高錳酸鉀對(duì)污水中有機(jī)污染物去除效果研究★

王志勇，王 晶，馮文彥，刁偉錚

(1.山東招金膜天股份有限公司,山東 煙臺(tái) 265400; 2.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,全球水資源嚴(yán)重短缺和污染,污水是水環(huán)境主要污染源,也是水資源的重要補(bǔ)充,污水的資源化利用可以大大緩解水資源的壓力,改善水環(huán)境,意義十分重大。重復(fù)利用是解決水資源短缺的重要途徑,其根本出路在于大規(guī)模利用。而大規(guī)模的污水重復(fù)利用,又離不開管渠的輸送。管渠既可以作為污水輸送的載體,又可以作為污水處理的反應(yīng)器。在城市用水中,大規(guī)模污水資源化利用以城市污水處理廠二級(jí)處理水為水源,經(jīng)三級(jí)處理后供用戶使用[1-2]。城市污水處理廠通常位于城市下游,用戶距離城市污水廠的距離比較遠(yuǎn),需要利用輸水管渠將再生水輸送到用戶。輸水管渠具有充足的時(shí)間和空間以及較好紊動(dòng)條件,管道還具有較高的壓力條件,是很好的反應(yīng)器[3]。

預(yù)氧化技術(shù)是在水處理前端投加氧化劑以強(qiáng)化常規(guī)水處理工藝的水處理技術(shù),具有投資小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。氧化劑能夠?qū)λ形廴疚锂a(chǎn)生氧化、催化和吸附作用,從而起到很好的強(qiáng)化混凝和氧化助凝的效果,以達(dá)到提高對(duì)水體中污染物的去除效率。高錳酸鉀氧化技術(shù)可有效去除水中微量有機(jī)污染物、降低色/嗅和抑制藻類繁殖等,且該技術(shù)選擇性良好,氧化過程不會(huì)產(chǎn)生鹵代副產(chǎn)物[4-5],其投加與監(jiān)測(cè)均很方便。本文以水廠二級(jí)處理出水為對(duì)象,以再生利用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo),研究在輸水管道前端投放高錳酸鉀氧化劑,通過試驗(yàn)對(duì)有機(jī)污染物、濁度、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的去除效應(yīng)進(jìn)行比較,探索摻混空氣高錳酸鉀預(yù)氧化試驗(yàn)對(duì)管道中有機(jī)污染物的去除效果,為大規(guī)模污水資源化利用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案與裝置

試驗(yàn)原水取自某生態(tài)住宅小區(qū)污水二級(jí)處理出水,該水水質(zhì)滿足管道處理前水質(zhì)要求,達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)?zāi)M管道密閉容器容積為60 L,按照空氣和中水一定的比例加入中水,并按照中水量加入高錳酸鉀藥劑,保持高錳酸鉀濃度為4.5 mg/L,且充分?jǐn)嚢杈鶆颉Ｕ麄€(gè)試驗(yàn)裝置緩慢間歇性旋轉(zhuǎn),模仿中水在管道中流動(dòng)的狀態(tài)。在不同摻氣比不同反應(yīng)時(shí)間取樣,測(cè)定水樣的COD、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和濁度指標(biāo)數(shù)據(jù),分析管道摻氣氧化的效果。

試驗(yàn)測(cè)試方法:COD:5B-3(B)型COD快速測(cè)定儀;DO:DOS-6840型臺(tái)式溶解氧測(cè)定儀;亞硝酸氮:重氮偶氮比色法;硝酸氮:鋅鎘還原—重氮偶氮比色法;氨氮:納氏試劑法;濁度:723型濁度儀。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

2 效果試驗(yàn)結(jié)果及其分析

通過試驗(yàn)?zāi)M管道摻氣氧化,確定設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中所采用的預(yù)氧化劑高錳酸鉀能夠和水中具有還原性的無機(jī)物和有機(jī)物發(fā)生有效反應(yīng),在和水中物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí),改變水中有機(jī)物、膠體顆粒、微生物表面結(jié)構(gòu)或改變金屬離子的電荷,從而促進(jìn)混凝現(xiàn)象產(chǎn)生[6]。為了了解不同摻氣比對(duì)中水中各項(xiàng)指標(biāo)的影響,對(duì)25%,20%,15%,10%,5%五種不同摻氣比的水樣,分別在30 min,60 min,90 min時(shí)取樣,進(jìn)行測(cè)量,得到其COD、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和濁度各指標(biāo)含量的變化,從而分析探索管道摻氣氧化的效果、機(jī)理和設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù),進(jìn)而進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)[7-9]。

2.1 COD的去除效果

不同摻氣比時(shí)CODcr去除率變化見圖2。

由圖2可知,對(duì)于不同的摻氣比例,CODCr去除率的變化趨勢(shì)明顯不同:

1)當(dāng)摻氣比為20%時(shí),CODCr值明顯降低,最大降幅可達(dá)24.9%。說明此條件下CODCr可以從60 mg/L降低至45 mg/L,這就滿足了再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),可以作為管道摻氣氧化技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)的一項(xiàng)試驗(yàn)依據(jù)。

2)當(dāng)摻氣比為15%時(shí),CODCr值下降不明顯,降幅只有5%左右。當(dāng)摻氣比為5%,10%和25%時(shí),CODCr值不僅沒有降低反而增加了。這就更加突出了20%摻氣比時(shí)反應(yīng)的去除效果。

不同反應(yīng)時(shí)間CODcr去除率變化見圖3。

由圖3可知,不同反應(yīng)時(shí)間下CODCr去除率的變化曲線趨勢(shì)一致,但90 min時(shí)20%的摻氣量條件下CODCr去除效果極其明顯,CODCr最大去除率達(dá)到24.9%。

綜上所述,管道摻氣氧化試驗(yàn)研究中最佳摻氣比為20%,最佳反應(yīng)時(shí)間為90 min。

2.2 氨氮的去除效果

不同摻氣比時(shí)氨氮量變化見圖4。

由圖4可知,不同摻氣比對(duì)氨氮含量影響無明顯規(guī)律,由于反應(yīng)復(fù)雜,氨氮含量時(shí)而增加時(shí)而減少,試驗(yàn)中出現(xiàn)的氨氮最大去除率也不到15%,可知高錳酸鉀預(yù)氧化對(duì)氨氮去除效果不是很顯著。要說明的是在摻氣比為20%,反應(yīng)時(shí)間為90 min時(shí),氨氮含量由初始的16.22 mg/L增加到了21.70 mg/L,增幅達(dá)到了34%。

2.3 硝酸鹽氮的去除效果

不同摻氣比硝酸鹽氮的去除效果見圖5。

由圖5可知,摻氣比為5%時(shí),NO3-N濃度變化不大;摻氣比10%～20%時(shí),NO3-N去除率隨摻氣比的增加而增加;摻氣比為20%時(shí),NO3-N的去除率最大,達(dá)到25%;摻氣量為25%,NO3-N去除率反而減小,NO3-N減少的反應(yīng)速度明顯比其他摻氣量時(shí)快,60 min達(dá)到最大,并保持穩(wěn)定。

可見,摻氣比是NO3-N去除的重要影響因素,20%時(shí)NO3-N去除率最大,達(dá)到25%,因此20%摻氣比對(duì)NO3-N去除有明顯效果。

2.4 亞硝酸鹽氮的去除效果

不同摻氣比的亞硝酸鹽氮值見表1。

表1 不同摻氣比的亞硝酸鹽氮值 mg/L

從表1數(shù)據(jù)可以看出,隨著時(shí)間的延續(xù),各摻氣比的亞硝酸鹽氮(NO2-N)含量均有增加。當(dāng)摻氣比20%時(shí),NO2-N的增幅普遍高于其他摻氣比,最大增幅25.8%;當(dāng)摻氣比5%和10%時(shí),NO2-N隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增加;摻氣比15%,20%,25%時(shí),NO2-N 30 min最大,之后隨反應(yīng)時(shí)間的增加而緩慢減少。

可見,摻氣比是NO2-N增加的重要影響因素,20%時(shí)NO2-N增幅普遍高于其他摻氣比,最大達(dá)到25.8%,20%摻氣比對(duì)NO2-N的增加影響較大。

2.5 濁度的去除效果

不同摻氣比的濁度值見表2。

表2 不同摻氣比的濁度值

從表2數(shù)據(jù)可以看出,在不同的摻氣比下,濁度都有增加,且90 min內(nèi)增加值保持不變。由于試驗(yàn)用的中水取水批次不同,原水水質(zhì)不同,在反應(yīng)后濁度的變化不同,所以不同摻氣比時(shí)濁度增加的幅度有所不同。而同一批次的中水,濁度的變化基本相同。因此得知,摻混空氣高錳酸鉀預(yù)氧化試驗(yàn)對(duì)濁度的去除沒有效果。若要去除原水中的濁度,還需要其他方法,后續(xù)加其他處理工藝。

3 高錳酸鉀催化效果

在自然條件下,觀察原水靜置24 h后的指標(biāo)變化情況,如表3所示。

表3 原水靜置24 h的變化情況

可見,在自然條件下各指標(biāo)的濃度幾乎不變,各種反應(yīng)速度都非常緩慢。如果高錳酸鉀只與有機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng),理論上CODCr降低1 mg/L需要消耗6.581 mg/L高錳酸鉀;本試驗(yàn)投加4.5 mg/L高錳酸鉀,CODCr只能降低0.68 mg/L,去除率為1.1%。試驗(yàn)結(jié)果圖2和圖3表明,摻氣比為15%和20%時(shí),COD去除率為3%～25%,均大于1.1%;摻氣比為5%,10%和25%時(shí),COD不降反增。試驗(yàn)結(jié)果圖5和表1表明,NO3-N和NO2-N也發(fā)生了明顯的變化。可見,高錳酸鉀催化了多種反應(yīng)過程。

對(duì)25%,20%,15%,10%,5%五種不同摻氣比的水樣,分別在30 min,60 min,90 min取樣,進(jìn)行測(cè)量,DO變化情況如圖6所示。

由圖6可知,溶解氧(DO)在0 min～30 min的時(shí)間內(nèi)急速上升,在30 min～90 min的時(shí)間內(nèi)曲線趨于平緩,變化幅度較小,基本保持在6 mg/L～8 mg/L之間,從而得出:

1)高錳酸鉀的存在提高了氧的溶解速度,在30 min之內(nèi)迅速溶解達(dá)到飽和。2)提高了飽和溶解氧的濃度。3)就氧的溶解而言,摻氣比5%已經(jīng)足夠,提高摻氣量并不能進(jìn)一步提高飽和溶解氧濃度,相反,飽和溶解氧濃度具有隨摻氣比增加而減小的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用管道摻氣氧化試驗(yàn)分析了不同摻氣比下高錳酸鉀對(duì)污水中有機(jī)污染物的去除效果研究,得出以下結(jié)論:

1)模擬輸水管道中加高錳酸鉀4.5 mg/L,摻氣比15%和20%時(shí),COD明顯降低,最大降幅24.9%,滿足再生水標(biāo)準(zhǔn);NO3-N明顯減少,最大降幅25%;NO2-N升高,升高的絕對(duì)數(shù)值不大,但百分?jǐn)?shù)較高,最大升幅25.8%;對(duì)濁度和NH3-N的去除效果不明顯。

2)摻氣比對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)變化的影響規(guī)律各異,但摻氣比20%對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)都有明顯影響;對(duì)COD的去除,最佳摻氣比為20%。

3)反應(yīng)時(shí)間對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)變化的影響較大,對(duì)COD的去除,90 min時(shí)去除效果達(dá)到最佳;對(duì)其他項(xiàng)目,均有在90 min出現(xiàn)折點(diǎn)的趨勢(shì)。

4)在高錳酸鉀存在的情況下溶解氧參與了化學(xué)氧化反應(yīng),其促進(jìn)了氧的溶氧速度,提高了溶解氧濃度,提高了氧化效果。

此外,高錳酸鉀氧化技術(shù)也存在一些不足,后續(xù)可將其與其他工藝相聯(lián)用,以達(dá)到更好的強(qiáng)化去除效果,拓寬高錳酸鉀在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用[10-11]。