高锰酸钾及高铁酸钾预氧化及Al13 对低温低浊水的混凝效果

齐敦哲，余 磊，肖 寒，徐 慧

(1. 宁夏宁东水务有限责任公司，宁夏银川 640100;2. 中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京

100085)

宁东水厂处于宁东能源化工基地，水源水是黄河水，黄河水经过常规的混凝、沉淀、过滤、消毒等工艺由输水管网输送到基地各用户端。宁东水厂冬季水源水呈现明显的低温低浊的性质，常规水处理过程不能达到水厂出水的要求。

高锰酸钾作为一种强氧化剂，广泛应用于水处理工艺中，它可以较大程度地去除原水中的藻类、嗅味等;而且还原形成的新生态二氧化锰具有“凝核”作用，可以明显提高絮凝和沉淀效果。本文采用静态烧杯试验和动态中试、生产性试验相结合的方法，研究宁东黄河水高锰酸钾预氧化的助凝效果，为进一步解决冬季低温低浊水处理困难提供帮助［1-3］。

高铁酸钾可以快速杀灭水中的细菌和病毒，且不会生成次级衍生物等。当pH ＜7.50 时，高铁酸钾稳定性明显下降，在微酸性条件下很快分解，放出氧气，并析出具有高度吸附活性的无机絮凝剂Fe(OH)3［4-8］。与其他氧化剂(二氧化锰、高锰酸钾、重铬酸钾)相比，使用高铁酸钾做助凝剂无重金属二次污染。高铁酸钾的净化机理是由于高铁离子在被还原生成Fe3+过程中，经历了一系列由六价到三价带有不同电荷的中间态，因而表现出独特的处理效果。为了提高水厂在冬季低温低浊条件下水厂的运行效果，考察了高铁酸钾预氧化作用对改善出水水质的影响。

在以往的试验中发现，高碱化度的PAC 中含有较多的有效成分Alb，处理低温低浊水时具有较好的混凝效果。针对高碱化度的PAC，本研究提纯了混凝剂中的有效成分Alb，希望在冬季低温低浊水运行时能够提高浊度等指标的去除率。结果表明提纯后的Al13在处理低温低浊水时具有明显的优势，在pH降低到7.7 时效果更明显。

1 试验方法与装置

1.1 水厂水源水质

冬季宁东黄河水处于低温低浊期，其水质情况如表1 所示。

表1 黄河水水质情况Tab.1 Water Quality of Yellow River

试验中使用的PAC 为宁东水厂常规使用混凝剂，取一定量AlCl3固体置于烧杯中，加入定量蒸馏水，搅拌下缓慢加入碳酸钠粉末至预定碱化度，静置熟化24 h，得到用于提纯的PAC。然后取一定量的PAC 与等体积、相同浓度的硫酸钠溶液混合反应24 h，用滤纸进行过滤，将沉淀用去离子水冲洗若干次后转入25.0 mL 比色管中，按一定比例与适宜浓度的硝酸钡混合，超声反应4.0 h 后离心分离，得到本次试验所用Al13。经Ferron 测定结果获得的Al13纯度较为满意，如表2 所示。

表2 Ferron 表征Al13结果Tab.2 Characterization of Al13 by Ferron

1.2 试验装置

本试验分烧杯搅拌试验和中试试验两部分。其中中试系统的设计流量为2.5 m3/h，中试试验装置如图1 所示。中试装置长为3.0 m、宽为0.60 m、总深度为0.60 m。在设计流量下各段G 值，T 值以及流速等如表3 所示。

表3 中试装置的设计参数Tab.3 Design Parameters of Pilot Test

水源水经过第一步快速搅拌后，使得药剂和水样得到初步混合，通过絮凝池的絮凝作用后进入后面的沉淀区。装置如图1 所示。

图1 中试装置示意图Fig.1 Schematic of Experimental Equipment

1.3 试验方法

六联搅拌装置的运行程序:加混凝剂后以200 r/min 搅拌90 s，此为混凝过程快速混合阶段;接下来以40 r/min 搅拌10 min，此为絮体缓慢生成阶段;最后沉降30 min，从距离水面2 cm 处取水样测试各项指标。

2 试验结果与讨论

2.1 高锰酸钾最佳投加量和投加方式的确定

A:在混凝剂投加之前投加高铁酸钾(0.40 mg/L，0.80 g/L)、高锰酸钾(0.50 mg/L、1.00 g/L)，然后快速搅拌(以300 r/min 搅拌5 min)后加入混凝剂PAC 进行混凝。

B:高铁酸钾、高锰酸钾与PAC 同时投加。

C:投加PAC 后慢速搅拌5 min 再加入高铁酸钾、高锰酸钾等氧化剂。

利用高锰酸钾、高铁酸钾的氧化助凝作用来氧化地表水中的有机物，需要合理确定高锰酸钾、高铁酸钾投加量。氧化剂的最佳投加量既要达到对地表水的助凝作用，又要考虑氧化剂本身的色度给水质处理带来的影响。若投入氧化剂过多，则可能存在出水Mn、Fe 超标的问题。投加方式对浊度和UV254的去除效果如图2、图3 所示。

图2 高铁酸钾投加量与投加方式对浊度和UV254去除效果的影响Fig.2 Effects of Different Dosage and Dosing Method on Removal of Turbidity and UV254 using Potassium Ferrate

图3 高锰酸钾投加量与投加方式对浊度和UV254去除效果的影响Fig.3 Effects of Different Dosage and Dosing Method on Removal of Turbidity and UV254 using Potassium Permanganate

当PAC 投加量一定时，高铁酸钾和高锰酸钾先于PAC 投加对浊度和UV254的去除效果最好，其次是同时投加，二者后于PAC 投加效果最差。这可能是因为氧化剂先于PAC 投加可以与胶体表面的有机物发生反应，破坏胶体颗粒表面的有机涂层，起到压缩双电层的作用，提高混凝效果。以高锰酸钾为例，当氧化剂与PAC 同时投加或后于PAC 投加时，由于PAC 已经完成压缩双电层和电性中和作用，使得高锰酸钾产生的部分新生态二氧化锰没有成为混凝剂的絮凝核心，从而减低了去除效果，影响了混凝作用。

2.2 高铁酸钾、高锰酸钾预氧化时间的确定

氧化剂先于混凝剂投加，以300 r/min 快速搅拌，预氧化时间为2、5、10、20、30 和40 min，PAC 投加量为16.0 mg/L，高铁酸钾的投加量为0.80 mg/L，高锰酸钾的投加量为0.50 mg/L，试验结果如图4、图5 所示。

图4 高铁酸钾预氧化时间对混凝效果的影响Fig.4 Effects of Pre-Oxidation Time on Coagulation Performance using Potassium Ferrate

图5 高锰酸钾预氧化时间对混凝效果的影响Fig.5 Effects of Pre-Oxidation Time on Coagulation Performance using Potassium Permanganate

由图4、图5 可知两种混凝剂的预氧化时间为5到10 min 时混凝效果最好，时间过长或过短都会对混凝效果产生影响。预氧化时间过短，高锰酸钾没有足够的时间与胶体表面的有机物发生反应;预氧化时间过长，氧化剂会将 =C C、 =C O 氧化为—COO—等亲水性较强的基团，增强水中有机物的亲水性，影响混凝效果。在接下来的小试试验中预氧化时间确定为10 min。

2.3 高铁酸钾最佳投加量的确定

预氧化的时间为10 min，考察不同混凝剂投加量下高铁酸钾投加量对处理效果的影响。高铁酸钾投加量分别为0、0.20、0.60、0.80、1.00 和1.20 mg/L，PAC 投加量分别为8.0、10.0、12.0、14.0、16.0 和18.0 mg/L，试验结果如图6 所示。

图6 高铁酸钾投加量对浊度去除率的影响ig.6 Effects of Dosage of Potassium Ferrate on Removal of Turbidity

由图6 可知高铁酸钾的最佳投加量为0.80 mg/L，高铁酸钾投加量过低或者过高都会使得去除率受到影响。

2.4 高锰酸钾最佳投加量的确定

预氧化的时间为10 min，考察不同混凝剂投加量下高锰酸钾投加量的影响。高锰酸钾投加量分别为0、0.20、0.50、0.80、1.00 和1.20 mg/L，PAC 投加量分别为8.0、10.0、12.0、14.0、16.0 和18.0 mg/L，试验结果如图7 所示。

由图7 可知高锰酸钾的最佳投加量为0.50 mg/L，高锰酸钾投加量过低或者过高都会使得去除率受到影响。

图7 高锰酸钾投加量对浊度去除率的影响Fig.7 Effects of Dosage of Potassium Permanganate on Removal of Turbidity

2.5 不同pH 下高铁酸钾、高锰酸钾预氧化对混凝效果的影响

取6 组1 L 水样，调节pH 分别为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 和10.0，然后投加0.80 mg/L 高铁酸钾、0.50 mg/L 高锰酸钾，在六联搅拌仪上以300 r/min搅拌10 min，再调节pH 至中性，分别投加16.0 mg/L PAC，结果如图8、图9 所示。

图8 pH 对高铁酸钾预氧化作用的影响Fig.8 Effects of pH on Pre-Oxidation using Potassium Ferrate

从以上结果可知pH 偏酸性条件时混凝效果达到最佳，pH 过高或者过低均使得混凝效果变差，在实际操作中需要调节pH 为中性时即可满足混凝效果和生产成本两方面的要求。

图9 pH 对高锰酸钾预氧化作用的影响Fig.9 Effects of pH on Pre-Oxidation using Potassium Permanganate

2.6 Al13处理低温低浊水(不调节pH)过程

本部分试验选择两种混凝剂，清水源生产的PAC 与试验时提纯的Al13，混凝剂投加量分别为8.0、10.0、12.0、14.0、16.0 和18.0 mg/L。试验结果如图10、图11 所示。

图10 PAC 与Al13对浊度的去除率Fig.10 Removal Efficiency pf Turbidity Using PAC and Al13

从以上结果可知相对于PAC 而言，Al13对浊度和UV254的去除率具有明显的提高，说明Al13对于混凝效果有明显的提高，也就是说在处理低温低浊水时高碱化度PAC(含有较高含量的Alb)将获得较好的混凝效果。

图11 PAC 与Al13对UV254的去除率Fig.11 Removal Efficiency of UV254 using PAC and Al13

2.7 中试试验研究

为了验证高锰酸钾、高铁酸钾预氧化对混凝效果的影响，选定两者的最优投加量0.80、0.50 mg/L，PAC的投加量为8.0、10.0、12.0、14.0、16.0 和18.0 mg/L。每一种试验条件均运行3 h 后从中试装置沉淀池中取沉后水测定浊度，试验结果如图12 所示。

图12 中试装置运行结果Fig.12 Results of Pilot Test

3 结论

(1)高铁酸钾、高锰酸钾预氧化剂投加方式对混凝过程具有重要的影响，高铁酸钾和高锰酸钾在PAC 前投加对浊度和UV254的去除效果最好，其次是两者同时投加，两者后于PAC 投加效果最差。

(2)两种氧化剂(高锰酸钾、高铁酸钾)的预氧化时间均为5 ～10 min 处理效果最好，过长或过短都会对混凝效果产生影响。两种氧化剂(高锰酸钾、高铁酸钾)均具有最佳的投加量，过多或者过少的投加量都会对混凝效果产生影响。pH 对氧化剂的氧化助凝效果具有重要的影响，偏酸性的条件有利于两种氧化剂的氧化作用，会获得较高的混凝效果。

(3)Al13对提高混凝剂的混凝效果具有重要的影响。

(4)经过中试装置的验证可以发现，本试验结论对于水厂在处理冬季低温低浊水具有重要的指导意义。

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