劉 偉，馬　軍
(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：為研究高鐵酸鉀對有機物含量較高原水的處理效果，進行了高鐵酸鉀預氧化強化混凝處理穩定性水庫水的試驗研究。結果表明，少量的高鐵酸鉀(0.5～1.0 mg/L)預氧化即可顯著提高混凝效果，出水剩余濁度明顯下降。水中色度、UV254和氯仿生成量等有機物綜合指標均隨著高鐵酸鉀投量的增加呈明顯下降趨勢。與此同時，水中鐵、錳濃度也顯著降低。另外，高鐵酸鉀預氧化可有效地去除水中細菌。
　　關鍵詞：高鐵酸鉀；預氧化；混凝；剩余濁度
　　中圖分類號：TU991.22
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)07-0070-04

　　高鐵酸鉀是一種強氧化劑，其在標準狀態下的氧化勢E0高達2.2 V。初期研究結果表明，高鐵酸鉀對低溫低濁水具有顯著的助凝作用^［1］，同時還具有優良的除污染^［2］和除藻效果^［3］。此次以有機物含量較高的水庫水為研究對象，探討了高鐵酸鉀的強化混凝效果，對硫酸鋁混凝與增加高鐵酸鉀預氧化后的處理效果進行了比較。

1　試驗過程與方法

　　靜態試驗在DBJ—621型六聯定時攪拌器上進行。將水樣轉移至6個1 000 mL的燒杯中，投加一定量的高鐵酸鉀，以300 r/min的轉速攪拌一定時間，再投加一定量的混凝劑［Al₂(SO₄)₃·18H2O］，繼續以300 r/min的轉速攪拌1 min，然后以60 r/min的轉速攪拌10 min，靜置30 min后在液面1 cm下取上清液，并進一步用中速定性濾紙(1～2 μm)過濾。對沉后及濾后水樣用散射光濁度儀測定水中剩余濁度，用標準水質檢測方法測定水中剩余色度和細菌總數，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定水中鐵、錳濃度。濾后水樣投加5 mg/L的Cl₂,并在閉光條件下密封保存30 min，保存溫度為20 ℃，然后加入過量的Na2S₂O₃以還原剩余的Cl₂，抽取一定量的水樣，用氣相色譜頂空法測定水樣中的氯仿生成量。

2　結果分析與討論

　　水庫位于東北地區，其水源的補給由附近的河水提供。該水庫水含有大量的天然有機物，COD高達35.46 mg/L。另外，補給的河水受到工業廢水、生活污水的嚴重污染，尤其在夏季，河水的大量流入使水庫污染加重。試驗期間原水水質如表1所示。

表1　原水典型水質 指標 濁度(NTU) 色度(倍) 總硬度(mgCaCO₃/L) 總堿度(mgCaCO₃/L) COD(mg/L) 溫度(℃) pH Fe(mg/L) Mn(mg/L) 含量 282 25 135.6 163 35.46 20 7.5 0.35 0.08

　　從高鐵酸鉀預氧化與單純硫酸鋁混凝對濁度去除效果的比較試驗可以看出，單純硫酸鋁混凝在低投加量時剩余濁度較高，50 mg/L的硫酸鋁僅使沉后濁度降到約17 NTU；投加量升高至70 mg/L時，沉后濁度才降至5 NTU，繼續加大投量，沉后濁度反而有所升高。采用少量高鐵酸鉀預氧化可使沉后剩余濁度顯著下降，剩余濁度曲線整體呈下降趨勢，說明在所選的混凝劑投量范圍內，高鐵酸鉀預氧化均具有助凝作用。此外，高鐵酸鉀預氧化使混凝劑的最佳投量范圍有所拓寬，如1 mg/L的高鐵酸鉀預氧化和60 mg/L硫酸鋁混凝聯合作用的沉后水剩余濁度低于單獨投加70 mg/L硫酸鋁的剩余濁度，這說明達到相同的沉后濁度，使用高鐵酸鉀預氧化可以節省硫酸鋁投量。該試驗結果(見圖1)與高錳酸鉀預氧化助凝規律相近［4］，表明兩種不同類型的無機氧化劑具有相似的助凝機理。濾后水剩余濁度曲線表現出同樣的規律，說明高鐵酸鉀預氧化同樣具有明顯的助濾作用。試驗中采用孔徑為1～2 μm的中速定性濾紙過濾，濾后水濁度明顯下降，表明預氧化后在混凝過程中形成的絮體易于被濾紙截留。

　　用高鐵酸鉀進行預氧化，會使水中引入一定量的鐵，因此出水的剩余總鐵濃度也是眾所關心的問題。試驗結果表明(見圖2)，高鐵酸鉀預氧化不僅沒有增加沉后水的總鐵濃度，反而使其總鐵濃度明顯下降，是單純硫酸鋁混凝沉淀后總鐵濃度的1/2，濾后水也表現出同樣的規律，說明高鐵酸鉀預氧化不會使出水中鐵的濃度升高，高鐵酸鉀被還原成難溶解的三價鐵后易于被沉淀和過濾去除，同時高鐵酸鉀預氧化可以去除水中原來含有的鐵。地表水中的鐵一般具有較高的穩定性，主要是由于鐵與水中有機成分絡合后難于被氧化。地表水中的錳更難于氧化，錳與有機物絡合后穩定性顯著提高，是比較棘手的問題。圖3為高鐵酸鉀預氧化對水中錳的去除效果。

　　　　　　

　　結果表明，高鐵酸鉀對水中的錳也具有顯著的去除作用。單獨硫酸鋁混凝時，濾后與濾前水中總錳濃度沒有明顯變化，剩余錳濃度不隨硫酸鋁投量變化，說明單獨硫酸鋁處理對錳幾乎沒有去除效果。高鐵酸鉀預氧化能夠顯著提高地表水的除錳效果是該技術的一個重要特點。高鐵酸鉀預氧化使沉后水中錳濃度有一定程度的下降，濾后水則表現出明顯的剩余總錳濃度隨高鐵酸鉀投量的增加而下降的趨勢。高鐵酸鉀對水中重金屬離子的去除是由于其分解后產生的Fe(OH)₃膠體顆粒具有較高的吸附性［5］，被吸附的金屬離子可被后續的混凝沉淀和過濾工藝去除。天然地表水中的鐵、錳大部分是以與有機物絡合的形式存在，Fe(OH)
3膠體顆粒可能是通過對產生絡合的有機物的吸附而去除鐵、錳。高鐵酸鉀具有強氧化性，其對多種細菌、病毒有滅活作用［5、6］。試驗中發現，高鐵酸鉀預氧化使沉后及濾后水中的細菌總數大大降低。高鐵酸鉀預氧化對水中細菌總數的去除效果見圖4。

　　由圖4可以看出，沉后水的細菌總數隨混凝劑投量的增加而呈下降的趨勢。在投加量低時，高鐵酸鉀預氧化具有顯著的滅菌作用，如硫酸鋁投加量為50 mg/L時，投加1.0 mg/L的高鐵酸鉀使沉后細菌總數是單純硫酸鋁混凝沉淀后細菌總數的1/3。過濾后細菌總數整體下降，經預氧化后的濾后水細菌總數下降幅度遠大于單純硫酸鋁處理，說明過濾強化了高鐵酸鉀預氧化對細菌的去除效果，進一步說明高鐵酸鉀產生的Fe(OH)₃膠體沉淀可以吸附細菌，若未被沉淀去除，則可被過濾截留，從而降低濾后出水的細菌總數。
　　由上述試驗結果分析，高鐵酸鉀的助凝作用可能基于以下幾方面的反應：高鐵酸鉀的強氧化性能破壞了水中膠體顆粒表面的有機保護層，降低了膠體顆粒之間由有機物造成的位阻現象，使之易于被混凝劑脫穩；高鐵酸鉀在還原過程中［即由Fe(Ⅵ)還原為Fe(Ⅲ)］有可能形成一系列帶高價正電荷的水解產物，通過電中和作用使水中無機膠體脫穩，最終形成的Fe(OH)₃膠體顆粒具有較高的吸附活性，可以吸附細小的膠體顆粒或者絮體，增加了絮體的沉速。高鐵酸鉀預氧化使濾后剩余濁度下降，絮體尺度較單純硫酸鋁混凝有所增大，說明Fe(OH)₃膠體可能在混凝過程中起到了絮核的作用。高鐵酸鉀預氧化使濾后水的總錳濃度和細菌總數進一步下降也證實了Fe(OH)3膠體的吸附作用，并且對水中多種污染物具有吸附去除的效果。
　　圖5為濾后水的UV254吸光度值變化規律。

　　由圖5可見，高鐵酸鉀預氧化可使處理后水的UV254下降。波長254 nm的紫外吸光度值是難揮發性總有機碳(NPTOC)和總三鹵甲烷生成勢(TTHMFP)的一個良好替代參數。紫外吸光度(UVA)間接反應原水中NPTOC和TTHMFP濃度，可以用來監控生產運行或預測NPTOC和TTHMFP的去除率。另外，前人的研究結果表明，UVA與CODCr、TOC、BOD₅等具有顯著的線性關系，因而通過UV254的下降趨勢可以推斷處理后水中有機物總量的去除規律以及氯仿生成勢的降低幅度。
　　為進一步考察高鐵酸鉀預氧化對濾后水樣氯仿生成量的控制作用，試驗中將高鐵酸鉀預氧化與預氯化對氯仿生成量的影響進行了對比試驗。結果表明，原水經預氯化后氯仿生成量明顯升高，投氯量為4 mg/L時(以Cl₂計)，濾后水消毒30 min，氯仿生成量達到26.2 μg/L，是未經預氯化的一倍。高鐵酸鉀預氧化后，濾后水消毒30 min的氯仿生成量隨高鐵酸鉀投量的增加呈現下降趨勢，5 mg/L 的高鐵酸鉀預氧化使濾后水的氯仿生成量降低至6.6 μg/L的低水平，說明高鐵酸鉀可以有效地去除水中的氯仿前質。高鐵酸鉀預氧化可能改變了水中氯仿前質的結構，或者是高鐵酸鉀被還原后產生的Fe(OH)3膠體通過沉淀吸附去除了部分氯仿前質，因而使氯化消毒后的氯仿生成量下降(見圖6)。

　　高鐵酸鉀預氧化對水中有機物的去除作用也是高鐵酸鉀預氧化對該種穩定性的水庫水具有明顯助凝作用的重要原因之一。

3　結論

　　燒杯試驗結果表明，高鐵酸鉀預氧化對于穩定性受污染水庫水具有顯著的助凝、助濾作用，可使沉后及濾后出水的剩余濁度大大降低。沉后及濾后水中總鐵、總錳濃度的降低說明高鐵酸鉀被還原后產生的Fe(OH)3膠體沉淀對高鐵酸鉀預氧化的助凝效果有重要影響。高鐵酸鉀預氧化還有顯著的殺菌、去除有機物的效果。總之，高鐵酸鉀是一種優良的預處理藥劑，其在水處理過程中可以發揮氧化、殺菌、吸附等多功能的協同作用，對水中的濁度、有機物、細菌、重金屬有良好的去除效果，并且可以控制氯化消毒后的氯仿生成量。高鐵酸鉀的強氧化性和分解后產生的Fe(OH)3膠體顆粒的吸附作用是其具有多種水處理功能的主要原因。

參考文獻：

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　　收稿日期：2001-01-08