姜成春1，馬軍1，王志軍2，張海龍2，李圭白1
(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090；
2.哈爾濱市自來水集團公司，黑龍江哈爾濱150080)
摘 要：燒杯試驗和生產應用的結果表明，高錳酸鉀與粉末活性炭聯用對低溫低濁微污染源水具有明顯的強化處理效果，能顯著降低濾后水濁度和高錳酸鹽指數。但高錳酸鉀與粉末活性炭的投加順序對混凝效果有一定的影響，在投加混凝劑快速攪拌后再投粉末活性炭可取得很好的強化混凝效果。生產運行結果還表明，少量剩余高錳酸鉀可被粉末活性炭還原，而后被混凝過程去除。
關鍵詞：微污染源水；高錳酸鉀；粉末活性炭
中圖分類號：TU991.2
文獻標識碼：A
文章編號：1000-4602(2001)03-0012-04
Combined Process of Permanganate Oxidation and Powdered Activated Carbon (PAC) Adsorption for Raw Water Treatment with Low Temperature and Low Turbidity JIANG Cheng-chun1，MA Jun1，WANG Zhi-jun2，ZHANG Hai-long2，LI Gui-bai1
(1.School of Munic.and Environ.Eng.,Harbin Institute of Tech.,Harbin 150090,China; 2.Harbin Water Supply Group Co.,Harbin 150080,China) Abstract：Jar test and full-scale application demonstrated that the combined process of permanganate oxidation and PAC adsorption was effective for enhancing treatment of micro-polluted raw water with low temperature and low turbidity.The CODMn and turbidity in filtered water were reduced significantly.It was observed that dosing sequence of permanganate and PAC affected the coagulation efficiency to some extent.Sound enhancement for coagulation could be achieved when PAC was added after rapid mixing of coagulant.The results of full-scale operation show that a small amount of residual permanganate can be reduced by PAC and removed by coagulation process.
Keywords:raw water with low temperature and low turbidity;permanganate;PAC
低溫低濁水的凈化處理是多年來一直未能很好解決的一個難題。由于水溫低，混凝劑水解慢，不易形成良好的絮體；而水的濁度低，則使形成的絮體細小松散，不易沉淀。近年來，國外有些地方采用向水中投加粘土的方式促進絮體的形成，但混凝劑投量仍很高, 沉淀池積泥量也較大，增加了污泥處理的負擔。我國近十年來，先后開發了聚合鋁混凝、活化硅酸助凝等技術，推動了低溫低濁水處理技術的發展。但由于在受有機物污染的源水中，膠體表面電荷密度相對較大，難以脫穩，因而在很多情況下，即使采用某些高分子助凝劑，仍難以取得良好的混凝效果。
近年來，我國在高錳酸鉀助凝及處理微污染源水方面開展了一系列研究工作，在生產應用中取得了顯著的效果。研究發現［1、2］，高錳酸鉀預氧化具有強化脫穩、增大絮體尺寸和加快沉速等作用，高錳酸鉀在氧化過程中生成的新生態水合二氧化錳等中間態產物，能夠通過吸附作用形成以此種產物為核心的密實絮體。此外，高錳酸鉀預氧化可有效地去除水中的微量有機污染物，降低水的致突變活性［3～5］。
對于低溫低濁微污染源水的處理，筆者提出了高錳酸鉀與粉末活性炭(以下簡稱活性炭)聯用技術。試驗發現，高錳酸鉀與活性炭聯用具有協同作用，能夠顯著地提高混凝效果、提高污染物的去除率。該技術的優點是不改變現有水處理工藝流程，基建投資小，處理效果受水溫、季節等因素影響較小，具有較大的應用潛力。 1 試驗內容與方法 以松花江的低溫低濁微污染源水為研究對象，通過燒杯攪拌試驗探討高錳酸鉀與活性炭聯用的強化處理效果。攪拌試驗在六聯攪拌機上進行，取一系列500 mL源水，放入若干個玻璃燒杯中，分別在不同條件下進行混凝試驗，測定沉后和濾后濁度及濾后高錳酸鹽指數(CODMn)。該技術隨后在哈爾濱市某水廠應用，處理水量約為20×104m3/d，該水廠采用的是常規凈水處理工藝，即混凝、沉淀、過濾和消毒工藝。投藥點選在穩壓井出口，高錳酸鉀投加點位于硫酸鋁加藥點之前，活性炭投加點在硫酸鋁加藥點稍后的位置。高錳酸鉀投量為1.0 mg/L，活性炭投量為5.0 mg/L，硫酸鋁投量為40 mg/L。高錳酸鉀采用濕投法，即將高錳酸鉀配成一定濃度的溶液，用計量泵投加到水中；活性炭也采用濕投法，投加活性炭時需先將其投入到炭漿槽內攪拌成炭漿(采用特殊設計的負壓投加系統，避免了活性炭粉塵)，用電磁流量計測定炭漿流量。分別比較單純常規處理、活性炭吸附、高錳酸鉀預氧化、高錳酸鉀與活性炭聯用這幾種不同處理工藝的濾后水水質。 2 試驗結果分析 2.1燒杯攪拌試驗
表1列出了幾種工藝對低溫低濁微污染源水處理效果的對比(多次重復試驗的燒杯攪拌試驗結果)。 表1 幾種工藝的處理效果對比| 處理工藝 | 平均沉后濁度(NTU) | 平均濾后濁度(NTU) | 平均濾后CODMn(mg/L) | 比常規工藝CODMn下降的比例(%) | | 常規工藝(加入硫酸鋁40 mg/L) | 2.46 | 0.31 | 3.98 | | | 常規工藝+活性炭(活性炭5mg/L) | 2.27 | 0.28 | 3.82 | 4.0 | | 常規工藝+高錳酸鉀預氧化(高錳酸鉀1mg/L) | 2.27 | 0.22 | 3.39 | 14.8 | | 常規+高錳酸鉀與活性炭(高錳酸鉀1 mg/L，活性炭5 mg/L) | 2.16 | 0.23 | 2.91 | 26.9 | 注①試驗過程為：加入1 mg/L KMnO4，快攪5 min(200 r/min)；加入5 mg/L PAC，快攪5 min(200 r/min)；加入40 mg/L硫酸鋁，快攪1 min(200 r/min)，然后慢攪9 min(30 r/min)；沉淀30 min后取上清液測定濁度，取濾后液測濁度和CODMn。
②原水CODMn為4.08 mg/L，濁度為7.46 NTU，水溫為0 ℃。 | 可以看出，高錳酸鉀與活性炭聯用的效果優于單純的活性炭吸附或單純的高錳酸鉀預氧化。高錳酸鉀與活性炭聯用具有良好處理效果有兩方面原因：一是在高錳酸鉀的作用下，水中易被氧化的有機污染物在活性炭表面發生氧化聚合，提高了活性炭的吸附量；二是高錳酸鉀在氧化過程中被活性炭等還原性物質部分還原，生成具有氧化性和吸附活性的新生態水合二氧化錳，從而提高了對CODMn的去除效率［6］。有關新生態水合二氧化錳的除污染效能已被有關研究證實［3］。
混凝劑的投加量對高錳酸鉀與活性炭聯用的處理效果有一定影響(見表2)。隨著混凝劑投量的升高，幾種處理工藝的沉后與濾后水濁度和CODMn值均明顯下降。在試驗中無論采用何種混凝劑投量，高錳酸鉀與活性炭聯用都具有最佳的強化處理效果。
高錳酸鉀與活性炭的投加順序對處理效果也有一定的影響。試驗中分別比較了幾種投加順序對處理效果的影響規律(如表3)。
結果表明，在投加混凝劑快速攪拌后再投加活性炭可取得較好的強化混凝效果。水中的膠體脫穩后形成了一定粒度的顆粒，難以參與在活性炭表面上的競爭吸附，同時也由于大分子有機物在快速攪拌時被去除，這兩種作用使得活性炭更有利于去除水中溶解性的有機成分，使高錳酸鹽指數顯著下降；另一方面，在快速攪拌后投加活性炭，可減少其受絮體包裹的影響，使投入的活性炭大都附著于絮體表面，更好地發揮了其吸附有機物的作用。 表2 硫酸鋁投量對處理效果的影響| 處理工藝 | 硫酸鋁投量(mg/L) | 沉后濁度(NTU) | 濾后濁度(NTU) | 濾后CODMn(mg/L) | 處理工藝
| 硫酸鋁投量(mg/L) | 沉后濁度(NTU) | 濾后濁度(NTU) | 濾后CODMn(mg/L) | | 常規工藝(單純硫酸鋁混凝) | 20 | 7.11
| 0.53 | 4.94 | 常規工藝(單純硫酸鋁混凝) | 60 | 2.40 | 0.27 | 4.30 | | 常規+活性炭 | 6.20
| 0.49 | 4.90 | 常規+活性炭 | 2.79 | 0.29 | 3.90 | | 常規+高錳酸鉀預氧化 | 5.79 | 0.35 | 5.22 | 常規+高錳酸鉀預氧化 | 2.36 | 0.39 | 3.70 | | 常規+高錳酸鉀與活性炭聯用 | 4.29 | 0.30 | 4.48 | 常規+高錳酸鉀與活性炭聯用 | 2.16 | 0.26 | 3.60 | | 常規工藝(單純硫酸鋁混凝) | 40 | 3.07 | 0.24 | 4.80 | 常規工藝(單純硫酸鋁混凝) | 80 | 3.33 | 0.30 | 2.90 | | 常規+活性炭 | 2.43 | 0.27 | 4.24 | 常規+活性炭 | 3.59 | 0.22 | 2.60 | | 常規+高錳酸鉀預氧化 | 3.48 | 0.25 | 3.60 | 常規+高錳酸鉀預氧化 | 3.50 | 0.22 | 2.70 | | 常規+高錳酸鉀與活性炭聯用 | 2.92 | 0.21 | 3.52 | 常規+高錳酸鉀與活性炭聯用 | 3.28 | 0.21 | 2.50 | 注 ①原水CODMn為4.96 mg/L，濁度為6.99 NTU，水溫：0 ℃。
②高錳酸鉀投量：1 mg/L，活性炭投量：5 mg/L。 | 表3 高錳酸鉀與活性炭的投加順序對處理效果的影響| 處理工藝與條件 | 硫酸鋁投量(mg/L)
| 沉后濁度(NTU) | 濾后濁度(NTU) | 濾后CODMn(mg/L) | | 常規處理工藝 | 30 | 2.41 | 0.40 | 4.10 | | 先投高錳酸鉀快攪5min，再投炭快攪5min，投硫酸鋁混凝 | 2.88 | 0.42 | 3.40 | | 高錳酸鉀與活性炭同時投加，快攪5 min，再投硫酸鋁混凝 | 2.62 | 0.31 | 3.80 | | 先投高錳酸鉀快攪10 min，再投硫酸鋁快攪1 min后投活性炭 | 2.67 | 0.29 | 3.20 | | 常規處理工藝 | 40 | 2.29 | 0.27 | 3.1 | | 先投高錳酸鉀快攪5 min，再投炭快攪5 min，投硫酸鋁混凝 | 2.73 | 0.28 | 3.1
| | 高錳酸鉀與活性炭同時投加，快攪5 min，投硫酸鋁混凝 | 3.07 | 0.27 | 3.3 | | 先投高錳酸鉀快攪10 min，再投硫酸鋁快攪1 min后投活性炭 | 2.21 | 0.34 | 2.7 | | 常規處理工藝 | 60 | 3.14 | 0.40 | 3.1 | | 先投高錳酸鉀快攪5 min，再投炭快攪5 min，投硫酸鋁混凝 | 3.17 | 0.44 | 3.3 | | 高錳酸鉀與活性炭同時投加，快攪5 min，投硫酸鋁混凝 | 2.67 | 0.46 | 3.2 | | 先投高錳酸鉀快攪10 min，再投硫酸鋁快攪1 min后投活性炭 | 1.96 | 0.35 | 2.9 | | 常規處理工藝 | 80 | 5.6 | 0.40 | 3.1 | | 先投高錳酸鉀快攪5 min，再投炭快攪5 min，投硫酸鋁混凝 | 4.21 | 0.40 | 2.90 | | 高錳酸鉀與活性炭同時投加，快攪5 min，投硫酸鋁混凝 | 3.83 | 0.293.1 | | | 先投高錳酸鉀快攪10 min，投硫酸鋁快攪1 min后投活性炭 | 4.56 | 0.2 | 32.8 | 注 ①原水CODMn為4.76 mg/L，原水濁度為7.47 NTU，水溫：0 ℃。
②加入硫酸鋁后快攪1 min(200 r/min)，然后慢攪9 min(30 r/min)，沉淀30 min。
③高錳酸鉀的投量：1.5 mg/L，活性炭的投量：10 mg/L。 | 2.2生產應用情況
該項技術被應用于哈爾濱市某給水處理廠中，主要在冬季和源水受污染的時期使用，處理能力為20×104m3/d。對生產應用情況進行了觀測，分別取松花江水和幾種不同處理工藝的濾后水進行水質分析，主要水質指標的測定結果如表4。高錳酸鉀與活性炭聯用工藝對去除色度有強化作用，優于常規凈水處理工藝，濾后水剩余濁度也比常規處理工藝和單純投加活性炭時有明顯降低。在所選擇的硫酸鋁投量下(40 mg/L)，水中剩余鋁的濃度均＜0.2 mg/L。幾種處理方式對水中的硝酸鹽濃度影響不大。單獨投加活性炭、高錳酸鉀與活性炭聯用對于水中鐵的去除作用較明顯，濾后水的剩余鐵濃度均有較大幅度的降低。投加高錳酸鉀進行預氧化使水中的總錳濃度有微弱升高的趨勢，但濃度均低于0.1 mg/L(符合國家生活飲用水衛生標準)。高錳酸鉀與活性炭聯用對水中微量的重金屬(如鉛)具有明顯的去除作用。此外，高錳酸鉀與活性炭聯用還使水中亞硝酸鹽和耗氧量明顯降低，但對水的TOC影響不大。 表4 高錳酸鉀與活性炭聯用的生產情況(綜合水質指標)| 處理工藝 | 原水 | 常規工藝(濾后) | 常規+活性炭(濾后) | 常規+高錳酸鉀與活性炭(濾后) | | 色度(倍) | 28 | 8 | 8 | 5 | | 濁度(NTU) | 10.4 | 1.70 | 1.5 | 1.3 | | 鋁(mg/L) | 0.16 | 0.117 | 0.146 | 0.124 | | 硝酸鹽(mg/L) | 1.13 | 1.01 | 0.98 | 1.03 | | 鐵(mg/L) | 0.399 | 0.112 | 0.016 | 0.015 | | 錳(mg/L) | 0.045 | 0.044 | 0.069 | 0.085 | | 銅(mg/L) | 0.004 | 0.003 | 0.007 | 0.007 | | 鉛(mg/L) | 0.008 | 0.009 | 0.006 | ＜0.002 | | 亞硝酸鹽(mg/L) | 0.005 | 0.007 | 0.006 | 0.003 | | 氨(mg/L) | 2.95 | 2.47 | 2.35 | 2.21 | | 耗氧量(mg/L) | 4.4 | 2.8 | 2.8 | 2.5 | | 總有機碳(mg/L) | 6.1 | 4.3 | 4.4 | 4.4 | | 總α放射性(Bq/L) | 0.0043 | 0.0010 | 0.0037 | 0.0020 | | 總β放射性(Bq/L) | 0.1363 | 0.1391 | 0.1211 | 0.1404 | | 注 水溫為0～1 ℃，處理水量為20×104m3/d，KMnO4：1 mg/L，活性炭：5 mg/L，硫酸鋁：40 mg/L。 | 在生產運行中，高錳酸鉀投加量約為1 mg/L，活性炭投加量約為5 mg/L，如果高錳酸鉀按9 000 元/t計算，活性炭按3 000 元/t計算，則運行費用增加了0.024 元/m3。
生產運行中發現，高錳酸鉀與活性炭聯用不但在除污染方面具有協同作用，而且具有互補性。由于高錳酸鉀與活性炭除污染機理不同，因而對不同結構的污染物的去除效果也不同，但兩者聯用可以拓寬除污染作用的范圍。此外，活性炭還具有還原性，不會由于偶然因素導致高錳酸鉀剩余，從而使出水水質穩定可靠。 3 結論 通過燒杯試驗和生產應用得出以下結論：
①高錳酸鉀與粉末活性炭聯用對低溫低濁微污染源水具有強化處理效果。
②增加高錳酸鉀和粉末活性炭投量有利于提高對低溫低濁微污染源水的處理效率。
③高錳酸鉀與粉末活性炭的投加順序對混凝效果有一定程度的影響，在投加混凝劑快速攪拌后再投粉末活性炭可取得較好的強化混凝效果。
④生產應用結果表明，高錳酸鉀與粉末活性炭聯用對水質常規指標(如色度、濁度、CODMn等)均有顯著的去除作用，處理效果優于單純粉末活性炭吸附。
⑤高錳酸鉀與粉末活性炭在生產應用中具有互補性，過量的高錳酸鉀可被粉末活性炭還原，不會由于偶然因素導致高錳酸鉀剩余，因而運行穩定可靠。 參考文獻：
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［2］馬軍，陳忠林，李圭白，等.高錳酸鹽復合藥劑助凝處理高穩定性地表水［J］.中國給水排水，1999，15(9)：1-4.
［3］馬軍.高錳酸鉀去除與控制飲用水中有機污染物的效能與機理［D］.哈爾濱：哈爾濱建筑大學，1990.
［4］李圭白，馬軍.高錳酸鹽復合藥劑除污染技術［P］.中國專利：93120471，1993，2.
［5］馬軍，李圭白，陳忠林，等.高錳酸鉀除微污染生產性試驗研究［J］.中國給水排水，1997，13(6)：13-15.
［6］姜成春.高錳酸鉀與粉末活性炭聯用除污染效能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱建筑大學，2000.
作者簡介：姜成春(1964-)，男，黑龍江省甘南縣人，黑龍江省電力公司高級工程師，哈爾濱工業大學在讀博士研究生，研究方向為給水處理。電話：(0451)3682512
E-mail:majun@mail.hrbucea.edu.cn
收稿日期：2000-08-15 | 
