高锰酸钾预氧化替代预氯化的实用性

张 杰1， 臧景红2， 刘俊良3， 周志刚4

(1.中国市政工程东北设计研究院，吉林长春13 0021；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090；3.河北建筑工程学院城市建设系，河北张家口075024；4.河北省沧州市供水总公司，河北沧州061001)

　　摘要：针对微污染、富营养化的黄河平原水库水进行了以高锰酸钾预氧化取代预氯化的实用性研究，结果表明：虽然在除藻效率方面二者相当，都能将藻类数量控制在不干扰混凝过程的范围内，但高锰酸钾预氧化的助凝效果要优于预氯化氧化；在对COD_Mn、NH3-N、嗅味的去除方面要优于预氯化；高锰酸钾预氧化能显著地控制氯化消毒副产物，并有效地降低后续氯化消毒过程中氯仿和四氯化碳等致癌物质的生成量、减少后续氯化消毒中的投氯量；用高锰酸钾预氧化代替预氯化，可为水厂节约制水成本约18.62万元/a。
　　关键词： 富营养化； 水库水； 高锰酸钾预氧化；预氯化
　　中图分类号：TU991.2
　　文献标识码：C
　　文章编号： 1000-4602(2002)01-0076-03

　　河北省沧州市自来水厂(东水厂)的原水取自以黄河水为水源的平原水库——大浪淀水库。目前，该水库水已微污染、富营养化，其总磷、总氮值已达地表水环境质量标准规定的湖泊、水库特定项目标准值的Ⅴ类标准，水中藻类(多为蓝藻和绿藻)生长尤为旺盛，有时竟高于1×10⁸个/L，若用预氯化强化处理易造成：①生成大量卤化有机污染物，使处理后水的毒理学安全性下降；②加重了水的嗅味；③夏、秋季节加氯机虽已满负荷运转，但出厂水的余氯仍不能满足要求。以上问题迫使东水厂寻求适合该水库水的更为经济有效的预氧化工艺。通过经济技术比较分析，初步选定以高锰酸钾预氧化替代预氯化。因高锰酸钾预氧化应加在混凝反应之前，受水厂工艺条件限制，投加点只能设在配水井上，故可认为高锰酸钾与混凝剂同时投加。

1 高锰酸钾预氧化条件优化

1.1 试验方法
　　取KMnO₄的特征吸收波长520 nm，该波长下的吸光度值可以反映KMnO₄剩余浓度的变化情况。
　　① 作KMnO₄浓度的标准曲线；
　　② 在6个放有水样的烧杯中，分别加入0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mg/L的KMnO₄，随后模拟东水厂的实际处理工艺操作，即：以200 r/min快速搅拌2 min，以60 r/min慢速搅 拌21 min，静置沉淀10、30、60、90min；
　　③ 取烧杯中部的上清液用离心沉淀器离心沉淀7min，目的是避免水中未沉淀颗粒和胶体影响KMnO4残余量的测定；
　　④ 用UV—754型紫外—可见分光光度计测离心沉淀后上清液的吸光度值，从而得到氧化时间分别为40、60、90、120min时的KMnO4投加量与剩余量之间的关系。
1.2 试验结果
　　图1、2分别为在不同的氧化时间下KMnO4投加量与消耗量、剩余量的关系曲线。
　　从图1可见，当KMnO₄与水样的接触时间足够长时，不同浓度的KMnO₄溶液与水中有机物 相互作用的消耗量基本相同，表明KMnO₄消耗量主要取决于原水的有机物浓度。若投入KMnO₄过多，剩余的KMnO4就多，则可能存在出水Mn超标的问题。对于大浪淀水库水而言，KMnO₄与水中有机物作用消耗量为0.45～0.5 mg/L，即其最佳投量为0.45～0.5 mg/L，经生产性试验证明，该投量不存在出水Mn超标的问题。

　　由图2可见，投加过量KMnO₄(＞0.5 mg/L)则沉后水中KMnO4剩余浓度与投加量成正比例关系，投加量达0.8mg/L时滤后水Mn超标，这是Mn胶体粒子穿透滤层所致。虽然Mn的毒性较小，但如果出厂水中Mn超标，不仅会使出水色度增加致衣服和固定设备染色，而且Mn的氧化物还能在水管内壁上逐渐沉积，在水压波动时造成“黑水”现象。
　　值得注意的一点是，KMnO₄投量为0.5 mg/L时，根据水样所需KMnO4量，其剩余量应接近0 mg/L，然而实际上在氧化时间为40、60min时其剩余量约为0.25 mg/L。这是由于当KMnO4投量低时，它与水中有机物反应缓慢所致，随着氧化时间的延长剩余量逐渐接近零，表明KM nO4与水样的接触时间是KMnO4预氧化工艺的一个重要参数。对于大浪淀水库水而言，接触时间应为2.0h左右，东水厂的实际工艺流程时间为2.5h左右，所以在配水井投加KMnO₄可完全满足氧化时间。

2 高锰酸钾预氧化的优势

　　由于水厂有两套完全相同的处理系统，因此可用来进行高锰酸钾预氧化和预氯化的生产性对比试验。在试验中，两套系统的混凝剂均采用Al2(SO4)3，对比工艺流程如图3。

2.1 助凝作用
　　由于水厂的实际运行需根据沉后水浊度来控制加药量，故高锰酸钾所表现的助凝作用可通过现场实际加药量和滤后水浊度来反映。大量现场运行数据表明，Ⅰ系统的实际加药量和滤后水浊度比Ⅱ系统低。
2.2 对CODMn、藻类和氨氮的去除效果
　　两系统的去除效果比较见表1。

表1 Ⅰ、Ⅱ 系统对CODMn、藻类和氨氮去除效果比较 项 目 原水 Ⅰ系统滤后水 Ⅱ系统滤后水 CODMn(mg/L) 7.15 4.77 5.09 去除率(%) 　 32.7 28.1 藻类(×10⁴个/L) 5626.3 1265.7 899.7 去除率(%) 　 75.7 82.9 NH₃-N(mg/L) 0.360 0.251 0.287 去除率(%) 　 30.0 20.5

　　Ⅰ系统滤后水中CODMn含量明显低于预氯化常规处理工艺系统，对CODMn的去除率Ⅰ系统比Ⅱ系统高4.6%，可见在去除有机污染物方面，KMnO4预氧化的处理效果要好于预氯化的处理效果。
　　高锰酸钾的除藻率稍逊色于预氯化，分别为75.7%和82.9%。虽然两系统除藻率都较高，但因原水藻类含量很高(一般在5 000×10⁴个/L左右，有时达1×10⁸个/L)，使滤后水也都在1 000×10⁴个/L上下，如此高的含藻量不仅会给滤池运行带来麻烦，使滤池反冲洗次数和能耗增加，还易使细菌重新生长，且个体尺寸细小的藻类也会穿透滤层而增加出厂水的嗅味。据国内武汉东湖、昆明滇池等水厂的运行经验，浮沉池对藻类去除效果很好，故东水厂应将沉淀池改为浮沉池以解决除藻问题。
　　在氨氮去除率上，高锰酸钾预氧化工艺比常规预氯化工艺高9.5%，对氨氮的去除很有效果。
2.3 对氯仿和四氯化碳的控制效果
　　① 高锰酸钾预处理的同时未取消预加氯
　　试验结果见表2。

表2 未取消预氯化时对氯仿和CCl₄的控制效果 项 目 Ⅱ系统出水浓度(μg/L) Ⅰ系统 出水浓度(μg/L) Ⅰ系统比Ⅱ系统降低率(%) 氯仿 12.818 8 5.545 3 56.7 四氯化碳 0.1443 0.0644 55.4

　　② 高锰酸钾预处理的同时取消预加氯
　　试验结果见表3。

表3 取消预氯化时对氯仿和CCl₄的控制效果 项 目 Ⅱ系统出水浓度(μg/L) Ⅰ系统 出水浓度(μg/L) Ⅰ系统比Ⅱ系统降低率(%) 氯仿 9.0476

0.0154 99.8 四氯化碳 0.3049

0.0222 92.7

　　由表2、3可见，Ⅰ系统即使在同时预氯化的情况下，滤后水中氯仿和四氯化碳浓度也明显低于只进行预氯化的混凝沉淀系统。取消预氯化后，滤后水中氯仿和四氯化碳已很微量，显示高锰酸钾预氧化能显著地控制氯化消毒副产物，并有效地降低后续氯化消毒过程中氯仿和四氯化碳等致癌物质的生成量。
2.4 对嗅味的去除效果
　　观测期间，当测定温度t=40 ℃时，Ⅰ系统滤后水嗅阈值为4，而Ⅱ系统滤后水嗅阈值竟达70。混合出厂水脱氯前的嗅阈值为24，脱氯后的嗅阈值为17，表明KMnO ₄除嗅效果很好。我国饮用水标准中规定的“无异臭”约相当于嗅阈值为5～8，由此可见KMnO4预氧化出厂水能符合标准，并在实际运行中达到市民满意。

3 经济效益分析

　　高锰酸钾市场售价为9000元/t，氯气的售价为3200元/t。东水厂实际运行中采用滤前和滤后两点加氯，总加氯量为4.0g/m³，其中滤前为2.5g/m3，滤后为1.5g/m³。采用 高锰酸钾预氧化后，加氯量可减至1.0g/m³。按供水量为10×10⁴m³/d计算，则采用预氯化耗费为1280元/d，采用高锰酸钾预氧化耗费为770元/d，可节约制水成本510元/d或18.62万元/a。可见，选用高锰酸钾预氧化代替预氯化的设想是完全可行的。

4 建议

　　① 虽KMnO4的除藻率较高(76%左右)，但氯化消毒后出厂水的藻类仍在(500～1000)×10⁴个/L范围，故该厂应在现有处理流程的基础上，把平流沉淀池改为可切换交替运行的浮沉池，既能消除原沉淀池的配水不均，又能在季节性的高藻期采用气浮工况，有效去除藻类，以避免堵塞滤池，保证出厂水水质。
　　② 虽然目前高锰酸钾预氧化替代预氯化解决了水厂的燃眉之急，但通过技术经济分析比较和从长远来看，采用具有高效吸附能力的活性炭与高锰酸钾联用方能较彻底地解决大浪淀水库日益严重的微污染和富营养化问题。

参考文献：

　　［1］ 李镜明，蒋海涛.富营养化水源的给水除臭技术［J］.中国给水排水，1994，10(1)：33-37.

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　　收稿日期：2001-08-07