高锰酸钾复合药剂去除水中微污染效能的研究

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论文字数:**** 论文编号:lw202385780 日期:2024-11-22 来源:论文网

摘要:在对高锰酸钾复合药剂去除水中微量有机污染物研究中发现:高锰酸钾复合药剂预处理工艺在强化混凝、取代预氯化、去除水中嗅味和藻类、去除微量有机污染物的效果十分理想。对有机污染物的去除效果要远远好于单独投加聚合氯化铝或预氯化工艺对有机污染物的去除效果。

关键词:饮用水 有机污染物 高锰酸钾复合药剂 预氯化 嗅味 藻类 强化混凝

  一、前言

  当前我国现代化建设正在快速发展,但是环境保护、污染治理的工作却未能及时跟上,导致了我国城市污水和工业废水绝大多数未经处理就直接排入水体,使城镇水域90%以上遭到不同程度的污染,而且水源污染面积在不断扩大,水源污染情况不断恶化。已经到了严重危害人民身体健康和生产、生活的地步了。
  近年来,对我国主要水体进行了污染情况的调查,长江、黄河、淮河、珠江、辽河、松花江、太湖、巢湖、滇池等主要水体都受到了不同程度的污染,都检测出多种有机物,其中有些是EPA规定的优先检出物,对人体有致癌、致畸、致突变的危害。
  水源由于受到污染,因此水中含有大量有机污染物,其中有许多物质能对人体产生致癌、致畸、致突变的结果,对人体危害非常大。受到污染的水源同时极易产生大量的藻类繁殖,并常带有嗅味。
  受到污染的源水经过目前传统净水工艺处理后,存在许多问题:
  1、不仅不能有效地去除水中的有机污染物,反而会增加致癌、致畸、致突变物质;厂的Ames致突变试验一般仍呈阳性:(一种国际上普遍采用的毒理学检测指标,一般认为阳性对人体有潜在的危害,阴性对人体无潜在的危害)。
  2、由于有机污染物的大量存在,混凝剂的耗量大大增高,水质指标在达到了现行国家生活饮用水卫生标准时,处理成本也同时增加;
  3、水体受到污染,氮、磷、钾等营养物质含量的增高,导致水体的富营养化。由于有机污染的存在而大量繁殖的藻类,无法彻底去除,并在氯化过程中,产生大量对人体有害的致癌物质;
  4、出厂水的嗅味一般无法彻底去除,有时反而有加重的现象,达不到感官的基本要求。
  所以受到污染的源水虽经处理,水质指标即使达到了现行国家生活饮用水卫生标准,饮用这样的自来水仍然是对人体有害的,同时,水处理成本也大大增加了。
  高锰酸钾复合药剂由高锰酸钾(主剂)和其它多种药剂(辅剂)组成。其主要机理是高锰酸钾主剂在预处理中对水中微量有机污染物的去除具有极好的协同作用。1992年,作者首次发现了高锰酸钾复合药剂及其在水处理中的除污染、助凝、取代预氯化、减少氯仿生成量等方面的优异表现,并随后对这一发现进行了系统研究:1、高锰酸钾复合药剂预处理去除水中有机污染物的种类和数量;2、高锰酸钾复合药剂预处理去除水中藻类;3、高锰酸钾复合药剂处理去除水中嗅味;4、高锰酸钾复合药剂预处理去除水中氨氮;5、高锰酸钾复合药剂预处理助凝取代预氯化、助滤、降低混凝剂耗量;6、高锰酸钾复合药剂预处理减少氯仿生成量;7、高锰酸钾复合药剂预处理卫生毒理学饮用水安全性;8、高锰酸复合药剂高锰酸钾复合药剂的最佳配比、高锰酸钾复合药剂溶解、投加和防腐;9、高锰酸钾复合药剂投加系统的自动控制;10、高锰酸钾复合药剂自动投加系统的技术经济比较等方面进行了系统的研究。发现高锰酸钾复合药剂预处理工艺在上述诸多方面的研究中都具有优良的性能。本方是从几个主要方面对高锰酸钾复合药剂对水中微量有机污染物去除交通的研究。

  二、高锰酸钾复合药剂对水中藻类和嗅味去除效果的研究

  1、试验背景与方法
  本试验以黄河下游取自黄河的水库水作为研究对象,主要进行了水中嗅味和藻类去除效果的研究,并检测了其它的常规化学指标。
  黄河断流时间不断的延长,迫使黄河下游以黄河为主要水源的各个城市不得不修建蓄水库,在黄河丰水期引黄河水进入蓄水库,蓄水库以备黄河断流期使用。黄河下游近年来有机污染日益加重,加之蓄水库一般较浅,夏季阳光充足,温度较高,藻类易繁殖,并产生嗅味,在冬季有加重的趋势。
  生产性试验是在Z市的一座黄河水厂进行的。该厂将黄河引入蓄水厂水源,由于水源受到污染。夏季藻类较多,水中嗅味很大,单独投加混凝剂不能有效除臭除味,预氯化后嗅味更大,居民反映强烈。
该厂为了改变这种状况,引入了高锰酸钾复合药剂处理技术,图1是该厂的工艺流程。

  试验是自季在生产运行中进行的。水温26℃,源水藻类:2000-3000*104个/L,嗅味为2级,浊度为8.3--10度,MN:6.0mg/l,PH:9.0。试验考察新、老处理工艺对水中的嗅味、藻类、浊度、MN等的去除效果。每试验一种工艺都稳定8--12小时,然后进行取样检测。藻类的检测采用显微镜数的方法;嗅味和检测方法采用加热超过60℃,多人检验,取平均值的方法;浊度、Mn的检测采用标准检测方法进行。
  2、试验结果与分析
  表1是高锰酸钾复合药剂去除嗅味试验结果,从中可以看出,单独使用聚合氯化铝(PAC)对除嗅味基本无效,进水嗅味2级,滤后嗅味水仍为2级。高锰酸钾复合药剂预处理,在投量仅为0.24kg/kt,PAC投量仅为2.7kg/kt时就获得了优异的效果,滤后水的嗅味为0级,对嗅味的去除率达到100%,远好于单独PAC5.4kg/kt对嗅味的去除效果,而混凝剂的耗费量仅为其一半。

高锰酸钾复合药剂预处理对水中嗅味的去除生产性试验(滤后水)
测试项目 嗅味(级)
工艺流程 源水 滤后水 去除率
2级 2级 0
2、聚合铝2.7kg/kt+(0.24kg/kt) 2级 0级 100%
3、聚合铝2.7kg/kt+(0.5kg/kt) 2级 0级 100%
4、聚合铝5.4kg/kt+(0.24kg/kt) 2级 0级 100%
5、聚合铝5.4kg/kt+(0.5kg/kt) 2级 0级 100%
6、聚合铝5.4kg/kt+(0.5kg/kt) 2级 0级 100%

  图2是高锰酸钾复合药剂却除藻类试验结果,从中可以看出,(图中序号所代表的工艺流程同表1,以下同)高锰酸钾复合药剂(CP)对藻类的去除效果较单独PAC要好,高锰酸钾复合药剂(CP)对或类的去除率:滤后水为80%--92%,其中两种配比和投量较佳的高锰酸钾复合剂对藻类去除的效果都在85%以上,最高达到92%,而高锰酸钾复合药剂的投量仅为0.24-0.5kg/kt,混凝剂(PAC)的投量为2.7-5.4kg/kt。而单独投加PAC5.4Kg/kt时,对藻类的去除率:滤后水为54.72%。

  图3是高锰酸钾复合药剂去除水Nn试验结果,从中可以看出,高锰酸钾复合药剂(CP)对水中Nn的去除效果也很好,(PAC:5.4kg/kt,CP:0.5kg/kt),Nn去除率:滤后水达到47.92% 。单独聚合氯化铝混凝(PAC:5.4kg/kt)对Nn的去除率:滤后水达到18.17%。表明高锰酸复合药剂对有机物的去除率相对也是较高的。

  图4是高锰酸钾复合药剂助凝去除水中浊度试验结果,可以看出,高锰酸钾复合药剂(CP)助凝水中浊度的去除效果十分显著(PAC:5.4kg/kt,CP:0.5kg/kt),浊度去除率:滤后达到90-97%,单独聚合氯化铝混凝(PAC:5.4kg/kt)对浊度的去除率:滤后水达到60%。

  图5是高锰酸钾复合药剂预处理对水中PH值影响的试验结果,从中可以看出,高锰酸钾复合药剂(CP)预处理可使水的PH值有所降低(PAC:5kg/kt,CP:0.5kg/kt),从源水PH:9.0降低到滤后水PH:7.89;单独聚合氯化铝混凝(PAC:5.4kg/kt)滤后水PH:8.52。

转贴于   三、高锰酸钾复合药剂对水中微量有机污染物去除效能的研究

  1、试验方案与过程
  饮用水的源水在低温低浊且受到严重污染的条件下是公认难处理的水体,一般情况下,低温低浊高污染水的处理效果最差,温度升高同样污染的条件下,处理效果会好此。本研究选择了低温低浊高污染这一最不利条件进行水中微量有机污染物去除的研究。由于低温环境生物处理工艺不能适应,自氧氧化处理工艺价格昂贵,因此本研究针对低温低浊高污染水体重点考察了单独投加聚合氯化铝处理工艺、预氯化与聚合氯化铝共同处理工艺、高锰酸钾预处理与聚合氯化铝共同处理工艺、高锰酸钾复合药剂预处理与聚合氯化铝共同处理工艺对水体中的有机物的种类和数量的去除效果。发现高锰酸钾复合药剂预处理与聚合氯化铝共同处理工艺对水体中的有机物的种类和数量具有非常优异的去除效果。
  原水水样取自松花江哈尔滨段,试验在1997年冬季进行,也就是松花江枯水期,水质污染较为严重的时期。原水水质:Nn:6.4mg/l;浊度:20度左右;PH:7.2-7.3;温度:0℃;色度:40度左右。
  由于源水温度极低,浊度较低、水质污染较重,属于典型的低温低浊污染重难处理的水体,选择低温低浊污染较重时期的水体进行处理,具有多方向的重要意义。
  本次试验重点考察源水、单独投加聚合氯化铝、预氯化与聚合氯化铝共同处理、高锰酸钾预处理与聚合氯化铝共同处理、高锰酸钾复合药剂预处理与聚合氯化铝共同处理后的滤后水体中的微量有机物的数量和种类,通过分析和比较,得出了不同工艺对水中有机物去除的不同性能的评价结论。
  1)水样的处理工艺过程
  原水水样在投入药剂混凝之后,经过1分钟的快速混合和反应,然后经过10分钟的絮凝反应,40分钟沉淀,然后进行过滤,滤速为15m/h,取滤后水进行富集。
  本次试验的化学药剂高锰酸钾采用化学分析纯试剂;次氯苯酸钠采用液体分析纯试剂;聚合氯化铝采用唐山产的聚合氯化铝,性能较为稳定;高锰酸钾复合药剂采用分析纯试剂。
  水样编号、聚合氯化铝的投加量、高锰酸钾的投加量、氯的投加量、高锰酸钾复合药剂的投加量等数据详见下表:
不同处理工艺的药剂投量
水样
编号
降合氯化(P\C)
mg/l
预氯化
mg/l
高锰酸钾
mg/l
高锰酸钾复合药剂
mg/l
富集水样体积
l/水样
1 - - - - 18
2 13 - - - 18
3 13 4.0 - - 18
4 13 - 1.0 - 18
5 13 - - 2.3 18
不同处理工艺的滤后水中的有机物数量及峰面积比较
水样
(滤后水)
检测出的有机物的数量 不同处理工艺的有机物数量与源水的比较 不同处理工艺的有机物数量的去除率 检测出的有机物峰面积 不同处理工艺的有机物峰面积与源水比较 不同处理工艺的有机物峰面积的去除率
1 源水 153 100% 0.0% 2.3*1010 100% 0.0%
2 源水+PAC 137 89.5% 10.5% 6.6*1010 28.7% 72.3%
3 源水+PAC+CL2 99 64.7% 35.3% 4.8*1010 20.9% 79.1
4 源水+PAC+KMnO4 84 54.9% 45.1% 4.1*1010 17.8% 82.2%
5 源水+PAC+CP 51 33.3% 66.7% 1.4*1010 6.1% 93.91%
不同处理工艺的滤后水中的有机物种类及浓度比较
有机物种类 烷烃 烯烃 炔烃 稠环芳烃与杂环化合物 卤代烃 硝基化合物
工艺 浓度为源水的百分比
1 源水 0.74 25.2 12.26 7.77 3.4 19.2 14.38 18 2.42 4.27
2 PAC混凝(滤后水) 3.02 0.72 9.3 2.61 2.63 0.27 7.3 3.88 4.11 0.79 2.08
3 预氯化(滤后水) 0.71 0.22 6.5 3.55 1.82 T 3.89 3.89 7.8 0.4 1.08
4 KMn04预处理(滤后水) 0.151 T 6.05 2.94 1.83 T 3.22 3.11 7.55 0.24 1.05
5 KMn04复合药剂预处理(滤后水) T T 2.42 0.65 0.88 T 1.42 0.34 1.72 T 0.24
   注:表3中“T”表示水中该类物质含量为微量

  从表2中可以看出,源水检出有机物数量为153个,源水+PAC为137个;源水+PAC+CL2为99个,源水+PAC+KMn04为84个;源水+PAC+CP为51个。不同处理工艺的有机物数量与源水比较的去除率分别为:源水+PAC为10.5%;源水+PAC+CL2为35.3%源水+PAC+KMn04为45.1%;源水+PAC+CP为66.7%。
  不同处理工艺滤后水的有机物峰面积与源水比较分别为:源水+PAC为28.7%,源水+PAC+CL2为20.9%,源水+PAC+KMn04为17.8%,源水+PAC+CP为6.1%。去除率相应达到:源水+PAC为72.3%;源水+PAC+CL2为79.1,源水+PAC+KMn04为82.2%;源水+PAC+CP为93.9%。这意味着高锰酸钾复合药剂预处理能够在低温低浊高污染的水质情况下将滤后水的有机物的数量降低2/3,检测出的有机物的浓度降低93.9%,相当于较源水降低了一个数量级。
  从表3中可以看出,几种处理工艺都对种类和浓度有去除作用,其中高锰酸钾复合药剂在这几种工艺中,效果是理想的。在对水中有害污染物的去除效果方面,发现:1、稠环芳烃与杂环化合物在源水中占的比例为18%,高锰酸钾复合药剂预处理(滤后水)占源水的比例为1.72%,约为源水中稠环芳烃与杂环化合物的1/10,去除率为90.4%;2、卤代烃占源水的比例为2.42%,高锰酸钾复合药剂预处理(滤后水)卤代烃的检出浓度在仪器检出线以下,相汉于完全去除了卤代烃;3、硝基化合物占源水的4.27%,高锰酸钾复合药物预处理(滤后水)硝基化合物的浓度为源水的0.24%,去除率为94.4%;4、高锰酸钾复合药剂预处理对本分类的去除效果也很理想,其中源水中酚类占3.4%,高锰酸钾复合药剂预处理(滤后水)酚类的检出浓度在仪器检出线以下。

  四、高锰酸钾复合药剂对水中致突变性物质去除作用的研究

  1、水样的处理和富集
  水样的处理和富集方法与GC-MS测试的水样处理方法相同,每个检测水样体积为200L。
  2、水样Ames试验
  (1)检样处理:乙醚洗脱后的有机富集物经K.D浓缩器浓缩,然后用二甲基亚砚溶解,稀释成不同的浓度,4℃冰箱保存备用。
  (2)测试用菌株:鼠伤寒沙门氏菌(组氨酸缺陷型):TA98、TA100直接由美国加利福尼亚大学Ames实验室提供,经菌种特性鉴定,各项遗传学性状均合格后,与试验前一天37℃振荡培养过夜,是菌液浓度达到1--3X108个/ml,作为试验用菌液。
  (3)对照物:
阴性对照物:二甲基亚砜(DMSO),为检样及阳性对照之溶剂。
阳性对照物:敌克松(Dexon)。
  (4)试验方法:向充分溶化好45℃保温的顶层培养基中加入增菌液0.1毫升,检样0.1毫升,立即混匀,迅速侄晨底层培养基上,均匀铺平。终剂量为7、5、3、1L/皿,另设阴性对照和阳性对照,待顶层凝固后翻转平皿于37℃温箱中培养48小时后,记数回变菌落数。每次做两块平行皿,重复三次,计算平均回变菌落数。
  (5)结果判断:试验结果以单位体积的水(L)所引起的回复突变的菌落数表示。回复突变菌落数等于或超过自发回变菌落数的2倍,即可判断为阳性结果。
  3、试验结果与分析
  高锰酸钾复合药剂处理与单纯混凝剂处理后的滤后水与氯化消毒后水的测试证明在各处理阶段所取的水样加S9均表现为阴性,试验结果从略。水样只对加S9均表现线形关系,表明该水源的水体和水处理各个阶段都表现为主要含有直接移码型和直接碱基置换型质突变物质。

高锰酸钾复合药剂对水中移码型质突变物质的影响
水样种类 剂量
(L/皿)
诱变指数(MR) 剂量--反应关系:Y=aX+b
Y:诱变指数 X:水样体积(L)
a b R2:相关体积
源水 1
3
5
7
0.64
0.94
1.05
1.93
0.2 0.34 0.86
PAC混凝(滤后水) 1
3
5
7
0.48
0.7
0.81
1.58
0.17 0.21 0.85
高锰酸钾复合药剂处理(滤后水) 1
3
5
7
1
0.95
1.57
1.64
0.13 0.78 0.81
PAC混凝(氯化消毒后水) 1
3
5
7
1.7
2.49
3.06
5.44
0.59 0.81 0.89
高锰酸钾复合药剂处理(氯化消毒水) 1
3
5
7
0.56
1
1.26
1.79
0.2 0.36 0.98

  五、高锰酸钾复合药剂预处理强化混凝效能的研究

  1、试验方案与过程
  地表水中的有机污染物的有机污染物的大量存在,对水体中物质的组成和体系的各种平衡都产生了重要的影响。这些天然有机污染物能起到分散剂作用,阻碍颗粒间的结合过程|4||5|
  有机污染物在水中的大量存在,使得传统工艺只有50-60%的浊度去除率。用增加混凝剂投量的方式来改变处理效果,不仅是处理成本升高,而且使水中金属离子浓度增加,不利于用水居民身体健康|6|
  采用预氯化,可以去除一定的有机物和起到一定的助凝作用。但是会产生大量的卤代有机物,这些物质在混凝聚力、沉淀及过滤过程中也不能得到有效的去除|7|。目前,国外还有采用臭氧预处理技术进行除污染和助凝的,虽具一定效果,但由于其设备和运行费用昂贵,在发展中国家难于推广。
  本研究的目的是考察高锰酸钾复合药剂在水处理中强化混凝和取代预氯化的性能。
  生产性实验是在D市一地面水厂进行的。该厂以附近的地面水库为水源。近年来,由于居民生活污水和工业废水的排入,水源受到严重的污染,其中一月份的原水全分析报告中的Cr值高达39.5mg/L,而水中的浊度仅为几十度。这种高有机物含量的地表水在低温低浊暑期是一种比较难以处理的水。实验共进行了二年的时间,分别选择在2月,4月,10月末至11月,和12月末至1月,基本上都是水质最难处理的低温低浊。同时,水质,水温,PH值,浊度相对稳定,便于进行对比试验。
  图1为该厂的工艺流程图,设计水量为10万吨/日,具有两套平行的水处理系统,工艺相同,设计参数相同。试验采用调整两套流程使其水量相同其它工况基本相同的方法,进行对比试验。
  2、高锰酸钾复合药剂强化混凝试验结果与分析
  本试验进行的时间选择在2月、4月、10-11月、1月,基本上都是水质最难处理的低温低浊时期。同时,水质、PH值、水温、色度、浊度相对稳定,便于进行对比试验。试验条件见表1。

试验条件
试验时间 水温(℃) 浊度(度) PH Cr(mg/l)
2月 2 35 8.7 28
4月 6-7 42-44 8.8 10.9(Mn)
10月 6-6.5 72-79 8.7 52
11月 0 40 8.8 39.5

  图2、图3、图4和图5分别为2月、4月、10月和1月高锰酸钾助凝、高锰酸钾复合药剂助凝和预氯化助凝的部分观测结果。

  图2所示的为2月份高锰酸钾助凝、高锰酸钾复合药剂助凝和预氯化助凝的部分观测结果。

  试验中,由于原水处于低温低浊且有机物含量很高的状态。因此,混凝剂的用量(单耗)相对于一般的地表水处理药高,经过对比试验,得到本次试验聚合氧化铝PAC的起始投加量为87mg/L。
  在高锰酸钾助凝试验中,我们固定PAC投量为87mg/L,改变高锰酸钾投量(一次为1.9mg/L、2.8mg/L、4.8mg/L),考察其对助凝效果的影响。从图中可以看出,高锰酸钾助凝较预氯化助凝使沉后水浊度降低4-6度,但存在一个最佳投药点(实际上是一个最佳投加范围),在这一范围内,助凝效果最好,超过这一范围后,投量过高或过低,效果都要下降。
  在高锰酸钾复合药剂助凝试验中,我们固定复合药剂中辅剂投量(5mg/L)和PAC投量(87mg/L),改变高锰酸钾的投量,结果发现,高锰酸钾复合药剂助凝较高锰酸钾助凝曲线沉后水余浊下降1.5-2.0度,效果更好,而且,高锰酸钾复合药剂助凝时,仍和高锰酸钾单独助凝时,最佳投量范围相同。
  为了考察预氯化与高锰酸钾复合药剂助凝在相同出水浊度情况下的药剂耗费量,我们在预氯化试验中(投氯量5.2mg/L)不断增加PAC投量,结果发现,PAC投量从87mg/L增至152mg/L,仍未达到高锰酸钾复合药剂的助凝效果。而在相同PAC投量(均为87mg/L)时,高锰酸钾复合药剂助凝KMnO42.8mg/L、辅剂XY5mg/L)较预氯化助凝C12为5.2mg/L)沉后水余浊度要降低8度左右。


各次试验不同预处理工艺进、出水主要化学指标
工艺 原水 出 水
预氯化助凝 高锰酸钾复合药剂助凝
试验时间 4月 10月 1月 4月 10月 1月 4月 10 1月
PAC投量(mg/L) 152.0 142.0 102.0 65.0 92.4 85.0
助凝剂投量(mg/L) C2:7.8 C2:10.5 C2:14.1 KMn04:1.9
XY:2.2
KMn04:1.58
XY:1.8
KMn04:2.0
XY:1.76
cr(mg/L) 10.9tn 52.4 39.5 10.7 42.6 19.8 9.5 36.4 21.3
NH3-N(mg/L) 0.51 0.61 0.061 0.024 0.159 0.173 &<0.016
NO3-N(mg/L) 0.52 0.50 0.62 &<0.1 0.24 0.57 &<0.1 &<0.1
NO2-N(mg/L) &<0.004 0.014 &<0.004 &<0.004 0.0045 &<0.004 &<0.004
TMn(mg/L) 0.037 0.17 0.126 &<0.011 0.024 0.045 0.0138 0.026 0.0967
氯仿(μg/L) ND ND ND 32.7 46.2 36.00 ND ND ND

  注:1、ND表示所检测项目的浓度在仪器检测线以下;2、由于篇幅所限其它化学指标略去;3、表为数据表示平行样的平均数值。

高锰酸钾预处理助凝经济效益分析
试验时间 药剂用量(kg/1000m3水) 高锰酸钾复合药剂预处理较预氯化节约药剂费用
预氯化处理 高锰酸钾复合药剂预处理
PAC Cl2 PAC KMn04 XY复合助剂 节约药剂费(元/1000m3水) % 年节约药剂费(元)
2月 152 5.2 87 2.8 5 113.4 33.13 4139100
4月 108 7.8 65 1.9 2.2 84.5 33.90 3084250
10月 142 10.5 92.4 1.53 1.8 107.23 32.68 3913895
1月 102 14.1 85 2.0 1.76 37.27 15.18 1360355
平均值 85.6 28.72 312440
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