姜成春1，马军1，王志军2，张海龙2，李圭白1
(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090；
2.哈尔滨市自来水集团公司，黑龙江哈尔滨150080)
摘 要：烧杯试验和生产应用的结果表明，高锰酸钾与粉末活性炭联用对低温低浊微污染源水具有明显的强化处理效果，能显著降低滤后水浊度和高锰酸盐指数。但高锰酸钾与粉末活性炭的投加顺序对混凝效果有一定的影响，在投加混凝剂快速搅拌后再投粉末活性炭可取得很好的强化混凝效果。生产运行结果还表明，少量剩余高锰酸钾可被粉末活性炭还原，而后被混凝过程去除。
关键词：微污染源水；高锰酸钾；粉末活性炭
中图分类号：TU991.2
文献标识码：A
文章编号：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
低温低浊水的净化处理是多年来一直未能很好解决的一个难题。由于水温低，混凝剂水解慢，不易形成良好的絮体；而水的浊度低，则使形成的絮体细小松散，不易沉淀。近年来，国外有些地方采用向水中投加粘土的方式促进絮体的形成，但混凝剂投量仍很高, 沉淀池积泥量也较大，增加了污泥处理的负担。我国近十年来，先后开发了聚合铝混凝、活化硅酸助凝等技术，推动了低温低浊水处理技术的发展。但由于在受有机物污染的源水中，胶体表面电荷密度相对较大，难以脱稳，因而在很多情况下，即使采用某些高分子助凝剂，仍难以取得良好的混凝效果。
近年来，我国在高锰酸钾助凝及处理微污染源水方面开展了一系列研究工作，在生产应用中取得了显著的效果。研究发现［1、2］，高锰酸钾预氧化具有强化脱稳、增大絮体尺寸和加快沉速等作用，高锰酸钾在氧化过程中生成的新生态水合二氧化锰等中间态产物，能够通过吸附作用形成以此种产物为核心的密实絮体。此外，高锰酸钾预氧化可有效地去除水中的微量有机污染物，降低水的致突变活性［3～5］。
对于低温低浊微污染源水的处理，笔者提出了高锰酸钾与粉末活性炭(以下简称活性炭)联用技术。试验发现，高锰酸钾与活性炭联用具有协同作用，能够显著地提高混凝效果、提高污染物的去除率。该技术的优点是不改变现有水处理工艺流程，基建投资小，处理效果受水温、季节等因素影响较小，具有较大的应用潜力。 1 试验内容与方法 以松花江的低温低浊微污染源水为研究对象，通过烧杯搅拌试验探讨高锰酸钾与活性炭联用的强化处理效果。搅拌试验在六联搅拌机上进行，取一系列500 mL源水，放入若干个玻璃烧杯中，分别在不同条件下进行混凝试验，测定沉后和滤后浊度及滤后高锰酸盐指数(CODMn)。该技术随后在哈尔滨市某水厂应用，处理水量约为20×104m3/d，该水厂采用的是常规净水处理工艺，即混凝、沉淀、过滤和消毒工艺。投药点选在稳压井出口，高锰酸钾投加点位于硫酸铝加药点之前，活性炭投加点在硫酸铝加药点稍后的位置。高锰酸钾投量为1.0 mg/L，活性炭投量为5.0 mg/L，硫酸铝投量为40 mg/L。高锰酸钾采用湿投法，即将高锰酸钾配成一定浓度的溶液，用计量泵投加到水中；活性炭也采用湿投法，投加活性炭时需先将其投入到炭浆槽内搅拌成炭浆(采用特殊设计的负压投加系统，避免了活性炭粉尘)，用电磁流量计测定炭浆流量。分别比较单纯常规处理、活性炭吸附、高锰酸钾预氧化、高锰酸钾与活性炭联用这几种不同处理工艺的滤后水水质。 2 试验结果分析 2.1烧杯搅拌试验
表1列出了几种工艺对低温低浊微污染源水处理效果的对比(多次重复试验的烧杯搅拌试验结果)。 表1 几种工艺的处理效果对比| 处理工艺 | 平均沉后浊度(NTU) | 平均滤后浊度(NTU) | 平均滤后CODMn(mg/L) | 比常规工艺CODMn下降的比例(%) | | 常规工艺(加入硫酸铝40 mg/L) | 2.46 | 0.31 | 3.98 | | | 常规工艺+活性炭(活性炭5mg/L) | 2.27 | 0.28 | 3.82 | 4.0 | | 常规工艺+高锰酸钾预氧化(高锰酸钾1mg/L) | 2.27 | 0.22 | 3.39 | 14.8 | | 常规+高锰酸钾与活性炭(高锰酸钾1 mg/L，活性炭5 mg/L) | 2.16 | 0.23 | 2.91 | 26.9 | 注①试验过程为：加入1 mg/L KMnO4，快搅5 min(200 r/min)；加入5 mg/L PAC，快搅5 min(200 r/min)；加入40 mg/L硫酸铝，快搅1 min(200 r/min)，然后慢搅9 min(30 r/min)；沉淀30 min后取上清液测定浊度，取滤后液测浊度和CODMn。
②原水CODMn为4.08 mg/L，浊度为7.46 NTU，水温为0 ℃。 | 可以看出，高锰酸钾与活性炭联用的效果优于单纯的活性炭吸附或单纯的高锰酸钾预氧化。高锰酸钾与活性炭联用具有良好处理效果有两方面原因：一是在高锰酸钾的作用下，水中易被氧化的有机污染物在活性炭表面发生氧化聚合，提高了活性炭的吸附量；二是高锰酸钾在氧化过程中被活性炭等还原性物质部分还原，生成具有氧化性和吸附活性的新生态水合二氧化锰，从而提高了对CODMn的去除效率［6］。有关新生态水合二氧化锰的除污染效能已被有关研究证实［3］。
混凝剂的投加量对高锰酸钾与活性炭联用的处理效果有一定影响(见表2)。随着混凝剂投量的升高，几种处理工艺的沉后与滤后水浊度和CODMn值均明显下降。在试验中无论采用何种混凝剂投量，高锰酸钾与活性炭联用都具有最佳的强化处理效果。
高锰酸钾与活性炭的投加顺序对处理效果也有一定的影响。试验中分别比较了几种投加顺序对处理效果的影响规律(如表3)。
结果表明，在投加混凝剂快速搅拌后再投加活性炭可取得较好的强化混凝效果。水中的胶体脱稳后形成了一定粒度的颗粒，难以参与在活性炭表面上的竞争吸附，同时也由于大分子有机物在快速搅拌时被去除，这两种作用使得活性炭更有利于去除水中溶解性的有机成分，使高锰酸盐指数显著下降；另一方面，在快速搅拌后投加活性炭，可减少其受絮体包裹的影响，使投入的活性炭大都附着于絮体表面，更好地发挥了其吸附有机物的作用。 表2 硫酸铝投量对处理效果的影响| 处理工艺 | 硫酸铝投量(mg/L) | 沉后浊度(NTU) | 滤后浊度(NTU) | 滤后CODMn(mg/L) | 处理工艺
| 硫酸铝投量(mg/L) | 沉后浊度(NTU) | 滤后浊度(NTU) | 滤后CODMn(mg/L) | | 常规工艺(单纯硫酸铝混凝) | 20 | 7.11
| 0.53 | 4.94 | 常规工艺(单纯硫酸铝混凝) | 60 | 2.40 | 0.27 | 4.30 | | 常规+活性炭 | 6.20
| 0.49 | 4.90 | 常规+活性炭 | 2.79 | 0.29 | 3.90 | | 常规+高锰酸钾预氧化 | 5.79 | 0.35 | 5.22 | 常规+高锰酸钾预氧化 | 2.36 | 0.39 | 3.70 | | 常规+高锰酸钾与活性炭联用 | 4.29 | 0.30 | 4.48 | 常规+高锰酸钾与活性炭联用 | 2.16 | 0.26 | 3.60 | | 常规工艺(单纯硫酸铝混凝) | 40 | 3.07 | 0.24 | 4.80 | 常规工艺(单纯硫酸铝混凝) | 80 | 3.33 | 0.30 | 2.90 | | 常规+活性炭 | 2.43 | 0.27 | 4.24 | 常规+活性炭 | 3.59 | 0.22 | 2.60 | | 常规+高锰酸钾预氧化 | 3.48 | 0.25 | 3.60 | 常规+高锰酸钾预氧化 | 3.50 | 0.22 | 2.70 | | 常规+高锰酸钾与活性炭联用 | 2.92 | 0.21 | 3.52 | 常规+高锰酸钾与活性炭联用 | 3.28 | 0.21 | 2.50 | 注 ①原水CODMn为4.96 mg/L，浊度为6.99 NTU，水温：0 ℃。
②高锰酸钾投量：1 mg/L，活性炭投量：5 mg/L。 | 表3 高锰酸钾与活性炭的投加顺序对处理效果的影响| 处理工艺与条件 | 硫酸铝投量(mg/L)
| 沉后浊度(NTU) | 滤后浊度(NTU) | 滤后CODMn(mg/L) | | 常规处理工艺 | 30 | 2.41 | 0.40 | 4.10 | | 先投高锰酸钾快搅5min，再投炭快搅5min，投硫酸铝混凝 | 2.88 | 0.42 | 3.40 | | 高锰酸钾与活性炭同时投加，快搅5 min，再投硫酸铝混凝 | 2.62 | 0.31 | 3.80 | | 先投高锰酸钾快搅10 min，再投硫酸铝快搅1 min后投活性炭 | 2.67 | 0.29 | 3.20 | | 常规处理工艺 | 40 | 2.29 | 0.27 | 3.1 | | 先投高锰酸钾快搅5 min，再投炭快搅5 min，投硫酸铝混凝 | 2.73 | 0.28 | 3.1
| | 高锰酸钾与活性炭同时投加，快搅5 min，投硫酸铝混凝 | 3.07 | 0.27 | 3.3 | | 先投高锰酸钾快搅10 min，再投硫酸铝快搅1 min后投活性炭 | 2.21 | 0.34 | 2.7 | | 常规处理工艺 | 60 | 3.14 | 0.40 | 3.1 | | 先投高锰酸钾快搅5 min，再投炭快搅5 min，投硫酸铝混凝 | 3.17 | 0.44 | 3.3 | | 高锰酸钾与活性炭同时投加，快搅5 min，投硫酸铝混凝 | 2.67 | 0.46 | 3.2 | | 先投高锰酸钾快搅10 min，再投硫酸铝快搅1 min后投活性炭 | 1.96 | 0.35 | 2.9 | | 常规处理工艺 | 80 | 5.6 | 0.40 | 3.1 | | 先投高锰酸钾快搅5 min，再投炭快搅5 min，投硫酸铝混凝 | 4.21 | 0.40 | 2.90 | | 高锰酸钾与活性炭同时投加，快搅5 min，投硫酸铝混凝 | 3.83 | 0.293.1 | | | 先投高锰酸钾快搅10 min，投硫酸铝快搅1 min后投活性炭 | 4.56 | 0.2 | 32.8 | 注 ①原水CODMn为4.76 mg/L，原水浊度为7.47 NTU，水温：0 ℃。
②加入硫酸铝后快搅1 min(200 r/min)，然后慢搅9 min(30 r/min)，沉淀30 min。
③高锰酸钾的投量：1.5 mg/L，活性炭的投量：10 mg/L。 | 2.2生产应用情况
该项技术被应用于哈尔滨市某给水处理厂中，主要在冬季和源水受污染的时期使用，处理能力为20×104m3/d。对生产应用情况进行了观测，分别取松花江水和几种不同处理工艺的滤后水进行水质分析，主要水质指标的测定结果如表4。高锰酸钾与活性炭联用工艺对去除色度有强化作用，优于常规净水处理工艺，滤后水剩余浊度也比常规处理工艺和单纯投加活性炭时有明显降低。在所选择的硫酸铝投量下(40 mg/L)，水中剩余铝的浓度均＜0.2 mg/L。几种处理方式对水中的硝酸盐浓度影响不大。单独投加活性炭、高锰酸钾与活性炭联用对于水中铁的去除作用较明显，滤后水的剩余铁浓度均有较大幅度的降低。投加高锰酸钾进行预氧化使水中的总锰浓度有微弱升高的趋势，但浓度均低于0.1 mg/L(符合国家生活饮用水卫生标准)。高锰酸钾与活性炭联用对水中微量的重金属(如铅)具有明显的去除作用。此外，高锰酸钾与活性炭联用还使水中亚硝酸盐和耗氧量明显降低，但对水的TOC影响不大。 表4 高锰酸钾与活性炭联用的生产情况(综合水质指标)| 处理工艺 | 原水 | 常规工艺(滤后) | 常规+活性炭(滤后) | 常规+高锰酸钾与活性炭(滤后) | | 色度(倍) | 28 | 8 | 8 | 5 | | 浊度(NTU) | 10.4 | 1.70 | 1.5 | 1.3 | | 铝(mg/L) | 0.16 | 0.117 | 0.146 | 0.124 | | 硝酸盐(mg/L) | 1.13 | 1.01 | 0.98 | 1.03 | | 铁(mg/L) | 0.399 | 0.112 | 0.016 | 0.015 | | 锰(mg/L) | 0.045 | 0.044 | 0.069 | 0.085 | | 铜(mg/L) | 0.004 | 0.003 | 0.007 | 0.007 | | 铅(mg/L) | 0.008 | 0.009 | 0.006 | ＜0.002 | | 亚硝酸盐(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 | | 总有机碳(mg/L) | 6.1 | 4.3 | 4.4 | 4.4 | | 总α放射性(Bq/L) | 0.0043 | 0.0010 | 0.0037 | 0.0020 | | 总β放射性(Bq/L) | 0.1363 | 0.1391 | 0.1211 | 0.1404 | | 注 水温为0～1 ℃，处理水量为20×104m3/d，KMnO4：1 mg/L，活性炭：5 mg/L，硫酸铝：40 mg/L。 | 在生产运行中，高锰酸钾投加量约为1 mg/L，活性炭投加量约为5 mg/L，如果高锰酸钾按9 000 元/t计算，活性炭按3 000 元/t计算，则运行费用增加了0.024 元/m3。
生产运行中发现，高锰酸钾与活性炭联用不但在除污染方面具有协同作用，而且具有互补性。由于高锰酸钾与活性炭除污染机理不同，因而对不同结构的污染物的去除效果也不同，但两者联用可以拓宽除污染作用的范围。此外，活性炭还具有还原性，不会由于偶然因素导致高锰酸钾剩余，从而使出水水质稳定可靠。 3 结论 通过烧杯试验和生产应用得出以下结论：
①高锰酸钾与粉末活性炭联用对低温低浊微污染源水具有强化处理效果。
②增加高锰酸钾和粉末活性炭投量有利于提高对低温低浊微污染源水的处理效率。
③高锰酸钾与粉末活性炭的投加顺序对混凝效果有一定程度的影响，在投加混凝剂快速搅拌后再投粉末活性炭可取得较好的强化混凝效果。
④生产应用结果表明，高锰酸钾与粉末活性炭联用对水质常规指标(如色度、浊度、CODMn等)均有显著的去除作用，处理效果优于单纯粉末活性炭吸附。
⑤高锰酸钾与粉末活性炭在生产应用中具有互补性，过量的高锰酸钾可被粉末活性炭还原，不会由于偶然因素导致高锰酸钾剩余，因而运行稳定可靠。 参考文献：
［1］马军，李圭白.高锰酸钾的氧化助凝效能研究［J］.中国给水排水，1992，8(4)：4-7.
［2］马军，陈忠林，李圭白，等.高锰酸盐复合药剂助凝处理高稳定性地表水［J］.中国给水排水，1999，15(9)：1-4.
［3］马军.高锰酸钾去除与控制饮用水中有机污染物的效能与机理［D］.哈尔滨：哈尔滨建筑大学，1990.
［4］李圭白，马军.高锰酸盐复合药剂除污染技术［P］.中国专利：93120471，1993，2.
［5］马军，李圭白，陈忠林，等.高锰酸钾除微污染生产性试验研究［J］.中国给水排水，1997，13(6)：13-15.
［6］姜成春.高锰酸钾与粉末活性炭联用除污染效能研究［D］.哈尔滨：哈尔滨建筑大学，2000.
作者简介：姜成春(1964-)，男，黑龙江省甘南县人，黑龙江省电力公司高级工程师，哈尔滨工业大学在读博士研究生，研究方向为给水处理。电话：(0451)3682512
E-mail:[email protected]
收稿日期：2000-08-15 | 
