高錳酸鉀/粉末活性炭與常規(guī)工藝聯(lián)用對高藻水凈化的研究

謝美萍，顏 勇

（揚州自來水有限責(zé)任公司，江蘇揚州 225000）

1 引言

近年來，水體富營養(yǎng)化所引起的藻類問題越來越嚴(yán)峻[1,2]，藻類的大量繁殖對常規(guī)水處理工藝有著很大的影響：天然水體中的藻類本身帶負(fù)電，并且具有親水效應(yīng)、空間位阻效應(yīng)和立體效應(yīng)，藻體比重小、難于下沉；藻類代謝產(chǎn)物（如碳水化合物、肽和有機酸等）會吸附在膠體顆粒表面而增加其負(fù)電性，因此具有較高的穩(wěn)定性，同時藻類代謝產(chǎn)物也會與水中金屬離子絡(luò)合，穿透濾池；藻類分解時釋放氣體，使處理后的粘性沉淀物易于上浮，妨礙絮體沉降[3,4]；此外，某些藻類繁殖會釋放嗅味物質(zhì)，引起飲用水感官性能的下降[5]。揚州萬福閘水源地供給揚州市第一、第三水廠原水。萬福閘水源地位于淮河入江水道瘳家溝，平時水道泄洪閘關(guān)閉主要取水長江，夏季泄洪閘門關(guān)閉期間由于水體滯留會產(chǎn)生藻類問題，藻類數(shù)量多在每升幾千萬個左右。水廠的運行實踐表明，夏季藻類問題已成為每年影響揚州日常供水的典型污染物，針對萬福閘水源閉閘期的夏季高藻問題，建立行之有效的控制技術(shù)措施，對保障供水水質(zhì)安全具有重要的現(xiàn)實意義。

高錳酸鉀（PP）具有較強的氧化性，可以氧化植物藻體內(nèi)的葉綠素，一般為葉綠素a，致使藻類因新陳代謝終止且合成蛋白質(zhì)終端而死亡，從而經(jīng)常規(guī)的混凝沉淀達(dá)到去除目的[6]。同時，高錳酸鉀與水中一些物質(zhì)能反應(yīng)生成水合二氧化錳，提高絮凝粒子濃度，有利于絮凝沉淀，并且產(chǎn)生的水合二氧化錳膠體表面積較大，可吸附于藻類表面改變其表面特性，增加比重，改善藻類的沉降性能。另有研究表明，采用高錳酸鉀凈水沒有觀察到生成對人體有毒害作用的氧化副產(chǎn)物。粉末活性炭能夠吸附部分有害的氧化中間產(chǎn)物，使出廠水更加安全可靠；同時粉末活性炭能夠還原水中剩余的高錳酸鉀，避免由于過度投加高錳酸鉀造成出水中的總錳濃度過高。本文考察高錳酸鉀和粉末活性炭預(yù)處理與常規(guī)工藝結(jié)合對高藻水的去除效果，并優(yōu)化粉末活性炭的投加位置。

2 試驗材料和方法

2.1 原水水質(zhì)

以揚州萬福閘水源地閘門關(guān)閉期間的原水作為試驗水樣，試驗期間主要水質(zhì)如表1。試驗期間原水水質(zhì)條件差，藻類較多，水中有機物含量高，富營養(yǎng)化程度高。

表1 萬福原水水質(zhì)條件Tab．1 Quality of Wanfu Raw Water

2.2 試驗內(nèi)容

靜態(tài)試驗在六聯(lián)攪拌機上進行。攪拌機采用中低速攪拌 80 min（轉(zhuǎn)速為 60 r／min），模擬水從取水口到混凝池的運行狀況；加入混凝劑后，高速攪拌30 s（轉(zhuǎn)速 200 r／min），中速攪拌 5 min（轉(zhuǎn)速為 100 r／min），低速攪拌 20 min（轉(zhuǎn)速為 30 r／min），模擬混凝狀況；靜置30 min模擬水的沉淀狀況。取沉后水的上清液檢測各項水質(zhì)指標(biāo)。

2.3 檢測內(nèi)容和方法

pH值由Mettler Toledo 320型pH計測定；濁度由Hach 2 100 N濁度儀測定；藻類計數(shù)由哈希多功能參數(shù)儀測定；CODMn由分光光度法測定；UV254由752型紫外可見分光光度計測定；NH3-N由納氏試劑光度法測定；NO2-N由氣相色譜法法測定；藻毒素由高效液相色譜法測定。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 PP／PAC與常規(guī)工藝聯(lián)用對高藻水的凈化效果

試驗工況：PP于取水口投加，PAC于混凝前投加。

試驗參數(shù)：高錳酸鉀投加量為 1．5 mg／L；粉末活性炭投加量為15 mg／L；混凝劑聚合氯化鋁投加量為 20 mg／L。

試驗結(jié)果見表2。

3．1．1 高藻期水質(zhì)特征分析

高藻期的水質(zhì)條件與平時的水質(zhì)條件相比主要表現(xiàn)為濁度高，有機物含量高，藻類數(shù)量高，同時由微囊藻產(chǎn)生的藻毒素含量較高。由藻類產(chǎn)生的濁度和藻類本身難以去除，溶解性有機物也不容易被常規(guī)工藝去除，容易對后續(xù)工藝產(chǎn)生影響，而且由微囊藻釋放的藻毒素對人體危害大，易造成水質(zhì)安全隱患，所以需考察該工藝在這幾個方面的凈化效果。

表2 PP／PAC與常規(guī)工藝聯(lián)用對高藻水的凈化效果Tab．2 Removal Effect of Algae by Conventional Process Combined with PP／PAC for High-algae Raw Water

3．1．2 PP／PAC與常規(guī)工藝聯(lián)用和單獨采用常規(guī)工藝對高藻水去除效果比較

在藻類濃度較高的高藻期，藻類的存在對萬福閘原水的濁度影響較大，在高藻期的原水濁度達(dá)到40 NTU，最重要的是，由藻細(xì)胞的產(chǎn)生的高濁度在混凝沉淀過程中很難被去除，在單獨混凝沉淀條件下濁度一度能達(dá)到10 NTU以上，直接影響水廠運行后續(xù)的砂濾以及加氯工藝。在高藻水中，藻類和濁度的去除效果是作為對高藻水去除效果的主要指標(biāo)，如表2所示，普通的混凝沉淀對于藻類和濁度的去除效果并不是很理想，而PP／PAC與常規(guī)工藝聯(lián)用相對于常規(guī)工藝來說，對藻類和濁度的去除效果均有了一個很大的提高。

高藻期原水中的有機物含量高，而且水中的溶解性有機物不容易被常規(guī)工藝去除。UV254所代表的主要是含共軛雙鍵和苯環(huán)的有機物，而且與三鹵甲烷生成勢有很好的相關(guān)性，并且還與色度，嗅味有關(guān)[8]。CODMn能夠很好的表示水中有機物的含量，通常用來評價水中有機物污染的程度。通過表2可知，PP／PAC與常規(guī)工藝聯(lián)用對于UV254和CODMn的去除效果要明顯優(yōu)于常規(guī)工藝。此外，該工藝對于NH3-N和NO2-N的去除效果也要比常規(guī)工藝好。

在高藻期，原水中的藻毒素在1．0 μg／L左右，特高藻期，其藻毒素將會超過 1．0 μg／L。如表 2所示，常規(guī)混凝沉淀對藻毒素基本沒有去除，而取水口投加1．5 mg／L的PP以及混凝前投加PAC后對藻毒素的去除率達(dá)到83．8%，去除效果明顯，主要是由于PAC吸附效果造成的，在高錳酸鉀氧化階段，對藻毒素有一定程度的去除，但其氧化性也有可能導(dǎo)致微囊藻釋放藻毒素[9]，而PAC因具有較大的比表面積，吸附能力強，而藻毒素又屬于小分子有機物，因此，對其有較好的去除作用[10]。

3.2 PAC投加對高藻水的去除效果

為探究PAC投加對高藻水去除效果的影響，分析三種工況對于高藻水的去除效果，具體藥劑投加量及位置見表3。

表3 三種工況的運行參數(shù)Tab．3 Working Parameters of Three Different Conditions

3．2．1 三種工況對混凝沉淀后的藻類去除效果

從圖1可以看出，三種工況對藻類的去除率分別為：88．59%，92．23%，90．86%，均具有較高的去除率。同時從試驗數(shù)據(jù)上還可以看出，在取水口投加 1．5 mg／L的 PP，混凝前投加 15 mg／L的 PAC時，效果達(dá)到最佳值，由于取水口投加的PP劑量以及位置都是相同，不同的是PAC的投加位置；當(dāng)都在取水口投加PP以及PAC時，兩種藥劑能夠共同氧化有機物，但是PP在氧化藻類以及有機物的同時，PAC不僅會與PP氧化有機物存在競爭關(guān)系，更重要的是PAC能夠吸附PP，降解其氧化性，影響除藻的能力[11]。因此，也正如試驗結(jié)果顯示：混凝前投加PAC要比取水口以及與混凝前共同投加PAC效果要好。

圖1 高藻期三種工況情況下對藻類的去除效果Fig．1 Removal Effect of Algae in Three Different Working Conditions

3．2．2 三種工況對混凝沉淀后濁度的去除效果

如圖2所示，三種工況在水源水質(zhì)大致相同的條件下對濁度的去除率分別為：88．26%，86．38%，85．97%；去除率穩(wěn)定在85%以上，出水濁度穩(wěn)定在5 NTU以下，最佳條件下能夠達(dá)到3 NTU左右。通過數(shù)據(jù)可知，該三組工況對濁度的去除影響沒有表現(xiàn)出與PAC的投加位置的相關(guān)性，是因為在對濁度的去除中主要通過高錳酸鉀的氧化強化混凝對濁度的去除，PAC的吸附對濁度去除很小。

圖2 高藻期三種工況情況下對濁度的去除效果Fig．2 Removal Effect of Turbidity in Three Different Working Conditions

3．2．3 三種工況對混凝沉淀后有機物的去除效果

如圖3（a）所示，三種運行工況對UV254的去除率分別為：39．78%、46．59%、43．16%；通過數(shù)據(jù)我們可以分析出，三種工況條件下對UV254的去除能力存在不同點。在取水口投加PP與在混凝前投加PAC的效果最佳，由于對有機物的去除主要是通過PAC的吸附以及PP的預(yù)氧化完成；而在PP的預(yù)氧化作用下，能夠改變有機物的特性，裂解大分子有機物，進而能被PAC高效的吸附，同時，還能夠達(dá)到強化混凝的效果。當(dāng)同時投加時，PAC的存在能吸附一部分的PP，使其氧化性能減弱[12]，因此，在取水口投加PP以及混凝前投加PAC的效果最好。

如圖3（b）所示，CODMn的去除效果也表現(xiàn)出與UV254類似的規(guī)律性，原水中的CODMn分別為：6．8，6．2，6．5 mg ／L；三種組合工藝的混凝沉淀出水CODMn值分別為 4．1，3．5，3．9 mg ／L；相應(yīng)的去除率分別為 39．71%，43．55%，40．00%；該數(shù)據(jù)的結(jié)果原因與UV254大致相同。

3．2．4 最佳工況的確定

綜合三種工況對于高藻水中藻類，濁度，有機物的去除效果，三種不同的運行工況對改善混凝沉淀的出水水質(zhì)存在一定的差異，其中在取水口投加1．5 mg／L的PP以及在混凝前投加15 mg／L的PAC的工況條件下混凝沉淀出水的水質(zhì)較其他兩種情況好，該工藝條件下對藻類、有機物的去除率也是同比最高的。故工況2為聯(lián)合工藝運行的最佳工況。

圖3 高藻期三種工況情況下對有機物的去除效果Fig．3 Removal Effect of Organics in Three Different Working Conditions

4 結(jié)論

高藻期時高錳酸鉀（PP）與粉末活性炭（PAC）預(yù)處理技術(shù)與常規(guī)工藝聯(lián)用對高藻水的去除試驗表明，當(dāng)試驗參數(shù)為在取水口投加1．5 mg／L的pp以及在混凝前投加15 mg／L的PAC，該工藝對高藻水中的藻類，藻毒素，濁度，有機物等污染物均有很好的去除效果，明顯要優(yōu)于常規(guī)工藝的去除效果。

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