高铁酸钾预氧化处理受污染水库水

刘 伟，马　军
(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)

　　摘　要：为研究高铁酸钾对有机物含量较高原水的处理效果，进行了高铁酸钾预氧化强化混凝处理稳定性水库水的试验研究。结果表明，少量的高铁酸钾(0.5～1.0 mg/L)预氧化即可显著提高混凝效果，出水剩余浊度明显下降。水中色度、UV254和氯仿生成量等有机物综合指标均随着高铁酸钾投量的增加呈明显下降趋势。与此同时，水中铁、锰浓度也显著降低。另外，高铁酸钾预氧化可有效地去除水中细菌。
　　关键词：高铁酸钾；预氧化；混凝；剩余浊度
　　中图分类号：TU991.22
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)07-0070-04

　　高铁酸钾是一种强氧化剂，其在标准状态下的氧化势E0高达2.2 V。初期研究结果表明，高铁酸钾对低温低浊水具有显著的助凝作用^［1］，同时还具有优良的除污染^［2］和除藻效果^［3］。此次以有机物含量较高的水库水为研究对象，探讨了高铁酸钾的强化混凝效果，对硫酸铝混凝与增加高铁酸钾预氧化后的处理效果进行了比较。

1　试验过程与方法

　　静态试验在DBJ—621型六联定时搅拌器上进行。将水样转移至6个1 000 mL的烧杯中，投加一定量的高铁酸钾，以300 r/min的转速搅拌一定时间，再投加一定量的混凝剂［Al₂(SO₄)₃·18H2O］，继续以300 r/min的转速搅拌1 min，然后以60 r/min的转速搅拌10 min，静置30 min后在液面1 cm下取上清液，并进一步用中速定性滤纸(1～2 μm)过滤。对沉后及滤后水样用散射光浊度仪测定水中剩余浊度，用标准水质检测方法测定水中剩余色度和细菌总数，采用石墨炉原子吸收分光光度法测定水中铁、锰浓度。滤后水样投加5 mg/L的Cl₂,并在闭光条件下密封保存30 min，保存温度为20 ℃，然后加入过量的Na2S₂O₃以还原剩余的Cl₂，抽取一定量的水样，用气相色谱顶空法测定水样中的氯仿生成量。

2　结果分析与讨论

　　水库位于东北地区，其水源的补给由附近的河水提供。该水库水含有大量的天然有机物，COD高达35.46 mg/L。另外，补给的河水受到工业废水、生活污水的严重污染，尤其在夏季，河水的大量流入使水库污染加重。试验期间原水水质如表1所示。

表1　原水典型水质 指标 浊度(NTU) 色度(倍) 总硬度(mgCaCO₃/L) 总碱度(mgCaCO₃/L) COD(mg/L) 温度(℃) pH Fe(mg/L) Mn(mg/L) 含量 282 25 135.6 163 35.46 20 7.5 0.35 0.08

　　从高铁酸钾预氧化与单纯硫酸铝混凝对浊度去除效果的比较试验可以看出，单纯硫酸铝混凝在低投加量时剩余浊度较高，50 mg/L的硫酸铝仅使沉后浊度降到约17 NTU；投加量升高至70 mg/L时，沉后浊度才降至5 NTU，继续加大投量，沉后浊度反而有所升高。采用少量高铁酸钾预氧化可使沉后剩余浊度显著下降，剩余浊度曲线整体呈下降趋势，说明在所选的混凝剂投量范围内，高铁酸钾预氧化均具有助凝作用。此外，高铁酸钾预氧化使混凝剂的最佳投量范围有所拓宽，如1 mg/L的高铁酸钾预氧化和60 mg/L硫酸铝混凝联合作用的沉后水剩余浊度低于单独投加70 mg/L硫酸铝的剩余浊度，这说明达到相同的沉后浊度，使用高铁酸钾预氧化可以节省硫酸铝投量。该试验结果(见图1)与高锰酸钾预氧化助凝规律相近［4］，表明两种不同类型的无机氧化剂具有相似的助凝机理。滤后水剩余浊度曲线表现出同样的规律，说明高铁酸钾预氧化同样具有明显的助滤作用。试验中采用孔径为1～2 μm的中速定性滤纸过滤，滤后水浊度明显下降，表明预氧化后在混凝过程中形成的絮体易于被滤纸截留。

　　用高铁酸钾进行预氧化，会使水中引入一定量的铁，因此出水的剩余总铁浓度也是众所关心的问题。试验结果表明(见图2)，高铁酸钾预氧化不仅没有增加沉后水的总铁浓度，反而使其总铁浓度明显下降，是单纯硫酸铝混凝沉淀后总铁浓度的1/2，滤后水也表现出同样的规律，说明高铁酸钾预氧化不会使出水中铁的浓度升高，高铁酸钾被还原成难溶解的三价铁后易于被沉淀和过滤去除，同时高铁酸钾预氧化可以去除水中原来含有的铁。地表水中的铁一般具有较高的稳定性，主要是由于铁与水中有机成分络合后难于被氧化。地表水中的锰更难于氧化，锰与有机物络合后稳定性显著提高，是比较棘手的问题。图3为高铁酸钾预氧化对水中锰的去除效果。

　　　　　　

　　结果表明，高铁酸钾对水中的锰也具有显著的去除作用。单独硫酸铝混凝时，滤后与滤前水中总锰浓度没有明显变化，剩余锰浓度不随硫酸铝投量变化，说明单独硫酸铝处理对锰几乎没有去除效果。高铁酸钾预氧化能够显著提高地表水的除锰效果是该技术的一个重要特点。高铁酸钾预氧化使沉后水中锰浓度有一定程度的下降，滤后水则表现出明显的剩余总锰浓度随高铁酸钾投量的增加而下降的趋势。高铁酸钾对水中重金属离子的去除是由于其分解后产生的Fe(OH)₃胶体颗粒具有较高的吸附性［5］，被吸附的金属离子可被后续的混凝沉淀和过滤工艺去除。天然地表水中的铁、锰大部分是以与有机物络合的形式存在，Fe(OH)
3胶体颗粒可能是通过对产生络合的有机物的吸附而去除铁、锰。高铁酸钾具有强氧化性，其对多种细菌、病毒有灭活作用［5、6］。试验中发现，高铁酸钾预氧化使沉后及滤后水中的细菌总数大大降低。高铁酸钾预氧化对水中细菌总数的去除效果见图4。

　　由图4可以看出，沉后水的细菌总数随混凝剂投量的增加而呈下降的趋势。在投加量低时，高铁酸钾预氧化具有显著的灭菌作用，如硫酸铝投加量为50 mg/L时，投加1.0 mg/L的高铁酸钾使沉后细菌总数是单纯硫酸铝混凝沉淀后细菌总数的1/3。过滤后细菌总数整体下降，经预氧化后的滤后水细菌总数下降幅度远大于单纯硫酸铝处理，说明过滤强化了高铁酸钾预氧化对细菌的去除效果，进一步说明高铁酸钾产生的Fe(OH)₃胶体沉淀可以吸附细菌，若未被沉淀去除，则可被过滤截留，从而降低滤后出水的细菌总数。
　　由上述试验结果分析，高铁酸钾的助凝作用可能基于以下几方面的反应：高铁酸钾的强氧化性能破坏了水中胶体颗粒表面的有机保护层，降低了胶体颗粒之间由有机物造成的位阻现象，使之易于被混凝剂脱稳；高铁酸钾在还原过程中［即由Fe(Ⅵ)还原为Fe(Ⅲ)］有可能形成一系列带高价正电荷的水解产物，通过电中和作用使水中无机胶体脱稳，最终形成的Fe(OH)₃胶体颗粒具有较高的吸附活性，可以吸附细小的胶体颗粒或者絮体，增加了絮体的沉速。高铁酸钾预氧化使滤后剩余浊度下降，絮体尺度较单纯硫酸铝混凝有所增大，说明Fe(OH)₃胶体可能在混凝过程中起到了絮核的作用。高铁酸钾预氧化使滤后水的总锰浓度和细菌总数进一步下降也证实了Fe(OH)3胶体的吸附作用，并且对水中多种污染物具有吸附去除的效果。
　　图5为滤后水的UV254吸光度值变化规律。

　　由图5可见，高铁酸钾预氧化可使处理后水的UV254下降。波长254 nm的紫外吸光度值是难挥发性总有机碳(NPTOC)和总三卤甲烷生成势(TTHMFP)的一个良好替代参数。紫外吸光度(UVA)间接反应原水中NPTOC和TTHMFP浓度，可以用来监控生产运行或预测NPTOC和TTHMFP的去除率。另外，前人的研究结果表明，UVA与CODCr、TOC、BOD₅等具有显著的线性关系，因而通过UV254的下降趋势可以推断处理后水中有机物总量的去除规律以及氯仿生成势的降低幅度。
　　为进一步考察高铁酸钾预氧化对滤后水样氯仿生成量的控制作用，试验中将高铁酸钾预氧化与预氯化对氯仿生成量的影响进行了对比试验。结果表明，原水经预氯化后氯仿生成量明显升高，投氯量为4 mg/L时(以Cl₂计)，滤后水消毒30 min，氯仿生成量达到26.2 μg/L，是未经预氯化的一倍。高铁酸钾预氧化后，滤后水消毒30 min的氯仿生成量随高铁酸钾投量的增加呈现下降趋势，5 mg/L 的高铁酸钾预氧化使滤后水的氯仿生成量降低至6.6 μg/L的低水平，说明高铁酸钾可以有效地去除水中的氯仿前质。高铁酸钾预氧化可能改变了水中氯仿前质的结构，或者是高铁酸钾被还原后产生的Fe(OH)3胶体通过沉淀吸附去除了部分氯仿前质，因而使氯化消毒后的氯仿生成量下降(见图6)。

　　高铁酸钾预氧化对水中有机物的去除作用也是高铁酸钾预氧化对该种稳定性的水库水具有明显助凝作用的重要原因之一。

3　结论

　　烧杯试验结果表明，高铁酸钾预氧化对于稳定性受污染水库水具有显著的助凝、助滤作用，可使沉后及滤后出水的剩余浊度大大降低。沉后及滤后水中总铁、总锰浓度的降低说明高铁酸钾被还原后产生的Fe(OH)3胶体沉淀对高铁酸钾预氧化的助凝效果有重要影响。高铁酸钾预氧化还有显著的杀菌、去除有机物的效果。总之，高铁酸钾是一种优良的预处理药剂，其在水处理过程中可以发挥氧化、杀菌、吸附等多功能的协同作用，对水中的浊度、有机物、细菌、重金属有良好的去除效果，并且可以控制氯化消毒后的氯仿生成量。高铁酸钾的强氧化性和分解后产生的Fe(OH)3胶体颗粒的吸附作用是其具有多种水处理功能的主要原因。

参考文献：

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　　［2］马军，刘伟，刘慧，等.高铁酸钾复合药剂除污染效能研究［J］.给水排水，1998，24(2)：21-24.
　　［3］马军，石颖，刘伟，等.高铁酸钾复合药剂预氧化除藻效能研究［J］.中国给水排水，1998，14(5)：9-11.
　　［4］Ma J，Li G B.Laboratory and full?scale plant studies of permanganate oxidation as an aid to the coagulation［J］.Wat Sci Tec,1993，(27)：47-54.
　　［5］Murmann R K，Robinson P R.Experiments utilizing FeO2-4 for purifying water［J］.Wat Res,1974，(8)：543-547.
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　　收稿日期：2001-01-08