馬軍　石穎　 陳忠林　 張錦　李圭白

　　摘　要：本文考察了高錳酸鹽復合藥劑預處理除藻效能,并與預氯化除藻效果進行了對比。試驗用水取自某富營養化湖水,經過一定的光照條件培養使藻類達到一定濃度進行試驗。結果表明,單純依靠提高混凝劑投量對除藻效果改善程度有限,即使混凝劑投量很大, 藻類去除效率也較低。高錳酸鹽復合藥劑預氧化能顯著地提高除藻效率, 降低紫外吸光度, 其效果明顯優于預氯化。
　　關鍵詞： 給水處理; 富營養化; 高錳酸鉀; 藻類; 氧化; 預氯化; 混凝

COMPARATIVE STUDY OF PREOXIDATION BY A COMPOSITE CHEMICAL CONTAINING PERMANGANATE WITH PRECHLORINATION FOR ALGAE REMOVAL
MA Jun SHI Ying CHEN Zhonglin ZHANG Jin LI Guibai

　　ABSTRACT The removal of algae from a eutrophic water by the preoxidation with a composite chemical containing permanganate was conducted in comparison to prechlorination. It was found that although the increase of coagulant dose (Polyaluminium Chloride) improved the removal of algae, there were certain limits in the removal efficiency, even though the coagulant dosages were substantially high. It was observed that permanganate preoxidation (a composite chemical containing permanganate) greatly enhanced the removal of algae from water, with much lower residual algae in the settled and filtered water. The UV₂₅₄ was also obviously reduced. The effectiveness of permanganate preoxidation for algae removal was much higher than that of prechlorination.
　　Key words water supply, permanganate, algae, chlorine, prechlorination, oxidation, organics; preoxidation coagulation

1．前言

　　藻類過量繁殖嚴重地影響給水處理效果, 主要表現在以下幾方面: 藻類帶負電(z電位一般在-40mV以上), 難于混凝; 藻類代謝產物(如碳水化合物、肽和有機酸等)會吸附在膠體顆粒表面,增加其負電性; 同時也會與水中金屬離子絡合, 穿透濾池。藻類比重小, 沉淀效果差。藻類會粘附在濾料表面, 使濾池過濾周期顯著縮短, 造成濾池頻繁反沖洗。藻類在代謝過程中產生多種嗅味,使水難于飲用。某些藻類尺寸很小, 可穿透濾池進入到給水管網中。藻類也是典型的氯化消毒副產物前驅物質, 在后續氯化消毒過程中與氯作用生成三氯甲烷等多種有害副產物、增加水的致突變活性。控制與去除水中藻類是目前給水處理領域普遍關注、十分棘手的問題。
　　國內外圍繞給水除藻技術開展了多年的研究工作。分別從給水處理的各個環節進行強化。可分為預處理、強化混凝、氣浮和微絮凝過濾等。其中預處理是關鍵環節, 對后續的處理工藝產生重要影響。預處理的方法主要有微濾和化學預氧化。預氯化是一種傳統的預氧化除藻技術, 在我國應用較多, 對藻類有一定的強化去除作用, 但預氯化不能消除由藻類產生的嗅味, 相反轉化為更不愉快的嗅味(如魚腥味或刺激性嗅味等)。在預氯化過程中, 氯與原水中較高濃度的有機物作用會生成一系列對人體危害較大的鹵代有機副產物, 因而其應用逐漸受到限制。近年來, 歐美等一些發達國家采用臭氧預氧化除藻, 雖然可取得較好的效果, 但投資很大、運行管理費用也很高, 一直難于在我國推廣應用。二氧化氯預氧化也具有除藻效果, 但其相當一部分會被轉化成對人體有害的副產物亞氯酸根。特別是在預氧化過程中, 有機物濃度較高, 消耗的二氧化氯量較大, 無機副產物濃度較高, 難于推廣應用。因而迫切需要研究開發具有高效、低耗、無副作用等特征的新型預氧化除藻技術。
　　近些年來, 我們圍繞著研究以高價態無機氧化劑為核心的復合藥劑開展了一系列工作^[1-6]。通過將高價態鐵與高價態錳與一些無機鹽復合進一步提高了其除污染效果、拓寬了凈水效能。本文主要研究高錳酸鹽復合藥劑對富營養化水中藻類的去除作用。

2．試驗方法與過程

　　含藻水取自某富營養化湖泊, 水中以藍藻和綠藻為主。在一定的光照條件下經過人工培養使含藻量提高。試驗期間原水的典型水質特征為: 顏色呈暗綠色, 含藻量約為9.6´10⁷～1.01´10⁸個/L, 水溫為27～28^oC, 濁度32度, pH8.5, UV₂₅₄ :13.6 m^-1。用燒杯攪拌試驗考察高錳酸鹽復合藥劑的除藻效能, 并與預氯化除藻效果進行對比。
　　燒杯攪拌試驗在DBJ-六聯定時變速攪拌器上進行。將含藻水轉移至六個500mL燒杯中, 分別投加一定量高錳酸鹽復合藥劑(主要成分為高錳酸鉀, 與某些無機鹽復合而成)或投加一定量的氯溶液。以300轉/min速度攪拌一段時間, 再投加一定量聚合鋁, 繼續以300轉/min的轉速攪拌1min, 靜置沉淀30min后, 在水面1cm以下抽取上清液, 用顯微鏡計數法測定水中藻類總數, 用定性濾紙將沉后水過濾, 測定濾后藻類含量。

3．試驗結果與分析

　　圖1為在不同聚合鋁投量下(20mg/L～50 mg/L), 沉后剩余藻類隨高錳酸鹽復合藥劑投量變化規律。從圖中可以看出, 如果不投加高錳酸鹽復合藥劑, 單純提高聚合鋁投加量, 藻類去除率雖然有所提高, 但幅度較小; 而且當混凝劑投加量增加到一定程度后, 繼續提高混凝劑投加量對除藻效果改善很小。例如, 在不投加高錳酸鹽復合藥劑情況下, 聚合鋁投量由20mg/L增加到40mg/L, 水中剩余藻類在數值上降低了5.2´10⁶個/L; 但當聚合鋁投量由40mg/L增加到50mg/L, 沉后藻類總數變化很小。雖然增加混凝劑投加量可降低藻類的帶電量, 混凝劑水解產物會使部分藻類吸附在絮凝體表面, 但由于混凝劑不能使藻類滅活, 因而影響絮體的形成, 所以單純提高混凝劑投量很難取得理想的除藻效果。
　　采用高錳酸鹽復合藥劑進行預處理,在一定聚合鋁投量下, 隨高錳酸鹽復合藥劑投量增加, 剩余藻類濃度顯著下降,當高錳酸鹽復合藥劑投量達1.2mg/L (以KMnO₄計)時, 剩余藻類在數值上降低16.4´10⁶個/L, 約等于將混凝劑(聚合鋁)從20mg/L提高到40mg/L所取得的藻類降低量的3倍(見圖1), 說明采用高錳酸鹽復合藥劑除藻所取得的效果遠優于單純提高混凝劑(聚合鋁)投量。試驗中觀察到,采用高錳酸鹽復合藥劑預氧化, 形成的新生態水合二氧化錳對含藻水的混凝具有明顯的促進作用, 新生態水合二氧化錳能夠吸附水中藻類, 從而增加藻類在水中的沉速, 形成相對較密實的絮體。

　　單純提高混凝劑投量也難以降低濾后水中剩余藻類(見圖2)。在不投加高錳酸鹽復合藥劑情況下, 聚合鋁投量由20mg/L增加到40mg/L, 水中剩余藻類總數有所降低; 但當聚合鋁投量由40mg/L增加到50mg/L, 沉后藻類總數變化很小。 采用高錳酸鹽復合藥劑預處理, 在一定的聚合鋁投量下, 濾后剩余藻類總數隨高錳酸鹽復合藥劑投量增加呈近似直線關系下降, 當復合藥劑投量為1.2mg/L時, 濾后剩余藻類總數比單純投加聚合鋁時下降約1倍, 說明經過高錳酸鹽復合藥劑預氧化處理可促進過濾過程對水中藻類的去除, 沉后水中的藻類能夠與新生態水合二氧化錳結合, 易于被過濾過程截留, 從而提高了過濾過程對藻類的去除效率。

　　預氯化是一種傳統的預處理除藻技術, 藻類被氯部分滅活, 從而易于被混凝工藝去除。預氯化還能夠滅活其它水生物, 降低其對給水處理過程的影響。由于我國很多水廠采用預氯化作為預處理手段強化除藻效果, 因而很有必要將高錳酸鹽復合藥劑預氧化與預氯化除藻效果進行比較。
　　圖3為預氯化對沉后剩余藻類的影響規律。能夠看出, 預氯化對藻類的去除有促進作用, 隨著投氯量增加剩余藻類總數逐漸下降, 但下降幅度不大。采用10mg/L投氯量進行預氧化對藻類的去除作用略高于將混凝劑由20mg/L增加到50mg/L所取得的效果。預氯化對濾后藻類的去除效果提高幅度相對大些, 如圖4所示, 投氯量為10mg/L時藻類總數下降值約為1～2´10⁶ 個/L。預氯化工藝對水中藻類的去除主要是由于氯對藻類的滅活作用, 是單一的氧化作用; 而高錳酸鹽預氧化則是氧化和新生態水合二氧化錳吸附的協同作用, 所以高錳酸鹽復合藥劑預氧化的除藻效果明顯優于傳統的預氯化工藝。
　　藻類在代謝過程中會生成一系列小分子有機物, 主要有碳水化合物、肽和有機酸等。這些代謝產物會產生各種嗅味, 影響水的感官性能; 同時它們也會吸附在膠體表面, 增加其負電性, 不利于混凝。UV₂₅₄為在254nm波長下水樣的吸光度能夠間接反映水中溶解性紫外吸收物質濃度的變化規律。在此處的紫外吸收物質主要有帶共軛結構或含有芳環結構的不飽和有機物。利用測定UV₂₅₄可間接地反應水中有機物濃度的變化情況。從圖5可以看出, 投加高錳酸鹽復合藥劑進行預氧化處理可顯著降低UV₂₅₄吸光度, 隨著高錳酸鹽復合藥劑投量升高, 紫外吸光度下降幅度更加明顯。 高錳酸鹽復合藥劑預氧化可對水中某些紫外吸收物質的分子結構有破壞作用; 也可能由于新生態水合二氧化錳的吸附作用提高了對水中有機物的去除效率。

　　圖6為預氯化對UV₂₅₄ 吸光度的影響規律。雖然預氯化同樣能夠降低水中UV₂₅₄ 吸光度, 但降低幅度較小, 這說明預氯化工藝對水中藻類代謝產物的去除效果明顯低于高錳酸鹽復合藥劑預氧化。預氯化可能通過氧化作用破壞水中一部分有機物的發色團, 但不具備高錳酸鹽復合藥劑預氧化過程中產生的新生態二氧化錳的吸附作用, 因而對有機物的去除效果弱于高錳酸鹽復合藥劑預氧化。

　 　　

4．結語

　　藻類過量繁殖嚴重地影響給水處理的混凝、過濾和消毒效果, 并產生嗅味和氯化消毒副產物等問題, 是給水處理領域亟待解決的問題。
　　本文取某含藻地表水, 經過人工培養使含藻量達到較高濃度, 在此基礎上考察了高錳酸鹽復合藥劑預處理除藻效能, 并與預氯化除藻效果進行了對比。試驗結果表明, 如果不采用任何預氧化處理措施, 單純依靠提高混凝劑投量難以提高對藻類的去除效率, 即使混凝劑投量很高, 藻類的去除效率仍較低, 即單純提高混凝劑投量對水中藻類的去除有一定限度。高錳酸鹽復合藥劑預氧化能顯著地提高除藻效率、降低紫外吸光度, 其效果明顯優于傳統的預氯化技術。

參考文獻

　　[1] 李圭白,馬軍,“高錳酸鹽復合藥劑除污染技術”,中國發明專利, 93120471.2
　　[2] 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: [博士論文]. 哈爾濱, 哈爾濱建筑大學圖書館, 1990, pp200
　　[3] 馬軍, 李圭白, 陳忠林, 柏蔚華, 賈永新, 許國仁, “高錳酸鉀除微污染生產性 試驗研究”, 中國給水排水, 1997年, 13(6), 13-15
　　[4] 李圭白, 馬軍,“用高錳酸鉀去除和控制受污染水源水中的致突變物質”, 給水 排水, 1992年, 第2期, 15-18
　　[5] 許國仁, 馬軍, 陳忠林等, “高錳酸鉀復合藥劑助凝生產性試驗”, 給水排水, 1995年, 21(9), 8-13
　　[6] 馬軍, 石穎, 劉偉, 李圭白, “高鐵酸鹽預氧化除藻效能試驗”, 中國給水排水, 1998年, 14(5), 9-11