高锰酸钾/粉末活性炭与常规工艺联用对高藻水净化的研究

2015-03-16谢美萍

净水技术 2015年1期

谢美萍，颜勇

（扬州自来水有限责任公司，江苏扬州 225000）

1 引言

近年来，水体富营养化所引起的藻类问题越来越严峻[1,2]，藻类的大量繁殖对常规水处理工艺有着很大的影响：天然水体中的藻类本身带负电，并且具有亲水效应、空间位阻效应和立体效应，藻体比重小、难于下沉；藻类代谢产物（如碳水化合物、肽和有机酸等）会吸附在胶体颗粒表面而增加其负电性，因此具有较高的稳定性，同时藻类代谢产物也会与水中金属离子络合，穿透滤池；藻类分解时释放气体，使处理后的粘性沉淀物易于上浮，妨碍絮体沉降[3,4]；此外，某些藻类繁殖会释放嗅味物质，引起饮用水感官性能的下降[5]。扬州万福闸水源地供给扬州市第一、第三水厂原水。万福闸水源地位于淮河入江水道瘳家沟，平时水道泄洪闸关闭主要取水长江，夏季泄洪闸门关闭期间由于水体滞留会产生藻类问题，藻类数量多在每升几千万个左右。水厂的运行实践表明，夏季藻类问题已成为每年影响扬州日常供水的典型污染物，针对万福闸水源闭闸期的夏季高藻问题，建立行之有效的控制技术措施，对保障供水水质安全具有重要的现实意义。

高锰酸钾（PP）具有较强的氧化性，可以氧化植物藻体内的叶绿素，一般为叶绿素a，致使藻类因新陈代谢终止且合成蛋白质终端而死亡，从而经常规的混凝沉淀达到去除目的[6]。同时，高锰酸钾与水中一些物质能反应生成水合二氧化锰，提高絮凝粒子浓度，有利于絮凝沉淀，并且产生的水合二氧化锰胶体表面积较大，可吸附于藻类表面改变其表面特性，增加比重，改善藻类的沉降性能。另有研究表明，采用高锰酸钾净水没有观察到生成对人体有毒害作用的氧化副产物。粉末活性炭能够吸附部分有害的氧化中间产物，使出厂水更加安全可靠；同时粉末活性炭能够还原水中剩余的高锰酸钾，避免由于过度投加高锰酸钾造成出水中的总锰浓度过高。本文考察高锰酸钾和粉末活性炭预处理与常规工艺结合对高藻水的去除效果，并优化粉末活性炭的投加位置。

2 试验材料和方法

2.1 原水水质

以扬州万福闸水源地闸门关闭期间的原水作为试验水样，试验期间主要水质如表1。试验期间原水水质条件差，藻类较多，水中有机物含量高，富营养化程度高。

表1 万福原水水质条件Tab．1 Quality of Wanfu Raw Water

2.2 试验内容

静态试验在六联搅拌机上进行。搅拌机采用中低速搅拌 80 min（转速为 60 r／min），模拟水从取水口到混凝池的运行状况；加入混凝剂后，高速搅拌30 s（转速 200 r／min），中速搅拌 5 min（转速为 100 r／min），低速搅拌 20 min（转速为 30 r／min），模拟混凝状况；静置30 min模拟水的沉淀状况。取沉后水的上清液检测各项水质指标。

2.3 检测内容和方法

pH值由Mettler Toledo 320型pH计测定；浊度由Hach 2 100 N浊度仪测定；藻类计数由哈希多功能参数仪测定；CODMn由分光光度法测定；UV254由752型紫外可见分光光度计测定；NH3-N由纳氏试剂光度法测定；NO2-N由气相色谱法法测定；藻毒素由高效液相色谱法测定。

3 试验结果与讨论

3.1 PP／PAC与常规工艺联用对高藻水的净化效果

试验工况：PP于取水口投加，PAC于混凝前投加。

试验参数：高锰酸钾投加量为 1．5 mg／L；粉末活性炭投加量为15 mg／L；混凝剂聚合氯化铝投加量为 20 mg／L。

试验结果见表2。

3．1．1 高藻期水质特征分析

高藻期的水质条件与平时的水质条件相比主要表现为浊度高，有机物含量高，藻类数量高，同时由微囊藻产生的藻毒素含量较高。由藻类产生的浊度和藻类本身难以去除，溶解性有机物也不容易被常规工艺去除，容易对后续工艺产生影响，而且由微囊藻释放的藻毒素对人体危害大，易造成水质安全隐患，所以需考察该工艺在这几个方面的净化效果。

表2 PP／PAC与常规工艺联用对高藻水的净化效果Tab．2 Removal Effect of Algae by Conventional Process Combined with PP／PAC for High-algae Raw Water

3．1．2 PP／PAC与常规工艺联用和单独采用常规工艺对高藻水去除效果比较

在藻类浓度较高的高藻期，藻类的存在对万福闸原水的浊度影响较大，在高藻期的原水浊度达到40 NTU，最重要的是，由藻细胞的产生的高浊度在混凝沉淀过程中很难被去除，在单独混凝沉淀条件下浊度一度能达到10 NTU以上，直接影响水厂运行后续的砂滤以及加氯工艺。在高藻水中，藻类和浊度的去除效果是作为对高藻水去除效果的主要指标，如表2所示，普通的混凝沉淀对于藻类和浊度的去除效果并不是很理想，而PP／PAC与常规工艺联用相对于常规工艺来说，对藻类和浊度的去除效果均有了一个很大的提高。

高藻期原水中的有机物含量高，而且水中的溶解性有机物不容易被常规工艺去除。UV254所代表的主要是含共轭双键和苯环的有机物，而且与三卤甲烷生成势有很好的相关性，并且还与色度，嗅味有关[8]。CODMn能够很好的表示水中有机物的含量，通常用来评价水中有机物污染的程度。通过表2可知，PP／PAC与常规工艺联用对于UV254和CODMn的去除效果要明显优于常规工艺。此外，该工艺对于NH3-N和NO2-N的去除效果也要比常规工艺好。

在高藻期，原水中的藻毒素在1．0 μg／L左右，特高藻期，其藻毒素将会超过 1．0 μg／L。如表 2所示，常规混凝沉淀对藻毒素基本没有去除，而取水口投加1．5 mg／L的PP以及混凝前投加PAC后对藻毒素的去除率达到83．8%，去除效果明显，主要是由于PAC吸附效果造成的，在高锰酸钾氧化阶段，对藻毒素有一定程度的去除，但其氧化性也有可能导致微囊藻释放藻毒素[9]，而PAC因具有较大的比表面积，吸附能力强，而藻毒素又属于小分子有机物，因此，对其有较好的去除作用[10]。

3.2 PAC投加对高藻水的去除效果

为探究PAC投加对高藻水去除效果的影响，分析三种工况对于高藻水的去除效果，具体药剂投加量及位置见表3。

表3 三种工况的运行参数Tab．3 Working Parameters of Three Different Conditions

3．2．1 三种工况对混凝沉淀后的藻类去除效果

从图1可以看出，三种工况对藻类的去除率分别为：88．59%，92．23%，90．86%，均具有较高的去除率。同时从试验数据上还可以看出，在取水口投加 1．5 mg／L的 PP，混凝前投加 15 mg／L的 PAC时，效果达到最佳值，由于取水口投加的PP剂量以及位置都是相同，不同的是PAC的投加位置；当都在取水口投加PP以及PAC时，两种药剂能够共同氧化有机物，但是PP在氧化藻类以及有机物的同时，PAC不仅会与PP氧化有机物存在竞争关系，更重要的是PAC能够吸附PP，降解其氧化性，影响除藻的能力[11]。因此，也正如试验结果显示：混凝前投加PAC要比取水口以及与混凝前共同投加PAC效果要好。

图1 高藻期三种工况情况下对藻类的去除效果Fig．1 Removal Effect of Algae in Three Different Working Conditions

3．2．2 三种工况对混凝沉淀后浊度的去除效果

如图2所示，三种工况在水源水质大致相同的条件下对浊度的去除率分别为：88．26%，86．38%，85．97%；去除率稳定在85%以上，出水浊度稳定在5 NTU以下，最佳条件下能够达到3 NTU左右。通过数据可知，该三组工况对浊度的去除影响没有表现出与PAC的投加位置的相关性，是因为在对浊度的去除中主要通过高锰酸钾的氧化强化混凝对浊度的去除，PAC的吸附对浊度去除很小。

图2 高藻期三种工况情况下对浊度的去除效果Fig．2 Removal Effect of Turbidity in Three Different Working Conditions

3．2．3 三种工况对混凝沉淀后有机物的去除效果

如图3（a）所示，三种运行工况对UV254的去除率分别为：39．78%、46．59%、43．16%；通过数据我们可以分析出，三种工况条件下对UV254的去除能力存在不同点。在取水口投加PP与在混凝前投加PAC的效果最佳，由于对有机物的去除主要是通过PAC的吸附以及PP的预氧化完成；而在PP的预氧化作用下，能够改变有机物的特性，裂解大分子有机物，进而能被PAC高效的吸附，同时，还能够达到强化混凝的效果。当同时投加时，PAC的存在能吸附一部分的PP，使其氧化性能减弱[12]，因此，在取水口投加PP以及混凝前投加PAC的效果最好。

如图3（b）所示，CODMn的去除效果也表现出与UV254类似的规律性，原水中的CODMn分别为：6．8，6．2，6．5 mg ／L；三种组合工艺的混凝沉淀出水CODMn值分别为 4．1，3．5，3．9 mg ／L；相应的去除率分别为 39．71%，43．55%，40．00%；该数据的结果原因与UV254大致相同。

3．2．4 最佳工况的确定

综合三种工况对于高藻水中藻类，浊度，有机物的去除效果，三种不同的运行工况对改善混凝沉淀的出水水质存在一定的差异，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的工况条件下混凝沉淀出水的水质较其他两种情况好，该工艺条件下对藻类、有机物的去除率也是同比最高的。故工况2为联合工艺运行的最佳工况。