供水水质，天津自来水公司一般也是采用预氯化的措施，通过增加对原水处理前投氯量，用氯破坏水中胶体，抑制藻类。
　　为了寻求更好的含藻水的解决办法，天津自来水公司通过试验，对利用高锰酸钾替代预氯化进行了试验研究，得出了一些试验结论，下面分别进行讨论。
2.预高锰酸钾法
　　2.1 实 验
　　2.1.1 我们在天津新开河水厂，于夏季进行了采用高锰酸钾替代氯氧化的试验。源水的水质列于表1。试验时用FeCl3作为混凝剂，取其最佳量10mg/l，在装有1升水样的烧杯中加入不同剂量的高锰酸钾作混凝试验，以100 转/分快速搅拌3分钟，然后以40 转/分搅拌7分钟静置沉降10分钟后取上清液测细菌总数，CODmn，余浊。
　　2.1.2 取高锰酸钾的特征吸收波长520nm，该波长下的吸光度可以反映高锰酸钾浓度变化情况。首先作高锰酸钾浓度的标准曲线，在5个烧杯中分别投入0.05mg/L，1.0mg/L，1.5mg/L，2.0mg/L，2.5mg/L的高锰酸钾。反应一定时间后，测其吸光值，从而可得到高锰酸钾投加量与剩余量之间的关系。
　　2.1.3 取1，2，3，4，号烧杯，每隔0.5h向每个烧杯中投加1mg/L的高锰酸钾，待最后一个烧杯加入高锰酸钾后，立即测其吸光度，可得到高锰酸钾随时间变化的衰减曲线。
　　2.2. 结果与讨论
　　2.2.1 高锰酸钾对水中有机物的影响（氧化助凝作用）
　　从图1,2中可以看出，细菌总数随KMnO4投量的增加呈下降的趋势。CODMn的去除率增大。高锰酸钾投量大于3mg/L时，曲线趋于平缓。即使投量再增加，曲线变化也不明显，这表明高锰酸钾对水中有机物有明显的去除作用，曲线趋于平缓是由于高锰酸钾对水中有机物基本作用完全而致。
表1 试验时的水质变化情况

高锰酸钾 （mg/L）	0	1	2	3	4
三氯化铁（mg/L）	30	20	20	20	20
余浊（ntu）	6.25	4.75	4.25	3.80	4.25
余浊去除率（%）	58.3	68.3	71.2	74.7	71.6
残余 CODmn	6.92	6.22	5.72	5.52	5.13
CODmn去除率(%)	34.1	40.8	45.5	47.4	51.4
源水水质	CODmn=10.5,温度=9.5C0,浊度=15ntu

　　图3是表示高锰酸钾对滦河水混凝效果的影响，很明显可以看出对于各种混凝剂KMnO4投量为1mg/L时，余浊降至最低，KMnO4投量增加时，余浊又趋于升高，这可能是由于过量的高锰酸钾导致产生粉红色，而颜色的产生又会影响到浊度的测定，类似的趋势从表1中可以反应出来，表1中的高CODmn水样采自天津大学青年湖，需矾量为20mg/L，远远高于滦河水。可见有机物的存在增加了水中胶体的稳定性。单投FeCl3混凝剂浊度下降的幅度为58.3%，随着KMnO4投量的增加，浊度继续下降，当KMnO4为3mg/L时，达到了最佳值，浊度降至最低，除浊率由单投FeCL3的58.3％提高到74.7%，而后随着KMnO4投入量的增加，余浊度又有回升。这是由于KMnO4过多溶液中出现过量Mn2+造成的色度，这些色度的本身影响了浊度的测定，而且过量的Mn2+在后续处理设备中难以完全去除。因此，高锰酸钾只有在合适的投量时才具有明显的助凝作用。这一投量随源水水质不同而变化，见表2。
表2 不同源水水质的高锰酸钾合适投量

	滦河水	松花江水	天津大学	Center Hill	Masion & Moberly水库
			青年湖水	水库水	水厂一	水厂二
温度(0C)	22-27	10-12	9.5	19.0	25.0	28.0
浊度（ntu)	27-40	200	15	0.6-87	10-12	2-4
CODmn(mg/l)	3.1-5.8	10.5	10.5	-	-	-
TOC(mg/l)	3.5-7.0	8.0	-	-	-	-
PH	8.0-9.2	7.8	7.9	6.8-9.4	8.0-8.2	7.6-7.8
总硬度(mg/l)	127-147	-	-	38-105	80-90	110-120
总碱度（mg/l)	102-110	100	-	40-90	95-100	120-130
高锰酸钾最佳投药量(mg/l)	1	8	3	1-2	2	2

　　2.2.2 高锰酸钾投加量与剩余量的关系
　　图4是KMnO4投加量与剩余量的关系曲线，从图中显见，当KMnO4与水样的接触时间为一定值时，不同浓度的KMnO4溶液与水中有机物相互作用，其消耗量基本相同，这表明高锰酸钾的消耗量主要取决于有机物浓度，投入高锰酸钾越多，剩余的高锰酸钾越多，对于天津的滦河水而言高锰酸钾与水中有机物作用消耗量在0.45～0.5mg/L之间，即试验中水样所需高锰酸钾为0.45～0.5 mg/L，但值得注意的是高锰酸钾投量为0.5mg/L时，根据水样所需高锰酸钾量其剩余量应接近0 mg/L。（ 图4中虚线部分），然而实际剩余量为0.25 mg/L（图中实线部分）。这是由于高锰酸钾投量过低时它于水中有机物反应缓慢所至，高锰酸钾投量加大后由于MnO2的产生对氧化反应产生了催化作用，国际上一些学者研究表明：KMnO4投量低于1 mg/L时对有机物影响不大，这与本试验结果观点一致。
　　2.2.3 高锰酸钾的接触时间与剩余量之间的关系
　　KMnO4与水中有机物的接触时间又是一个重要参数，图5是不同接触时间下KMnO4消耗量的曲线，可以看出，高锰酸钾与水样接触时间越长，消耗量越多，而当时间达到某一定值时，再延长接触时间，消耗量变化不大。对于滦河水而言，接触时间应为1小时，此时，高锰酸钾的浓度为原来的一半，再延长时间，曲线趋于平缓，所以说，在现有工艺条件下合理地采用高锰酸钾与水的接触时间，有利于高锰酸钾充分发挥作用。
　　2.2.4 高锰酸钾对三氯甲烷的影响
　　有些专家对高锰酸钾代替预氯化时THMs的形成进行监测，结果示于表3，很显然，利用高锰酸钾法生成的THMs比预氯化要少的多。
表3 THMs 生成量比较（国外〕

水处理方法	源水投加	处理后水投加	Masion & Moberly水库3 天后THMs 生成量
			水厂一（mg/l)	水厂二（mg/l)
预氯化	CL2	CL2	152	177
预高锰酸钾	KMnO4	CL2	87	114

　　天津对利用高锰酸钾替代预氯化后对三氯甲烷的形成进行了类似的实验，模拟实际的水处理工艺，在水样中加氯进行预处理，然后投加混凝剂，混合、絮凝、沉淀，在沉淀后的上清液中加氯以模拟最终的消毒工艺，水样恒温放置24小时后测卤代烃浓度，其它水样以高锰酸钾取代加氯。其余处理步骤同上。结果见表4。试验表明：在一定的投量下，预高锰酸钾后再对处理后水进行最终氯消毒可以使卤代烃的生成量较大幅度的降低。
表4 THMs 生 成 量 比 较（天津）

水 处 理 方 法	源水投药量	处理后水投氯量	处理水后 THMs 生 成 量
	湖水	滦河水	湖水	滦河水	湖水（mg/l)	滦河（mg/l)
源水预氯化＋最终氯消毒	CL2(6mg/l)	Cl2(4mg/l)	CL2(2mg/l)	57.8	25.3
源水预锰酸钾＋最终氯消毒	KMnO4(2mg/l)	KMnO4(1mg/l)	CL2(2mg/l)	25.2	13.3