高錳酸鹽復合劑強化飲用水除污染生產(chǎn)性研究第六圖書館采用依時間序列進行對比的方法,考察了高錳酸鹽復合劑(PPC)對飲用水源的強化除污染效能。生產(chǎn)性實驗結(jié)果表明,PPC具有優(yōu)良的強化混凝和強化過濾效能,能顯著降低水廠沉后水和濾后水的濁度、CODMn、UV254等水質(zhì)指標。與未投加時相比較,水廠投加 PPC后沉后水和濾后水濁度分別降低了25%和33.3%,沉后水和濾后水CODMn去除率分別提高了15.3%和11.5%,UV254去除率分別提高了16.3%和9.5%。同時,GC/MS分析表明PPC能有效去除水源水中的多種微量有機污染物,顯著提高飲用水的化學安全性。PPC通過高錳酸鉀的氧化作用,水合二氧化錳的吸附作用,以及各組分間的協(xié)同強化作用,顯著提高了對水中污染物質(zhì)的去除效率。采用依時間序列進行對比的方法,考察了高錳酸鹽復合劑(PPC)對飲用水源的強化除污染效能。生產(chǎn)性實驗結(jié)果表明,PPC具有優(yōu)良的強化混凝和強化過濾效能,能顯著降低水廠沉后水和濾后水的濁度、CODMn、UV254等水質(zhì)指標。與未投加時相比較,水廠投加PPC后沉后水和濾后水濁度分別降低了25%和33.3%,沉后水和濾后水CODMn去除率分別提高了15.3%和11.5%,UV254去除率分別提高了16.3%和 9.5%。同時,GC/MS分析表明PPC能有效去除水源水中的多種微量有機污染物,顯著提高飲用水的化學安全性。PPC通過高錳酸鉀的氧化作用,水合二氧化錳的吸附作用,以及各組分間的協(xié)同強化作用,顯著提高了對水中污染物質(zhì)的去除效率。高錳酸鹽復合劑 (PPC) 強化混凝 強化過濾 微量有機污染物環(huán)境工程學報田家宇 陳偉雄 王威 陳忠林 李圭白 [1]哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,哈爾濱150090 [2]廣東省建筑設(shè)計研究院,廣州510010 [3]機械工業(yè)第三設(shè)計研究院 ,重慶4300392007第六圖書館高錳酸鹽復合劑強化飲用水除污染生產(chǎn)性研究田家宇 陳偉雄 王 威。 陳忠林 李圭白 (1．哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，哈爾濱150090；2．廣東省建筑設(shè)計研究院，廣州510010； 3．機械工業(yè)第三設(shè)計研究院，重慶430039) 摘要采用依時間序列進行對比的方法，考察了高錳酸鹽復合劑(PPC)對飲用水源的強化除污染效能。生產(chǎn)性實驗結(jié)果表明，PPC具有優(yōu)良的強化混凝和強化過濾效能，能顯著降低水廠沉后水和濾后水的濁度、COD 、uV 等水質(zhì)指標。與未投加時相比較，水廠投加PPC后沉后水和濾后水濁度分別降低了25％ 和33．3％ ，沉后水和濾后水COD 去除率分別提高了15．3％ 和11．5％ ，uV 去除率分別提高了16．3％ 和9．5％ 。同時，GC／MS分析表明PPC能有效去除水源水中的多種微量有機污染物，顯著提高飲用水的化學安全性。PPC通過高錳酸鉀的氧化作用，水合二氧化錳的吸附作用，以及各組分間的協(xié)同強化作用，顯著提高了對水中污染物質(zhì)的去除效率。關(guān)鍵詞 高錳酸鹽復合劑(PPC) 強化混凝 強化過濾 微量有機污染物中圖分類號TU991．24；X703．1 文獻標識碼A 文章編號 1673-9108(2007)07-0042-05 Ful1．scale study of enhanced treatm ent by PPC for drinking water production Tian Jiayu Chen Weixiong Wang Wei Chen Zhonglin Li Guibai (1．School of Municipal＆ Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090； 2．The Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province，Guangzhou 510010； 3．Third Design and Research Institute，Mi China，Chongqing 430039) Abstract The effectiveness of enhanced pollutants removal by potassium permanganate composites(PPC) for drinking water treatment was investigated through full—scale studies in time sequence．The results showed that PPC had a positive effect on coagulation and filtration；it significantly lowered the turbidity，CODM and UV254 of the efl uents of settling tank and filter．W ith PPC dosing．the turbidities of efluents were 25％ and 33．3％ lower as compared with no PPC dosing；CODM removal by coagulation and filtration were 15．3％ and 11．5％ higher as compared with no PPC dosing，and UV254 removal were improved by 1 6．3％ and 9．5％ ，respectively．Meanwhile， GC／MS analysis results showed that PPC could remove micro—organic pollutants from polluted water efectively， and improve the chemical safety of drinking water remarkably．PPC，has excellent potential of pollutants removal efficiencies resulting from the oxidation of potassium perm anganate and the adsorption of hydrated manganese dioxide，also the ingredients synergistic efects． Key words potassium permanganate composites(PPC)；enhanced coagulation；enhanced filtration；micro- organic pollutants 近年來的水質(zhì)監(jiān)測表明，我國的水體普遍受到不同程度的有機污染。目前我國絕大部分水廠仍采用傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過濾和消毒工藝，它主要適于處理未受污染的水，雖然能夠有效地除濁、除色和殺菌，但不能去除水中以溶解狀態(tài)存在的微量有機污染物。如何經(jīng)濟有效地去除受污染水源中的有機污染物，改善飲用水水質(zhì)，已成為目前亟需解決的問題。國外通用的飲用水除微污染方法包括臭氧氧化、活性炭吸附等，但由于設(shè)備昂貴、費用高，長期以來難于在我國推廣。我國一些學者在對高錳酸鉀預氧化應用于水處理研究的基礎(chǔ)上，又研發(fā)出了高錳酸鹽復合劑(PPC)。PPC以高錳酸鉀為主劑，多種化合物為輔劑復配而成。前期一些研究結(jié)果已經(jīng)表明PPC預氧化能有效地去除水中的微污染物，并具有優(yōu)良的助凝助濾功能 ’ 。該法只需向水中投加少量藥劑，不改變常規(guī)工藝，不增設(shè)大型構(gòu)筑物，經(jīng)濟有效，簡便易行，適合我國國情，所以已在我國推廣。本研究以南方某受污染地表水源為研究對象，在某水廠內(nèi)進行生產(chǎn)性實驗，對PPC預氧化技術(shù)的強化除污染效能進行了系統(tǒng)考察。 1 材料與方法 1．1 原水水質(zhì) PPC預氧化強化除污染生產(chǎn)實驗在南方某水廠進行，該水廠以附近的江水為水源。由于生活污水、工業(yè)廢水的排放以及農(nóng)田徑流進入江體，江水水質(zhì)受到一定程度的破壞，是一種典型的微污染地表水源。生產(chǎn)實驗在11、12月進行，水源水質(zhì)如下：溫度 18～24℃ ，濁度21～35 NTU，總硬度14．6～18 mg／L， pH 6．72 ～ 7．21，CODM 1．65 ～ 2．74 mg／L，UV254 0．032 ～0．049 (3111一。 1．2 實驗方法該水廠總供水量為28萬m ／d，由I、Ⅱ兩期工程組成。水廠所用混凝劑為堿式聚合氯化鋁(以 PAC表示)。實驗期間水源水質(zhì)比較穩(wěn)定，PAC投加量為4～5 mg／L左右。水處理工藝流程如圖1 所示。聚合氯化鋁 氯化消毒取水泵房r王叫靜態(tài)混合器H 網(wǎng)格絮凝池H 平流沉淀池H 砂濾池r￡叫清水池圖1 水廠工藝流程圖 Fig．1 Flow scheme of a water treatment plant PPC與混凝劑的投加順序?qū)炷Ч幸欢ㄓ绊憽Ｐ≡噷嶒灲Y(jié)果表明，PPC先于混凝劑投加效果較好，較佳投加量為0．6 mg／L。因此，PPC投加點設(shè)在取水泵房處，利用取水泵及輸水管進行混合。因為水廠采用同一套輸水管線將水源水由泵房輸送至水廠，故無法平行考察PPC的強化除污染效能，而采用依時間序列進行對比的方法。 1．3 試驗分析指標常規(guī)指標：COD 采用酸性高錳酸鉀法測定，濁度采用HACH2100N臺式濁度儀，uV 采用CANY 752N紫外可見分光光度計測定。 GC／MS分析：分別取單獨使用PAC和使用PPC +PAC這兩種工況下的水源水、沉后水、濾后水共6 個水樣，采用SUPELCLEAN ENVI．18小柱富集水樣中的有機物，通過水樣量均為7．5 L。然后以重蒸的甲醇、二氯甲烷和丙酮各10 mL依次洗脫富集在小柱上的有機物，合并洗脫液，用在馬弗爐里以 600oC烘干3 h的無水硫酸鈉對洗脫液進行脫水處理。脫水后的洗脫液轉(zhuǎn)移至K．D濃縮器中，放入恒溫水浴鍋在48℃ 下利用高純氮氣吹掃濃縮至1 mL，以備進行有機物的GC／MS分析。 GC／MS聯(lián)機條件：儀器采用安捷倫GC6890N． MSD5973，色譜柱為HP．5MS(30 m ×0．25 mm × 0．25／xm)。采用不分流進樣模式，進樣量為1／xL；載氣為高純氦氣，恒溫模式，流量1 mL／min。升溫程序為初始溫40℃ ，維持5 min；以5℃／min升溫至 150oC，保持1 min；再以8℃／min升溫至280℃ ，保持2 min。進樣口溫度280℃ ，GC與MS接口溫度 280℃ ，質(zhì)譜的離子源溫度230℃ 。 2 結(jié)果與分析 2．1 PPC的強化混凝強化過濾除濁效能由圖2可見，在進廠水濁度基本恒定的情況下，未投加PPC時沉后水濁度在1．9～3．4 NTU之間，平均為2．4 NTU；投加PPC之后沉后水濁度在1．6 ～ 2．1 NTU之問，平均為1．8 NTU，比未投加PPC時沉后水濁度平均降低25％ 。對于濾后水，未投加 PPC時濾后水濁度為0．17～0．27 NTU，平均 0．21 NTU；而投加PPC后濾后水濁度為0．11～ 0．2 NTU，平均0．14 NTU，相對于未投加PPC時濾池出水濁度降低了33．3％ 。此外，由圖2還可以看出，投加PPC之后，沉淀池出水及砂濾池出水濁度波動性均較單獨使用PAC時小，水質(zhì)更為穩(wěn)定。開始投加PP．C 黜 b I 十沉后水 _ 嶼 _． I ， ^一。 ． ．圖2 PPC強化除濁效能 Fig．2 Effectiveness of enhanced turbidity removal by PPC dosing 2．2 PPC的強化混凝強化過濾除CODM 、UV： 效能 COD 是反映水質(zhì)受到污染(特別是有機污染) 的綜合性指標之一，與水的感官性質(zhì)、水致腸道疾病、水的致突變性、致癌性等均有正相關(guān)關(guān)系 。由圖3可見，投加PPC之前，進廠水COD 在1．65 ～ 2．2 mg／L之間，平均1．95 mg／L。沉后水CODM 在1．06～1．4 mg／L之間，平均1．26 mg／L，平均去除率為35．4％ ；濾后水COD 在0．95～1．19 mg／L 之間，平均1．06 mg／L，平均去除率為45．6％ 。投加 PPC期間，進廠水COD 在1．81～2．74 mg／L之間，平均2．17 mg／L。沉后水COD 為0．95 ～ 1．19 mg／L，平均1．07 mg／L，平均去除率50．7％ ，比未投PPC時提高了15．3％ ；濾后水COD 為0．78～ 1．1 mg／L，平均0．93 mg／L，平均去除率57．1％ ，比未投PPC時提高了1 1．5％ 。 ?? ＼ ．圖3 PPC強化除COD 效能 Fig．3 Effectiveness of enhanced CODM removal by PPC dosing uV 與水中TOC、DOC以及三鹵甲烷前體物 THMFP等均有較好的相關(guān)性，可作為其替代參數(shù) 。如圖4所示，PPC對uV 的強化去除效應與 COD 基本一致。未投加PPC時，進廠水uV 在 0．032～0．048 cm 之間，平均0．038 cm～。沉后水 uV254在0．02～0．025 cm 之間，平均0．023 cm～；濾后水在0．015～0．018 cm 之間，平均0．016 cm ～。投加PPC之后，進廠水uV 為0．034～ 0．049 cm～，平均0．043 cm一。沉后水uV 為 0．017～0．02 cm～，平均0．019 cm～，平均去除率較未投加PPC時提高了16．3％ ；濾后水為0．015～ 0．018 cm一，平均0．014 cm。。，平均去除率較未投加 PPC時提高了約9．5％ 。。圖4 PPC強化除uV 效能 Fig．4 Effectiveness of enhanced UV254 removal by PPC dosing 2．3 PPC的強化混凝強化過濾效能的GC／MS分析由表1可以看出，單獨使用PAC混凝也能去除部分水中的微量有機污染物，而在采用PPC進行預氧化后，與單獨使用PAC時相比較，沉后水和濾后水中有機污染物數(shù)量去除率分別提高了13．8％ 和 18．2％ ，沉后水和濾后水中有機物總峰面積去除率分別提高了15．4％和17．1％ �？梢�，PPC能強化水廠常規(guī)處理工藝對水中微量有機污染物去除，從而提高飲用水質(zhì)的化學安全性。由表2可以看出，無論是單獨使用PAC還是 PPC+PAC工藝，對烷烴、芳香烴、雜環(huán)化合物、含氮化合物、酚類、醇類、醛類和酯類等多個有機物種類都有去除作用，而PPC預氧化工藝對這些微量有機物的去除作用明顯優(yōu)于單獨使用PAC時的情況。沉后水 濾后水有機物數(shù)量 有機物峰面積 有機物數(shù)量 有機物峰面積單獨PPC 單獨PPC 單獨PPC 單獨PPC PAC +PAC PAC +PAC PAC +PAC PAC +PAC 注：表中數(shù)據(jù)均為同水源水相比較的去除百分率；一表示水源水中不存在，而沉淀或過濾之后出現(xiàn)的物質(zhì) (1)對于雜環(huán)化合物，單獨使用PAC時濾后水中的有機物數(shù)量和峰面積分別減少了36．4％ 和70．2％ ；使用PPC進行預氧化之后，有機物數(shù)量和峰面積去除率升至66．7％ 和85．3％ ，分別提高了30．3％ 和 15．1％ 。(2)對于含氮化合物以及醇類、酸類化合物，采用PPC預處理后濾后水中的有機物數(shù)量分別減少60％ 、58．3％ 和50％ ，峰面積去除率分別達到 98．2％ 、95％ 和94．1％ ，基本上可認為是完全去除。 (3)單獨使用PAC的常規(guī)工藝不但不能去除原水中的酚類、醛類物質(zhì)，并且會產(chǎn)生新的這類物質(zhì)，而 PPC能有效的去除這兩類物質(zhì)。經(jīng)PPC預氧化后，濾后水中的酚類、醛類物質(zhì)峰面積相對于原水分別減少了53．4％ 和35．9％ 。(4)單獨使用PAC對酯類的去除作用比較微弱，其有機物數(shù)量和峰面積經(jīng)沉淀之后分別只減少了14．3％ 和25．9％ ，經(jīng)過濾之后也變化不大；而采用PPC+PAC工藝時，經(jīng)沉淀后有機物數(shù)量和峰面積去除率分別達到33．3％ 和 53．8％ ，經(jīng)過濾后峰面積去除率進一步上升至 79．6％ �？梢�，PPC對水源水中的多種微量有機污染物均有良好的去除作用，這與有關(guān)報道是一致的 。前期研究結(jié)果表明，高錳酸鉀在去除大量有毒有害有機物的同時，會有一定量新的物質(zhì)生成，但這些新生成的物質(zhì)無毒無害，不具有生物毒性 ’ 。此外，高錳酸鉀及其復合劑能有效地去除和控制受污染水源水中的致突變物質(zhì)以及氯化消毒副產(chǎn)物 。 2．4 PPC的強化混凝強化過濾效能的機理探討有機污染物進入水體后能粘附于水中膠體顆粒表面，提高膠體的穩(wěn)定性，阻礙膠體的沉降脫穩(wěn)。 PPC以高錳酸鉀為其主劑。高錳酸鉀具有很強的氧化性，在酸性條件下其標準氧化還原電位為E = 1．51 V，因此，高錳酸鉀的氧化作用在復合劑的強化除污染作用中不可忽略。當水中含有有機物等污染成分時高錳酸鉀可發(fā)揮其較強的氧化作用，將一部分有機物氧化破壞，尤其是那些含不飽和鍵和特征官能團的有機物(如烯烴類以及含苯環(huán)的化合物)，從而降低后續(xù)處理的有機負荷。然而在中性條件下高錳酸鉀的標準氧化還原電位為E。=0．588 V，其氧化性比在酸性條件下低得多。但是前期研究結(jié)果表明高錳酸鉀在中性條件下對水源水中微量有機污染物的去除效果顯著高于酸性或堿性條件下，這表明還有其他重要的機制參與高錳酸鹽復合劑強化除污染過程 。高錳酸鉀在中性條件下反應的較大特點是將會有過渡態(tài)無定型錳(簡稱新生態(tài)水合二氧化錳)生成。有研究表明¨ ，新生態(tài)水合二氧化錳顆粒微小，具有巨大的比表面積，從而能提供較高的吸附勢能；新生態(tài)水合二氧化錳表面存在豐富的活性官能基團，因此該物質(zhì)不僅具有較多的吸附點位，而且具有較強的吸附活性，可通過吸附作用進一步提高對水中有機污染物的去除效率。新生態(tài)水合二氧化錳對有機污染物的吸附主要通過以下2種方式完成 ：D1，新生態(tài)水合二氧化錳具有羥基表面，能與含有羥基、氨基等官能團的有機物形成氫鍵，并與二氧化錳一道在后續(xù)處理中被去除；第二，新生態(tài)水合二氧化錳生成速度快，顆粒小，在其生成過程中必然有一部分有機物吸附于其表面，并被后生成的二氧化錳所覆蓋，使有機污染物包夾于沉淀內(nèi)部，形成共沉淀。另外，新生態(tài)水合二氧化錳又能對高錳酸鉀氧化有機污染物的反應起到催化作用，從而提高了氧化速度? 。前期的研究表明，PPC具有遠遠高于單純高錳酸鉀的除污染性能，這是因為復合劑中的輔劑能增強高錳酸鉀的凈水效能。復合藥劑中的各組分之間存在著一定的協(xié)同強化作用¨ 。 3 結(jié) 論采用依時間序列的方式，進行了單獨PAC混凝和PPC預氧化+PAC混凝這2種工況的生產(chǎn)性實驗對比研究。結(jié)果表明，PPC具有優(yōu)良的強化混凝強化過濾效能。采用PPC預氧化后，無論是沉后水還是濾后水的濁度、COD 和uV： 等水質(zhì)指標都能得到顯著的降低。GC／MS的分析結(jié)果表明，PPC對多種水源水中的微量有機污染物具有良好的去除效果，能夠顯著提高飲用水的化學安全性。 PPC具有優(yōu)良的水處理性能，這除了高錳酸鉀的氧化作用之外，還有新生態(tài)水合二氧化錳強大的催化和吸附作用。同時復合劑各組分之間存在著一定的協(xié)同強化作用。參考文獻 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