飲用水處理中常用預氧化劑的種類及特點

李昂，林英姿,2，朱洋，林渙，劉根

飲用水處理中常用預氧化劑的種類及特點

李昂1，林英姿1,2，朱洋1，林渙1，劉根1

（1. 吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林 長春 130118； 2. 吉林建筑大學松遼流域水環境教育部重點實驗室，吉林 長春 130118）

傳統凈水工藝主要處理水中懸浮物、膠體、大顆粒物質，對于溶解性有機物去除十分有限，由于飲用水標準的不斷提高，對溶解性有機物的去除成為傳統工藝提標改造的主要內容，預氧化技術是提高水源水中溶解性有機物去除率的有效技術手段之一，本文介紹了水處理工藝中常用的預氧化劑種類、優缺點及其適用的水質。

預氧化；微污染水源；溶解性有機物

自19世紀以來，混凝、沉淀、過濾、消毒常規水處理工藝[1-2]仍被世界上大多數水廠采用，微污染水源水中有大量溶解性有機物存在，但常規工藝對溶解性有機物的去除能力有限[3-4]，由于這些物質的存在，給后續混凝處理工藝造成了一定的困難，同時嚴重影響了水質。微污染水源水在進行后續消毒時會產生諸如三氯甲烷（THMS）、鹵乙酸（HAAS）、鹵乙腈（HANS）、三氯硝基甲烷（CP）以及溴酸鹽等諸多的消毒副產物（Disinfection By-product），這些消毒副產物大多為“三致”物質。大量的溶解性有機物進入到管網中也會被管網中的細菌等微生物利用，造成管網水質污染，嚴重影響飲水安全。因此，原水中溶解性有機物的去除是水質提升的關鍵所在，預氧化技術對于溶解性有機物的氧化降解有較好的效果，是水質提標改造的有效技術之一。常用的預氧化劑主要有如下幾種：

1 高錳酸鉀

高錳酸鉀是目前廣泛使用的預氧化劑之一，在水中有機物可以與高錳酸鉀發生直接作用和間接作用，高錳酸鉀在水中形成的二氧化錳可以對水體中的有機物產生吸附和催化作用，因此高錳酸鉀可以有效提高混凝對地表水中溶解性有機物的去除[5]。相比對溶解性有機物的去除，高錳酸鉀更常用于殺藻，當水體呈現堿性時效果尤其出色，投加量僅需0.6 mg/L就可以去除90%的藻類[6]。此外當水中為弱酸性時，高錳酸鉀的高錳酸根氧化作用可以在水中發生歧化反應，生成的二氧化錳沉淀可以起到去除錳離子的作用，在pH大于5時鐵離子可以被高錳酸鉀迅速氧化，但當水中含有較高的溶解性有機物時，鐵會與富里酸等溶解性有機物絡合，從而影響到高錳酸鉀對鐵的去除率[7]。由于高錳酸鉀本身具有顏色，所以當繼續加大投加量時，出水的濁度會有上升。

2 臭氧

從19世紀起就有人用臭氧來處理飲用水,在世界上約有3 000余個水廠利用臭氧凈化飲用水。用臭氧處理還可以起到殺菌消毒作用，是一種綠色的氧化、殺菌藥劑[8]。臭氧可以氧化多種物質，尤其是水中的鐵、錳等金屬離子。在同時存在鐵、錳離子時臭氧會優先氧化鐵離子。所以鐵離子會迅速被臭氧消耗掉。因此在水源中同時含有鐵、錳離子時低濃度的臭氧會導致錳離子被氧化的較少，單純臭氧預氧化處理可能會導致錳離子超標。這種情況在處理地下水時較為常見。但是臭氧相比高錳酸鉀而言，臭氧對水體中pH并不敏感。在各個范圍的pH臭氧都有較好的氧化效果。在污水處理中臭氧分解后會產生氧氣，還會起到對水體的曝氣作用，這對硝化反應起到了一定程度的促進作用，有利于污水的脫氮性能。

當臭氧與活性炭連用時，臭氧可以起到對水中氨氮的降解作用，在臭氧的氧化作用下，氨氮被氧化為硝酸鹽氮，而硝酸鹽氮可以被附著在活性炭濾池或是普通砂濾池中的微生物通過代謝作用去除[9]。

臭氧的預氧化強化混凝作用是近幾年的熱點研究方向，臭氧對源水的助凝作用已經得到了很多學者的認可[10-11]。研究表明，在低劑量的臭氧投加量時，臭氧的助凝作用相對明顯，而投加量過高反而會引起濁度的提高。預氧化劑的投量對于不同水質有著不同的最佳劑量。原水的TOC、UV254、硬度以及混凝劑投加量、混凝劑種類都對其助凝效果有著不同影響[12]。

臭氧更廣泛的作用是用于除藻，在歐美一些國家，臭氧被廣泛應用于除藻。由于臭氧的強氧化性，藻類先被裂解，在被殺死后，氧化的藻類可以很容易被后續處理設施去除。隨著臭氧投加量的增加，臭氧對藻類的去除效果也隨之提高，有文獻記載在投加量達到7.6 mg/L時，臭氧的破藻率可以達到90%[13]。臭氧還有著其他氧化劑所無法比擬的作用，就是臭氧可以消除藻類破解后產生的有嗅的代謝產物，但與臭氧助凝作用類似，臭氧的除藻效率受藻類的大小、性狀以及表面性質的限制而有著不同效率[14]。

3 過氧化氫

過氧化氫在水中分解為水和氧氣，且過氧化氫可以與水任意比混合，化學性質也比較穩定，在適當的存放條件下可以長時間保存。采用過氧化氫預氧化最大的優點就是過氧化氫不會引入新的雜質，過氧化氫本身不具有腐蝕性，也有利于長途運輸。過氧化氫的氧化性相比臭氧較弱，高于高錳酸鉀和二氧化氯，可通過直接氧化作用與水中的有機物發生反應，過氧化氫常常與亞鐵離子配合使用組成芬頓試劑，在聯用時擁有更強的氧化作用，過氧化氫與亞鐵離子組成的芬頓試劑已經擁有一百余年的歷史，在環?；?、衛生醫療多個領域都有應用[15]。一定劑量的過氧化氫可以降低水體中的濁度[16]，過氧化氫是一種成本適中、較為環保的預氧化劑。

4 高鐵酸鉀

高鐵酸鉀預氧化是近幾年國內外研究熱點，由于高鐵酸鉀中六價鐵的存在，使得高鐵酸鉀具有較強的氧化性[17]，在使用高鐵酸鉀氧化時，不會引入任何有毒有害物質。并且在加入高鐵酸鉀后，三價鐵離子可以起到絮凝作用,所以說高鐵酸鉀集氧化、絮凝、助凝、吸附、消毒功能于一體。

在微酸性條件下，高鐵酸鉀的絮凝和氧化效果發揮最佳，高鐵酸鉀釋放出的三價鐵離子可以有效發揮其絮凝作用，同時六價高鐵離子的氧化作用可以起到對水中有機物的有效降解，高鐵酸鉀可以破壞例如腐殖酸類的酚羥基團，同時產生的高價正電荷產物可以中和有機物表面電荷，從而使得水中有機物含量大大下降，這種作用也使得藻類與有機物形成的絮體減少，從而便于藻類被去除，使混凝效果提高[18]。

與高鐵酸鉀去除有機物的機理相似，高鐵酸鉀對濁度也有相當強的去除效果，通過高鐵酸鉀的氧化性和助凝作用，在高鐵酸鉀的氧化作用和氫氧化鐵的協同作用下，有機物膠體的表面保護層被破壞，氫氧化鐵吸附微小顆粒，逐漸變成較大的顆粒，最后膠體脫穩，較大的絮體得以沉淀，濁度得以去除。

高鐵酸鉀相比其他預氧化劑氧化水體，不會產生“三致”物質，同時因為其集氧化、絮凝、助凝、吸附、消毒功能于一身。所以是一種很有發展潛力的預氧化劑。

5 氯

作為最早的水處理預氧化方法，其特點是不需要額外增加設備，同時因為我國大多數水廠采用氯消毒，所以預氯化也不需要額外采購新藥劑，所以預氯化是應用最為廣泛的氧化方法。預氯化是指在常規工藝處理之前先投加液氯或次氯酸鈉，通過氯的氧化作用可以去除一部分有機物，同時也可以先去除一部分細菌和抑制藻類的滋生。預氯化的特點是成本低，預氯化后在水中形成的次氯酸具有強氧化性，并且能生成羥基自由基，其氧化性更具優勢。有文獻記載，當以次氯酸鈉作為預氧化劑時，可以相比常規工藝去除21.78%的UV254，對水中的TOC也有一定的去除效果[19]。但當原水中的有機物含量較高時，預氯化的處理效果就不甚樂觀，而且由于預氯化在水中產生的余氯會與消毒副產物前體物質生成有害的例如三氯甲烷等“三致”物質，所以預氯化相比其他預氧化手段對消毒副產物的控制較差。

6 二氧化氯

二氧化氯預氧化不同于氯的預氧化，二氧化氯預氧化很少產生三氯甲烷、氯乙腈、氯乙醛、氯乙酸等具有“三致”毒性的消毒副產物，近年來得到重視。利用二氧化氯預氧化可以與水中特定的有機物進行反應，所以因為二氧化氯的氧化選擇性，采用二氧化氯預氧化很少產生消毒副產物，二氧化氯對藻類也有相當明顯的去除效果[20-23]。二氧化氯對嗅味和色度的去除效果一般[24]，對于有機物的去除效果也比高錳酸鉀預氧化略差[25]，二氧化氯對濁度的去除率僅為20%[26]。

7 應用展望

高錳酸鉀作為預氧化劑在我國水廠已使用多年，應用廣泛，但高錳酸鉀因為其本身帶有色度，所以在投加后會造成感觀性狀指標提高，過量投加高錳酸鉀還有可能引起水質錳含量超標；臭氧的設備和管理費用較高，采用臭氧預氧化會提高投資成本，增加設備運行管理難度，當水中含有溴離子時，臭氧投加會產生溴代消毒副產物，溴代消毒副產物的毒性比傳統的三氯甲烷、氯乙腈、氯乙酸的毒性要高，同時臭氧對有機物的氧化選擇性也比較高，對一些特殊的有機物無法被完全礦化，因此臭氧常常與過氧化氫和紫外連用來增強氧化效果；采用預氯化同樣會產生消毒副產物的顧慮；二氧化氯預氧化雖然產生消毒副產物較少，但二氧化氯對色度和嗅味的去除效果十分有限；高鐵酸鉀不穩定，不便于運輸和儲存，生產方法較為復雜，成本較高，尋求經濟穩定的高鐵酸鉀制備方法，是推廣高鐵酸鉀應用的前提條件。因此探索一種預氧化劑和其他手段聯合的預氧化組合工藝、預氧化消毒組合工藝，利用幾種預氧化劑的優勢互補是未來去除水中溶解性有機物的有效途徑之一。

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Types and Characteristics of Common Preoxidants in Drinking Water Treatment

11,2,1,1,1

（1. School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Jianzhu University, Jilin Changchun 130118, China; 2. Key Laboratory of Songliao Aquatic Environment of Ministry of Education, Jilin Jianzhu University, Jilin Changchun 130118, China）

Traditional water purification process is mainly used to remove suspended solids, colloids and large particles in water; the soluble organic matter removal is hardly achieved by the traditional water purification process. Due to the continuous improvement of drinking water standard, the removal of dissolved organic matter has become the main content of the traditional technology upgrade, preoxidation technology is one of the effective technologies to improve the removal rate of the water soluble organics. In this paper,types of pre-oxidant commonly used in water treatment process were introduced as well as the advantages and disadvantages and application.

oxidation; micropolluted water source; dissolved organic matter

北方地表水預氧化消毒組合工藝對藻毒素MC-LR的控制及消毒副產物生成的影響研究，項目號：JJKH20180576KJ; 北方城市給水管網水力模型優化研究，項目號：2015279; 吉林省合流制污水處理設施雨天排放標準的研究，項目號：2019-15。

2019-12-19

李昂（1994-），男，碩士研究生，吉林省長春市人，研究方向：從事飲用水處理相關方面研究。

TQ031.7

A

1004-0935（2020）01-0057-04