强化混凝组合工艺处理微污染水源水研究*

陆强张天爽卢晓辉王群

（1.中建二局安装工程有限公司 北京100010； 2.西南交通大学地球科学与环境工程学院 成都610031）

强化混凝组合工艺处理微污染水源水研究*

陆强1张天爽1卢晓辉2王群2

（1.中建二局安装工程有限公司 北京100010； 2.西南交通大学地球科学与环境工程学院 成都610031）

采用静态烧杯实验考察了强化混凝组合工艺解决某水厂出水CODMn、色度及铝含量超标的问题。结果表明 ，高锰酸盐与次氯酸钠联合预氧化，配合使用少量黏土、粉末活性炭混合物强化混凝，可以在氯化物不超标的情况下，使出水CODMn、色度及铝含量得到有效控制。

高锰酸钾 次氯酸钠 预氧化 强化混凝 微污染水

0 引言

江苏某地水厂的水源为长江下游支流地表水 ，该水源在6～9月份出现季节性污染。在这一阶段，水厂进水的CODMn质量浓度维持在6mg／L左右，色度高达40左右，嗅味强烈，而浊度一般在10 NTU以下，pH为8.3左右。该水厂为保证出水达标且稳定，大量投加聚合氯化铝（PAC）（35～65mg／L），效果较差，同时，出水铝含量出现超标现象。这是因为原水浊度较低，使得混凝形成的絮体细小松散 ，难沉淀，容易出现“跑矾花”现象。而该水受到较为严重的有机物污染，水中胶体表面的电荷密度相对较大，也难以脱稳［1］。因此，即使大量投加PAC也无法取得较好的混凝效果，反而造成了出水铝含量超标的问题。

预氧化技术可以有效去除天然有机物、嗅味及色度等，提高后续工艺的处理效率。常用的氧化剂有臭氧、液氯、高锰酸钾及次氯酸钠等。臭氧预氧化技术成本高，控制管理较为繁琐，而对于液氯及高锰酸钾 ，前期实验考察采用液氯及单独高锰酸钾氧化工艺对该水源水进行预处理，发现效果较差，同时出水氯化物量超标。因此，笔者探索了调整pH，KMnO4与高铁酸盐联用，KMnO4与次氯酸钠联用进行预氧化，并配合使用黏土及粉末活性炭混合物，以期在出水铝含量不超标的情况下，提高CODMn、嗅味和色度的去除效果。

1 试验材料与方法

1.1 材料与仪器

主要采用的试剂有盐基度为 70%的 PAC（10%）、盐基度为85%的PAC（10%）、粉末活性炭、黏土，以上材料均取自水厂。除此之外，六水合氯化铁（FeCl3·6H2O，99%）、次氯酸钠（NaClO，5.2%）及高锰酸钾（99.5%），购自国药试剂集团；高铁酸盐由次氯酸盐氧化法制备［2］，试验所用溶液均采用超纯水（电阻率18.2MΩ·cm）配制。水样取自该水厂进水口，相关水质指标如表1所示。

表1原水水质指标

主要用到的仪器有pH计、六联电动搅拌器、磁力搅拌器、分析天平、Hach浊度仪。

1.2 试验方法

反应在室温下进行，整个试验反应温度为22～ 24℃。前期试验结果表明，混凝过程中搅拌强度及搅拌时间对处理效果有一定影响。本课题选取最佳反应参数组合进行后续研究。在六联搅拌器上设定相应程序，相应的试验步骤如图1所示。

图1 静态混凝烧杯试验流程

其中，氧化剂主要为高锰酸钾、高铁酸盐及次氯酸钠。当需要调整pH时，使用1mol／L HCl及NaOH来调整反应液的初始pH。

2 结果与讨论

2.1 原水初始pH对出水水质的影响

原水的初始pH值影响着PAC中Al存在的形态，从而影响PAC成核、絮体的生成及破碎再生能力［3］。pH较低时，PAC主要以单体铝的形态存在，pH升高会导致具有更高电荷的多聚物出现，从而影响着PAC的电中性黏结架桥能力［4］。不同初始pH下，经过质量浓度为0.6mg／L的KMnO4预氧化及质量浓度为20 mg／L、盐基度为70%的聚合氯化铝混凝后得到的出水水质如表2所示。

表2 原水初始pH对出水水质指标的影响

如表2所示，原水初始pH对CODMn、氨氮、浊度及铝含量均有一定的影响。在pH为7.0时，出水中CODMn、氨氮及浊度均最低 ，相应的去除率分别为19.39% ，41.3% ，79.6%。3组实验出水色度无差异，均为15。同时，pH越高，Al－溶出量也越大。从表2也可以看出，pH在7.0与7.53时得到的出水水质基本无差异，两者均好于pH为8.15时的出水水质。PAC在中性条件下容易水解生成大量的Al（OH）3，易于成核生成絮体，促进有机物、浊度的去除。此时溶解态的铝含量也较低，出水残留铝可以得到有效的控制。随着pH的提高 ，Al（OH）3会进一步水解生成带负电荷的偏铝酸根离子，不但不利于带负电荷的有机物去除，也会导致水中铝含量的提高［5－6］。

2.2 高锰酸盐与高铁酸盐联用预氧化对出水水质的影响

调整pH虽然可以较好地控制出水铝含量，但对有机物的去除仍较差。大量研究表明，高铁酸盐与高锰酸盐均能够达到较好的预氧化效果［7－8］。而高锰酸盐与高铁酸盐对水体污染物均有一定的选择性，因此本文对比考察了单独高锰酸盐、单独高铁酸盐及高锰酸盐与高铁酸盐联用预氧化对出水水质的影响，单独氧化时，高锰酸盐与高铁酸盐投加量均为0.8mg／L；两种氧化剂联合氧化时，高锰酸盐与高铁酸盐投加量均为0.4mg／L，盐基度为70%的PAC投加量为20 mg／L。实验过程：使用HCl将反应液pH调至7.53，再按照图1所示先加高锰酸盐，再投加高铁酸盐，最后使用PAC进行混凝，结果如表3所示。

表3不同氧化剂预氧化对出水水质指标的影响

从表3可以看出，高锰酸盐与高铁酸盐联合预氧化对CODMn与浊度的去除效果最好，然而单独高锰酸盐预氧化对氨氮的去除效果最好。3种出水铝质量浓度均为0.066mg／L左右。3组试验对色度的去除效果相似 ，出水色度均为11。高铁酸盐氧化有机物产生Fe3＋，Fe3＋在水中与OH－反应，生成Fe（OH）3胶体－沉淀物，容易吸附部分污染物质，形成絮体，产生助凝效果［9］。高锰酸盐氧化有机物原位生成MnO2，MnO2在水中一方面容易团聚成核，能够促进絮体生成，增大絮体尺寸，另一方面也能够催化高锰酸钾氧化有机物［1，10］。

2.3 黏土与粉末活性炭强化混凝对出水水质指标的影响

本文还对比考察了黏土、粉末活性炭及黏土粉末活性炭质量比1∶1混合物对原水强化混凝的效果。高锰酸盐投加量为0.8mg／L，强化混凝药剂（即黏土、粉末炭或黏土粉末炭）的投加量为20mg／L，盐基度为70%的PAC投加量为20mg／L，结果如表4所示。

从表4看出，加入黏土强化混凝后的CODMn、氨氮及色度等指标反而比不加黏土时差，这可能是由于黏土中杂质溶入了反应水体。在这3种药剂中，粉末活性炭的强化混凝效果最好，使CODMn、氨氮、浊度及色度的去除率分别达到了31.27%，66.67%，71.84% ，71.43% ，这是因为活性炭能够较好地吸附有机物、氨氮等。使用黏土与粉末炭质量比1∶1混合物强化混凝对各水质指标的去除效果与粉末活性炭强化混凝相差不大。虽然其中出水氨氮质量浓度超过了规定的0.5mg／L，但水厂运行时后续还有加氯工艺，根据以往的实验数据可以看出，出水中氨氮质量浓度均可控制在0.2mg／L以下。因此，根据经济原则，可以选用黏土活性炭混合物对混凝工艺进行强化。

表4黏土及粉末活性炭强化混凝效果对比

2.4 强化混凝组合工艺对出水水质指标的影响

采用高铁酸盐与高锰酸盐联合预氧化虽然具有一定的前瞻性 ，但由于高铁酸盐是一种较不稳定的氧化剂，很容易自分解失去效用，这便给水厂实际运用带来了较大的操作困难。同时，上述预氧化方式的处理效果也不是很好。为贴合水厂运用的实际情况，本文进一步探索采用高锰酸盐与次氯酸钠联合进行预氧化，同时采用黏土与粉末活性炭混合物进行强化混凝，以期在成本可行的条件下，获得更好的污染物去除效果，高锰酸盐、次氯酸钠、黏土活性炭、PAC、FeCl3质量浓度分别为0.8，2.52，10，20，5 mg／L，结果见表5。

表5强化混凝组合工艺对原水处理情况

从表5中前2组试验得知，在反应温度为24℃，pH为8.16条件下，单独使用盐基度为85%的PAC进行混凝时，表观上可见絮体细小散乱，静沉后无法得到絮体沉淀，而水体浑浊；使用质量浓度为5 mg／L的FeCl3进行助凝，表观上观察发现絮体较大，沉降速度快，水体清亮。该组出水CODMn质量浓度仅为3.45 mg／L，去除率达到了43.63%，而出水色度、浊度、氨氮及铝含量等指标也得到了有效的控制，同时，出水氯化物质量浓度为206 mg／L，低于标准规定的250mg／L。从表5中最后3组实验可知，试验工艺中高锰酸钾、次氯酸钠和黏土活性炭同时使用时效果最佳，3种药剂不可或缺。高锰酸钾的使用可以去除有机物、色度等，同时也可降低出水中氯化物及消毒副产物的生成量，次氯酸钠对有机物和氨氮的去除效果较好，而黏土活性炭不但可以降低原水浊度，也可以吸附部分有机物，对有机物、浊度和色度的去除具有良好的作用。经过计算，上述强化混凝组合工艺使用的水处理药耗成本较现有工艺所用水处理剂成本低25.16%。

综上所述，使用盐基度为85%的PAC及FeCl3代替盐基度为70%的PAC进行混凝是该水厂控制出水铝含量的较好的方法。使用高锰酸钾与次氯酸钠联合预氧化，并使用黏土活性炭强化混凝，不仅能够降低药耗，也可以进一步提高CODMn、色度及氨氮等指标的去除效果。

3 结语

（1）将原水pH调整至7.53以下，有利于促进CODMn、浊度等指标的去除，而出水铝质量浓度也可以控制在0.1mg／L以下。但由于调整pH涉及加酸加碱，酸碱量也随着原水pH变化而变化，由此需要建立pH实时反馈装置，成本较大。

（2）高铁酸盐与高锰酸盐联合预氧化对CODMn和浊度的去除效果优于单独高铁酸盐氧化或是单独高锰酸盐氧化。

（3）使用黏土和粉末活性炭混合物可以在控制成本的同时强化对原水的混凝效果。黏土活性炭的加入可以提高浊度，促进絮体的生成；同时也可以吸附部分有机污染物，促进对有机物的去除。

（4）使用高锰酸盐和次氯酸钠联合预氧化，配合使用黏土和粉末活性炭混合物强化混凝，并采用盐基度为85%的PAC混凝及少量FeCl3助凝，可以有效降低CODMn、浊度、色度及氨氮等指标。同时，出水氯化物量及铝含量也可以得到有效控制。

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Study on Treatment of Micro－polluted Raw Water by Enhanced Coagulation

LU Qiang1ZHANG Tianshuang1LU Xiaohui2WANG Qun2
（1.China Construction Second Bureau Installation Engineering Co.，Ltd.Beijing100010）

Enhanced coagulation processwas investigated to solve theover standard problemsof CODMn，colourity and aluminium using static beakerexperiments.The resultsshowed that theabove indexes could be controlled effectivelywithout the over standard of chloridewhen potassium permanganate and sodium hypochlorite were used as oxidants，combined with the mixture of clay and powdered activated carbon to enhance coagulation.

KMnO4NaClO pre－oxidation enhanced coagulation micro－polluted raw water

王群，男，1980年生，博士，副教授，硕士生导师，国外多个期刊的审稿人，主要从事饮用水安全保障技术、高级氧化技术及污水处理技术研究。

2015－10－27）

国家自然科学基金（51378141），水体污染控制与治理科技重大专项（2009ZX07424－005－02），水的深度处理与资源化利用重点实验室课题研究（PS13H05），国家大学生创新性实验计划（201510613015）。