凈水工藝對錳的去除特性

葛紹陽+王先鵬

摘要：采用高碘酸鉀分光光度法對總錳與可溶態錳進行了測定，研究了錳元素在凈水處理過程的去除特性。結果表明：在各處理單元中，高錳酸鉀預氧化可將原水中近60%的可溶態錳氧化成顆粒態；高密池對顆粒態錳的脫穩沉淀起主要作用，去除率高達85%以上；砂濾過程對可溶態錳的去除作用微乎其微。當原水進水總錳濃度在0.3 mg/L時，出水總錳濃度僅為0.01 mg/L，總去除率為90%。

關鍵詞：地表水；錳污染；去除特性

中圖分類號：X524

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0040-03

1 引言

錳（Mn）是地殼的主要組成元素。由于含錳礦物質的侵蝕與滲入，天然水體中廣泛含有錳元素[1，2]。據調查結果顯示，我國含錳地下水占地下水總量的20%，主要集中在長江中下游地區和松花江流域[3]。全國有18個省市地區的地下水錳含量超標，錳污染現象日趨嚴重。當錳含量超過0.3mg/L時，能使水產生異味，并會導致因慢性中毒而引發的多種疾病[4]。相比于地下水，地表水體溶解氧含量較高，低價錳易被氧化成高價形態并沉降下來，因此，地表水體錳濃度一般不會過高。

然而，近年來，隨著人口的增長和經濟的發展，我國先后發現了幾個大的地表水系不同程度地受到了錳的污染，如長江水系中四川及重慶斷面地表水錳濃度高于0.1mg/L限值[5]；浙江臺州長潭水庫取水口處錳含量為0.75mg/L[6]；曲靖市獨木水庫錳含量為0.4mg/L，并呈逐年上升趨勢[7]；黑龍江全境五大流域錳含量均超標，其中最嚴重的嫩江超標率高達12.8倍[8]。因此，對于以地表水作為水源的水廠，面臨錳污染的風險越來越嚴重。通過對合肥某水廠原水及其各處理單元進出水進行采樣分析，系統地考察了錳元素在凈化處理過程中的去除特征，并結合水廠自身特性提出地表水錳污染控制建議，以期為同類水廠的運行管理提供經驗借鑒與技術支撐。

2 實驗材料與方法

2.1 試驗用水

大房郢水庫是合肥地區的重要水源地，常年水質良好，滿足《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）三類水體質量標準要求。水廠設計采用預氯化+高密池+砂濾處理工藝如圖1所示，但由于溫度等因素變化，水庫水體會出現季節性錳超標現象。為了保障供水水質，水廠在取水頭部增設高錳酸鉀預氧化系統，實現原水中可溶態錳的強化去除，其目前運行的處理工藝如圖2所示。

向經過高錳酸鉀、次氯酸鈉相繼氧化的原水中投加混凝劑聚合鋁鐵和助凝劑聚丙烯酰胺，實現在混凝、沉淀和過濾過程中高效去除水中懸浮、膠體類顆粒物，出水經消毒處理由市政管網送至用戶。為使水廠處理工藝更低耗、高效的運作，課題組于2016年8～9月對水廠各單元進出水進行了連續取樣分析，考察了錳元素在水處理過程中的遷移轉化特征與去除特性。

2.2 試驗方法

水樣使用聚氯乙烯瓶采集，采集后立即用硝酸酸化至pH值<2.0，并取一定體積水樣經0.45 μm濾膜過濾，用于測定水中可溶性錳。另取50 mL樣品加入0.25 mL硝酸，將混合物蒸干至近干，加入0.5 mL硝酸和適量純水溶解殘留物質，加水定容至50 mL，測定總錳。實驗用水均為去離子水，總錳與可溶態錳使用HACH-DR/890便攜式光度計快速測定。

3 實驗結果與討論

3.1 凈化工藝對錳的總體去除效果

水廠自2010年6月出現原水錳含量突然增加后，錳超標呈現季節性變化。起初，水廠利用氯氣進行預氧化，欲去除原水中的可溶性錳。由于單純的利用氯氣進行預氧化無法迅速除錳，水廠采取高錳酸鉀與氯氣聯合預氧化強化混凝技術，結合具有高效混凝沉淀特性的高密池，以此達到水體中錳的快速去除效果。但考慮到液氯為重大危險源和氯氧化易生成副產物，現改為投加次氯酸鈉進行預氧化。結果表明，采用這種凈化工藝極大地去除了水中錳元素，使出水遠達到《生活飲用水標準》所規定的小于0.1 mg/L的要求，保障了人們的飲用水安全。如圖3所示，已知水廠3 d運行所投加的高錳酸鉀平均投加量均為0.5 mg/L。當進水總錳濃度為0.3 mg/L時，濾后出水總錳濃度可迅速降至0.01 mg/L，平均去除率為93%。隨著進水總錳濃度的降低，經凈化處理過后的出水總錳濃度也呈現下降趨勢。由圖4可以看出，原水中的可溶態錳經過聯合氧化后迅速降低，得到極大去除，平均去除率可達60%。同時，當高錳酸鉀平均投加量均為0.5 mg/L，隨著原水總錳含量增多，去除效率卻越低。與之相反的是，可溶態錳濃度越高，去除效率越高。

綜上所述可知，常規凈水工藝對水中錳的去除效果很弱，尤其是可溶性錳，僅可去除水中懸浮態錳及部分吸附在黏土顆粒和膠體顆粒上的錳[9]，采用高錳酸鹽預氧化后，將水中大部分可溶態錳轉化成顆粒態錳，從而改善其在后續凈化工藝中的去除效率。高密池對去除水中顆粒態錳起著主要作用。

3.2 各處理單元對錳的去除特性

為了進一步探究水廠凈化工藝對錳的去除性能，作者考察了各處理單元對錳的去除效率。原水在投加高錳酸鉀后，經過管道運輸到達配水井進行水量分配，此時錳含量出現不同漲幅趨勢。由圖5可知，當進水錳濃度為0.18 mg/L時，出水錳濃度卻增加了40%，但隨著進水錳濃度的增加，出水錳濃度增長幅度逐漸下降。當進水錳濃度為0.3mg/L時，出水錳濃度僅增加了3%，這可能是由于高錳酸鉀投加過量，殘余錳含量較高[10]，或是管壁附著的含錳物質釋放進入水體中[11]，致使總錳含量不降反升。結合圖4可知原水在投加高錳酸鉀與次氯酸鈉后將水中可溶態錳轉化成顆粒態錳，使得可溶態錳含量大幅降低，有利于改善其在混凝沉淀階段的去除效率。經過高密度沉淀池的混凝沉淀作用，錳得到充分去除，平均去除率高達到了85%，出水總錳甚至低于0.05 mg/L。這不僅僅是因為高密池回流污泥增加了顆粒碰撞率[12]，更是因為之前聯合氧化很大程度上破壞了水中有機物對原水中膠體顆粒的保護作用，使得水中顆粒和膠體物質含量增多，從而促進混凝和沉淀過程的進行[13，14]。過濾單元對于錳去除貢獻度僅次于混凝沉淀。當濾前進水錳濃度為0.03 mg/L時，出水錳濃度低至0.01 mg/L。同時，隨著濾前進水錳含量增加，過濾效果也明顯增強。研究表明，這可能是水中殘余錳在濾層表面形成有效的含錳吸附層-二氧化錳，強化了對錳的吸附去除作用，并且與濾料表面形成錳氧化物的時間與穩定性有關[15]。

4 結論

通過對錳元素在水庫取水口的縱向濃度分布及凈水工藝中的遷移轉化特征，對比評價了各處理單元對錳的去除性能，得出以下主要研究結果。

高錳酸鉀預氧化強化混凝除錳技術具有良好的除錳效果，將水中可溶態錳快速轉化成顆粒態錳，去除率高達60%，提高了后續凈化工藝的除錳效率。運用具有高效混凝沉淀性能的高密池，極大地提升了凈化工藝抵抗錳污染的處理負荷，對顆粒態錳的脫穩沉淀和部分可溶態錳的吸附去除起到主要作用。砂濾處理單元是保證錳得到有效去除的最后屏障，對顆粒態錳的氧化截留作用不可忽略，但對可溶態錳的去除效果不明顯。

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