微污染水混凝强化预处理研究

微污染水混凝强化预处理研究

荣璞

上海罗氏制药有限公司

摘要：用水安全一直是受到重点关注的问题，近年来原水因为各种原因水质条件恶化，普通给水处理工艺已无法使出水满足要求，必须加入混凝预处理工艺来提高出水水质。本文以上海某水厂原水为处理对象，分别研究不同药剂作为预处理药剂及其投加时间对混凝效果的影响。

关键词：混凝预处理；浊度；次氯酸钠；高锰酸钾

1.前言

天然水体中含有的物质十分复杂，如盐类、有机物、气体及胶体类物质、微生物等，其常规处理工艺由混凝、沉淀、过滤、消毒工艺组成。随着工业的迅速发展，天然水体受到的污染日益严重，而常规处理工艺对这些有机物的去除能力十分有限；同时人们对用水安全问题愈加重视，水质对人体健康的影响受到极大的关注，水质标准不断提高。

混凝是去除胶体和悬浮颗粒的重要工艺，把小颗粒聚集成容易沉降的大颗粒，大的絮凝体被沉淀和过滤除去。给水预处理是在常规处理工艺前，采用物理、化学或生物方法对水中的污染物进行初步处理从而减轻后续处理工艺的负担进而提高出水水质。较成熟的预处理技术有化学药剂预氧化法、活性炭吸附法和生物预处理法等。预氧化法是利用氧化势较高的氧化剂来氧化分解或转化水中污染物[1]。Martin[2]阐述了化学预氧化对水中颗粒物的影响机理，即单独预氧化可以直接减少颗粒物浓度或大小，降低了出水浊度。活性炭是一种内部孔隙结构发达、表面积大，吸附能力强的微晶质碳素材料[3]，能有效去除有机物和改善色度。生物预处理大多采用生物膜类型的反应器，如生物接触氧化法、生物转盘、流化床、生物活性炭滤池和膜生物反应器（MBR）等多种形式。

2.试验材料与方法

2.1原水水质

原水均取自水厂进厂原水，在实验室混合后进行试验，实验期间主要水质指标见表1。

2.2主要试验试剂和仪器

本试验采用的混凝剂分两种：聚合氯化铝铁（PAFC），预处理药剂分别选用次氯酸钠溶液、粉末活性炭和高锰酸钾溶液。

测试项目包括：浊度、色度、紫外吸光度（UV254）、pH、混凝实验六联搅拌机、电子天平

2.3试验内容和方法

试验考察定量的混凝剂和不同预处理药剂的组合净水的效果，固定投加25mg/L的聚合氯化铝铁（PAFC），分别投加不同量的预氧化试剂和在不同时间投加预氧化试剂，探讨预氧化时间与混凝效果的关系。

（1）将原水混合均匀，分别倒入编号为1-6号的六个搅拌杯中进行搅拌；另取少量原水测定浊度、色度、pH和UV254。

（2）1号对照，在2-6号搅拌杯中分别加入不同量的次氯酸钠，并以150r/min的转速匀速搅拌30min。

（3）在每个搅拌杯中分别加入定量的聚合氯化铝铁

（4）沉淀完毕后，从每个搅拌杯中取两瓶水样，逐一测定样品的浊度、色度、pH和UV254，确定最优次氯酸钠投加量。

（5）固定混凝剂和次氯酸钠投加量，提前不同时间加入次氯酸钠，搅拌静置后测定水样水质指标。

（6）固定混凝剂投加量和上一步中确定的投加时间，反向试验，验证在此条件下最佳投加量是否不变。

重复以上试验并将药剂分别换成粉末活性炭和高锰酸钾，记录结果。

3结果与讨论

3.1预处理药剂投加量对混凝效果的影响

表2是次氯酸钠与PAFC联合作用的结果，表3为活性炭与PAFC联合作用，表4则反映了高锰酸钾与PAFC共同混凝得到的效果。

UV2540.24270.14230.13620.13900.14300.15170.1557

3.2不同预处理药剂投加量与混凝剂联合投加对浊度的影响

图1到图3为预处理药剂分别为次氯酸钠、活性炭和高锰酸钾时投加量与浊度的关系。一开始不论加入何种预处理剂，出水浊度均较单独使用混凝剂时有所降低，说明通过预处理确实可以改善混凝效果。与此同时，三种药剂都存在一个最佳投加量，即在此投加量下出水浊度达到最低，不过它们的最佳投加量不尽相同。

次氯酸钠的最佳投加量为1.5mL，若投加量小于该值，出水浊度随着投加量的增加而下降，在这一投加量下，出水浊度可由不加预处理剂时的0.716NTU降至最低的0.616NTU，相对于原水浊度去除率更是高达89.00%。此后增加次氯酸钠投加量，出水浊度重新上升，甚至大于不加预处理剂时的值，可能是因为过量的次氯酸钠造成原水碱度过高，使由混凝剂聚合氯化铝铁生成的氢氧化铝胶体（Al(OH)3）溶解为氢氧化铝负离子（Al(OH)4-），原本被吸附的小颗粒重新被释放回水中，悬浮其中不能沉淀，从而减弱了混凝效果。

利用活性炭作为预处理药剂，出水浊度最多可由不加预处理剂时的0.827NTU降至0.544NTU，此时活性炭投加量为25mg/L。不同于其他两种预处理药剂有一个明显的最佳投加量，当活性炭投加量处于10~30mg/L的范围内时，出水都有一个较低的浊度值，对于这种现象，尚未有明确解释，推测可能是由于每单位粉末活性炭自身活性不一，试验时无法准确加入精确地活性炭含量，因此只能确定一个活性炭最佳投加量的范围。本试验取出现最低出水浊度时25mg/L的活性炭投加量作为最佳投加量进行后续试验。

投加0.1mg/L高锰酸钾溶液进行预氧化后，出水浊度由不加预处理剂时的2.160NTU降至1.700NTU，浊度去除率提高6.4%。增加高锰酸钾投加量，出水浊度上升至2.040NTU左右，并基本不再随着高锰酸钾投加量变化。这主要是因为部分高锰酸钾的还原产物师新生态二氧化锰，它们颗粒较小且具有丰富的表面羟基，不能成为混凝剂的絮凝核心，反而直接变成胶体颗粒，另外，新生态二氧化锰存在于体系中，混凝剂（及其初期水解产物）也将与其发生吸附、络合反应并消耗混凝剂，从而降低处理效果，增加了出水的浊度[4]。

3.3不同预处理药剂投加量与混凝剂联合投加对色度、pH的影响

预处理药剂投加量对色度与pH无明显影响，经混凝处理后，色度均可以降至5度以下，但是高锰酸钾投加量大于0.6mg/L后，出水带有高锰酸钾溶液自身的紫红色，无法判定色度。因为实际生产中出水不允许带有颜色，所以高锰酸钾投加量不可过高。而不管是否加入预处理药剂，每个水样的pH值均呈弱碱性，维持在7.8左右，混凝出水与原水的pH相差不超过0.1，可认为是受空气中溶解性气体影响或是测量误差，与预处理药剂的投加量基本没有关系。

3.4不同预处理药剂投加量与混凝剂联合投加对UV254的影响

三种预处理药剂的空白对照组出水UV254分别有47.3%、30.8%、41.3%的去除率。图4绘制出三种投加预处理药剂后UV254的变化，可以看出经过预处理后出水UV254会进一步下降。其后次氯酸钠投加量几乎不再影响UV254，可能是由于可由次氯酸钠去除的有机物已被完全去除，剩下部分的有机物无法被次氯酸钠除掉；而对于活性炭和高锰酸钾，随着不断加大的投加量，出水UV254呈线性趋势上升，还会超过单独使用混凝剂时出水的UV254。活性炭投加量变大后，由于其不溶解性，往往自身产生团聚现象，可吸附有机物的比表面积减小从而影响吸附效果；而对于高锰酸钾，过量的强氧化剂容易使有机物氧化成混凝也不易去除的小分子有机物，增加了去除难度。

3.5预处理药剂投加时间对混凝效果的影响

以上一步试验中出水浊度最小时对应的预处理药剂投加量作为混凝效果最佳投加量，继续以此投加量进行试验，以确定各种预处理药剂最佳预处理时间。

次氯酸钠投加量为含0.1%有效氯的溶液1.5mL/L，活性炭投加量为25mg/L，而高锰酸钾的投加量为0.1mg/L，混凝剂投加量维持25mg/L不变。进行3组平行试验，每组1号搅拌杯仍是不加预处理药剂的对照组，每组取两瓶水样，将测到的水质指标数据平均得到以下结果，表8是次氯酸钠与PAFC联合作用以时间为变量的的结果，表6为活性炭与PAFC联合作用，表7则反映了不同时间下高锰酸钾与PAFC共同混凝得到的效果。

3.6不同预处理药剂投加时间对浊度的影响

预处理药剂投加时间与出水浊度也存在着一个最佳点，在达到这个最佳点前，出水浊度逐步下降，而一旦过了最佳点，出水浊度开始增高。从图5-7中可以清晰地看出这一变化趋势，它们分别反映了次氯酸钠、活性炭和高锰酸钾投加时间与浊度的关系，每幅图中都有一个最低点，代表的就是在这一预处理时间下混凝效果最好。

次氯酸钠氧化反应一般时间较短，最多在几十分钟内就基本可以完成。预氧化时间为10~50min的区间时，出水浊度随着反应时间的增加而减小，说明在这一时间段内氧化反应没有完全，次氯酸钠仍在分解有机物。出水浊度在预氧化时间为50min时出现最小值，表明此时次氯酸钠应该已全部反应，出水浊度较不进行预处理的1.540NTU降至0.702NTU，与原水相比浊度去除率更是达到82.49%，混凝除浊效果显著。预氧化时间增加到60min时，出水浊度又有上升，可能是由于反应时间过长，被降解的小分子重新再稳，未能被混凝沉淀去除，因此增加了出水的浊度。

比起氧化反应，活性炭吸附过程比较慢，提前投加时间的选择原则上应是在活性炭吸附作用与混凝竞争降至最低程度、不被絮凝体包裹时，并且要有足够的炭水接触时间。预处理反应时间小于60min时，出水浊度与反应时间成反比，活性炭吸附还没有完成，而在60min时出水浊度降至最低，此后再增加反应时间也无法降低出水浊度，说明在60min内活性炭吸附有机物的作用已经完成，此时间即为活性炭混凝预处理最佳反应时间，对于60min后出水浊度上升的推测是由于混凝搅拌时间过长，从而使水中已被活性炭吸附凝聚的小型絮体破碎未随沉淀被去除。

高锰酸钾混凝预处理的原理主要是氧化反应，且它是一种强氧化剂，故反应时间也较短。根据图7，预氧化在5min时已反应完成，在此刻出水浊度最低为1.750NTU，而没有预处理步骤时出水浊度为2.150NTU，降低了0.4NTU。氧化反应完成后再延长反应时间，反而对去除浊度产生负面影响，导致出水浊度增加，这是可能是由于其只能选择降解某类特定有机物。

3.7不同预处理药剂投加时间对色度、pH的影响

与上一步试验结果类似，预处理药剂投加时间对色度与pH无明显影响。

3.8不同预处理药剂投加时间对UV254的影响

图8是三种预处理药剂投加时间与出水UV254的变化曲线，可以看出在反应时间到达一个特定时间点后，出水UV254开始稳定在某个数值附近，不再随反应时间的增加而改变，且这一时间点与去除浊度最佳的时间点一一对应，即对于某种预处理药剂在同一时间去除浊度和UV254的效果达到最佳。不同于随过长反应时间出水浊度上升的现象，UV254在之后基本保持不变，这是由于UV254代表的是一类含有芳香环结构或共轭双键结构的有机物，当预处理药剂对其可以降解的有机物完成反应后，剩下的可以以UV254表征的有机物不再有后续反应，UV254也就稳定在某一范围内。三种预处理药剂中，使用高锰酸钾预氧化的UV254减少最多，去除率可达41.35%，而次氯酸钠与活性炭的去除率分别只有40.06%和39.43%。

3.4.2最佳预处理药剂的选择

将三种预处理药剂放在一组搅拌试验中，以比较各种预处理药剂的混凝效果，有利于选出最适合原水的预处理药剂。1号搅拌杯为空白对照，2号搅拌杯提前50min投加有效氯含量0.1%的次氯酸钠溶液1.5mL，3号搅拌杯提前60min投加2.5mL浓度为10g/L的粉末活性炭，4号搅拌杯则是提前5min加0.1mL浓度为1g/L的高锰酸钾溶液，进行3组平行试验，每组取两瓶水样测量取均值。

实验结果表明次氯酸钠溶液的预氯氧化对混凝效果最有帮助，经过次氯酸钠的预氯氧化，出水浊度仅为0.43NTU，出水浊度去除率达到80.05%，而使用活性炭或高锰酸钾进行预处理后再投加混凝剂，虽然去除浊度效果略逊于次氯酸钠，但也是好于单独使用PAFC的效果，二者出水浊度相近，分别为0.67NTU和0.63NTU。

预处理工序的增加也降低了出水有机物的含量，出水UV254也有减少，由图16可以看出，UV254降低最多的是PAFC与高锰酸钾联合作用时，出水UV254仅为0.1064，推测是因为高锰酸钾对不饱和有机物去除效率最高

浊度和UV254去除效果最佳时对应着不同的预处理药剂，但由于混凝工艺最重要的是去除水中的悬浮物，降低浊度，所以应该以出水浊度为主要水质指标参考值选择预处理药剂。考虑价格和购买限制等多方面因素，首选应该为次氯酸钠，需要注意的是次氯酸钠属于易见光分解的药剂，要注意保存。

3.结论

（1）在混凝工艺前加预处理程序确实可以提高原水浊度去除率，试验中使用到的次氯酸钠、活性炭和高锰酸钾均是有效的预处理药剂，并且在降低出水浊度的同时可以有效增加UV254的去除率。不过预处理药剂对水质指标中的色度和pH无明显影响。

（2）预处理药剂-混凝剂联合投加时，保持混凝剂投加量不变，以出水浊度为参考指标，存在一个预处理药剂的最佳投加量和最佳投加时间。有效氯含量0.1%的次氯酸钠溶液最好提前50min投加1.5mL在每升水中；活性炭吸附较慢，需提前60min投加25mg在每升水中；高锰酸钾相反，氧化速度最快，提前5min在每升水中投加0.1mg时效果最好。使用三种预处理药剂的最佳投加量和投加时间同时比较除浊效果，对于原水，次氯酸钠预处理效果最好，出水浊度去除率达到80.05%。但是对于去除UV254，高锰酸钾氧化性更强所以效果更好。

参考文献

[1]陈友军，周大农，刘永康.给水预处理技术的研究与应用[J].给水排水，2011,37（2）：22-26.

[2]JekelMR.Effectsandmechanismsinvolvedinpre-oxidationandparticleseparationprocesses[J].WatSciTech,1998,37(10);1-7.

[3]金博君.活性炭在净水处理中的应用[J].黑龙江科技信息，2012,14：44.

[4]任芝军，孙勇，刘慧等.高锰酸盐复合药剂强化混凝工艺研究[J].水处理技术，2008,34（2）：41-44.

作者简介

荣璞（1982年），男，天津市人，民族：汉职称：助理工程师，学历：本科。