周環(huán)宇

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國80%的地表水域和45%的地下水區(qū)域遭受不同程度的污染[1]。20世紀(jì)初城市飲用水中發(fā)現(xiàn)了可致病的原生動物、藻類大量繁殖使得飲用水安全出現(xiàn)問題[2]?？刂骑嬘盟廴?，并采用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)對污染的飲用水進(jìn)行處理，保障區(qū)域生活飲用水安全，具有重要的研究意義[3]。朝陽市作為北方缺水較為嚴(yán)重的城市，根據(jù)水資源公報統(tǒng)計(jì)，水資源總量為15.4×108m3，人均占有量為全省水資源人均占有量的50%，缺水問題已經(jīng)成為制約朝陽市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題[4]。此外，近些年隨著朝陽地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，地表水污染遭受不同程度的破壞，根據(jù)水環(huán)境監(jiān)測部門數(shù)據(jù)顯示，朝陽地區(qū)70%的河流可滿足IIIl類水，而30%的河流屬于IV類，甚至為V類水，部分水庫富營養(yǎng)化程度較高，40%的水庫屬于中等程度富營養(yǎng)化水平[5]。為此面對水資源短缺和水污染特征，為保障城市正常生活飲用水安全，需要對其凈水工藝進(jìn)行探究。通過一些學(xué)者的研究[6- 8]，北方地表飲用水的特點(diǎn)為低溫低濁、微污染水源水質(zhì)難處理，傳統(tǒng)凈水工藝很難達(dá)到理想的凈化效果。近些年來，對于微污染水處理得到國內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)注，主要為兩類方法，分別為源水深度處理和源水生物化學(xué)預(yù)處理技術(shù)得到不同程度的應(yīng)用[9- 11]，同時一些新技術(shù)和工藝如高級氧化技術(shù)、超濾膜技術(shù)也被逐步引入[12- 14]，但針對北方低溫低濁、微污染水源水質(zhì)難處理的組合凈水工藝研究還較少，因此為提高北方缺水型城市生活飲用水安全，需要對其傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改造提出一套適合于北方地區(qū)水源特征的凈水優(yōu)化工藝。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)所用儀器

為對提出的凈水改造工藝進(jìn)行水質(zhì)凈化效率對比，主要從源水中高錳酸鉀指數(shù)、氨氮、濁度測定進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的儀器見表1。

表1 試驗(yàn)所需的儀器

1.2 試驗(yàn)所用材料

試驗(yàn)所用的沸石主要采用阜新太平地區(qū)的斜發(fā)沸石、粉煤灰以及膨潤土混合制成。水質(zhì)測定試劑為1∶1比例的硫酸溶液；濃度為50g/L的過硫酸鉀溶液；濃度為100g/L的抗壞血酸溶液；標(biāo)準(zhǔn)濃度為2mg/L的磷標(biāo)準(zhǔn)測定溶液；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH和HCl溶液；七水硫酸亞鐵、葡萄糖、硫酸亞鐵銨、硫酸銀以及重洛酸鉀溶液。

1.3 試驗(yàn)方法

采用酸性高錳酸鉀滴定方法(GB/T 5750.7—2006)進(jìn)行高錳酸鉀指數(shù)的測定。采用納氏試劑比色法(GB 7479—87)對氨氮濃度進(jìn)行測定。采用鉬酸鹽分光光度方法(GB 11893—89)進(jìn)行總磷濃度的測定。采用濁度儀對水體濁度進(jìn)行分析。采用精密pH計(jì)對水體中的pH值進(jìn)行測定。

1.4 污染濃度測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.4.1氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線

采用GB 7479—87納氏試劑比色法對氨氮濃度進(jìn)行測定，將氨與碘化汞和碘化鉀的堿性溶液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成棕紅色的膠態(tài)化合物，一般將波長設(shè)定為420nm，使得色度與氨氮含量呈正比后，對其吸光度進(jìn)行測定，并分析氨氮濃度，見表2。

表2 氨氮不同質(zhì)量對應(yīng)的吸光度值

1.4.2總磷標(biāo)準(zhǔn)曲線

采用GB 11893—89鉬酸鹽分光光度方法進(jìn)行總磷濃度的測定，用移液管對不同體積的標(biāo)準(zhǔn)磷溶液進(jìn)行吸取后移入到50mL的比色管中，稀釋至標(biāo)準(zhǔn)刻度后，倒入1mL的抗壞血酸溶液，30s后將1mL鉬酸銨溶液進(jìn)行均勻混合，進(jìn)行顯色處理。在常溫條件下放置10min后進(jìn)行吸光度的測定，見表3。

表3 不同磷標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 高錳酸鉀單獨(dú)氧化處理微污染水源的凈化試驗(yàn)效果

2.1.1高錳酸鉀投加量的凈化效果試驗(yàn)

在10個250mL的錐形瓶內(nèi)放入200mL的試驗(yàn)水樣，分別加入不同濃度的高錳酸鉀溶液，使得其濃度分別達(dá)到0.6l、0.1、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.5mg/L，放入到溫度控制在5℃的搖床中，將轉(zhuǎn)速調(diào)整到150r/min，搖勻震蕩的時間控制在10min，對高錳酸鉀和氨氮濃度進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 高錳酸鉀投加量對高錳酸鉀指數(shù)和氨氮去除率影響試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著高錳酸鉀投加量的不斷增加，高錳酸鉀指數(shù)和氨氮的去除率都逐步遞增，當(dāng)高錳酸鉀投加量的濃度高于2.5mg/L后，高錳酸鉀指數(shù)和氨氮的去除率增幅減小，最后對以上兩種污染物的去除率分別為16.05%和13.84%。

2.1.2pH值的凈化效果試驗(yàn)

在12個250mL的錐形瓶內(nèi)分別放入200mL的試驗(yàn)水樣，水樣中高錳酸鉀指數(shù)濃度為2.5mg/L，將水樣的pH值分別調(diào)整到5.0、5.2、5.4、5.6、5.8、6.0、6.2、6.4、6.6、7.5、8.6、9.8后放入恒溫的搖床，將搖床溫度控制為5攝氏度，轉(zhuǎn)速調(diào)整至150r/min，搖勻震蕩10min后對高錳酸鉀和氨氮濃度進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，pH值的變化對有機(jī)物的去除效率較低，在弱堿性和中性條件下，對高錳酸鉀指數(shù)及氨氮去除率較高，而在堿性和弱酸性條件下，對其去除效率較低，通過試驗(yàn)表面pH值適宜的范圍為7.5～8.6之間，其中pH=8.6的去除效率最大。

2.1.3氧化時間的凈化效果試驗(yàn)

在12在12個250mL的錐形瓶內(nèi)分別放入200mL的試驗(yàn)水樣，水樣中高錳酸鉀指數(shù)濃度為2.5mg/L，將搖床溫min度控制為5℃，轉(zhuǎn)速調(diào)整至150r/min，分別搖勻震蕩6、9、11、13、15、20、30、40、60、90、110、120min，后對高錳酸鉀和氨氮濃度進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 pH值對高錳酸鉀指數(shù)和氨氮去除率影響試驗(yàn)結(jié)果

表6 氧化時間對高錳酸鉀指數(shù)和氨氮去除率影響試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，氧化時間對高錳酸鉀指數(shù)和氨氮去除率影響不同，氧化時間為30min對高錳酸鉀指數(shù)去除率最大，而氧化時間為20min對氨氮的去除率最大。隨著氧化時間的遞增其去除率并未相應(yīng)遞增，具有一定的高低起伏變化。在較短的時間內(nèi)對有機(jī)物的去除效果較好，從而表明了高錳酸鉀指數(shù)的高氧化性。

2.2 混凝處理微污染水源的凈化試驗(yàn)效果

2.2.1最佳絮凝劑種類及最優(yōu)投放藥量試驗(yàn)

混凝劑的一般投藥量的范圍為：普通鐵鹽和鋁鹽的濃度范圍在10～100mg/L之間，聚合鐵和鋁鹽為普通鹽濃度的0.3～0.5倍之間，高分子有機(jī)混凝劑濃度為1～5mg/L之間，混凝劑投藥量過大會導(dǎo)致膠體出現(xiàn)再穩(wěn)形態(tài)。維持試驗(yàn)水樣pH值不發(fā)生變化，將混凝劑種類進(jìn)行改變(氧化鋁PAC、PAC+PAM)以及投藥量分別為15、25、35、45、55、65mg/L，其中PAM為1/10的濃度，試驗(yàn)分析混凝劑和投加量對絮凝影響，結(jié)果見表7，并固定PAC投加量，將PAM進(jìn)行投加，試驗(yàn)分析PAC+PAM混合投加對高錳酸鉀、濁度以及氨氮去除效果，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表7 PAC不同投加量對高錳酸鉀、濁度以及氨氮去除效率的影響試驗(yàn)結(jié)果

表8 PAM不同投加量對高錳酸鉀、濁度以及氨氮去除效率的影響試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，采用PAC混凝劑對高錳酸鉀、濁度以及氨氮均有一定的去除效果，其中去除效果最佳的為濁度，最優(yōu)的PAC投加量為35mg/L，將PAC投加量進(jìn)行固定，隨著PAM的投加，其對高錳酸鉀、濁度以及氨氮也具有較好的去除效果，對氨氮影響波動較大的投加量最優(yōu)值為35mg/LPAC+3mgPAM。

2.2.2最佳水力運(yùn)行條件的正交試驗(yàn)

水力運(yùn)行條件對混凝控制影響程度也較大，采用正交試驗(yàn)方式對各影響因子的主次關(guān)系及最優(yōu)組合進(jìn)行分析，從而探索出最優(yōu)的水力運(yùn)行條件，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 最優(yōu)水力學(xué)運(yùn)行條件下的正交試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，水力影響因子對混凝影響度的排序?yàn)椋悍磻?yīng)時間影響度最大，其次是混合轉(zhuǎn)速，再次是反應(yīng)轉(zhuǎn)速，影響度最低的為混合時間。在同一因子條件下，最佳的水力運(yùn)行條件為：混合的時間為3.25min、混合轉(zhuǎn)速達(dá)到400r/min、反應(yīng)轉(zhuǎn)速為45r/min以及反應(yīng)時間控制在19min。

2.3 高錳酸鉀與混凝處理組合的微污染水源的凈化試驗(yàn)效果

將高錳酸鉀與混凝劑進(jìn)行組合試驗(yàn)，通過對混凝劑和氧化劑進(jìn)行改變投加順序進(jìn)行工藝的選擇，組合下的凈化試驗(yàn)效果見表10。

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著高錳酸鉀投加量的遞增，高錳酸鉀指數(shù)和氨氮的去除率逐步增加，濁度的變化率較低，當(dāng)投加量為2.55mg/L時，高錳酸

表10 高錳酸鉀與混凝處理組合的微污染水源的凈化試驗(yàn)效果

鉀指數(shù)和氨氮的去除率達(dá)到最大值，當(dāng)高錳酸鉀指數(shù)濃度達(dá)到3.52mg/L及氨氮濃度為1.21mg/L，其凈化的水體可到達(dá)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ類水體。當(dāng)為防止高錳酸鉀投放量過大，其投放量應(yīng)控制為2.55mg/L，凈化后的水采用沸石進(jìn)行吸附。

2.4 低溫低濁度凈水處理試驗(yàn)結(jié)果

PAM為聚丙烯酰胺，是一種高分子有機(jī)聚合物，也是一種混凝水處理的產(chǎn)品，可配合絮凝劑進(jìn)行使用，從而使得水體中顆粒進(jìn)行有效沉降，在冬季溫度較低的情況下PAC混凝劑的投加量為25mg/L，分別進(jìn)行5次原水的PAM投加量試驗(yàn)效果分析，結(jié)果見表11—15。

表11 第一次PAM投加試驗(yàn)沉淀效果分析

表12 第二次PAM投加試驗(yàn)沉淀效果分析

表13 第三次PAM投加試驗(yàn)沉淀效果分析

第一次試驗(yàn)中序號1和2形成的礬花形狀較小，而序號4形成的礬花較大，當(dāng)PAM的投加量達(dá)到0.11mg/L，水體中的濁度去除率達(dá)到最大值90.6%，但當(dāng)投加量低于0.11mg/L時，濁度去除率減小，表明達(dá)到最佳投藥量。第二次試驗(yàn)中，序

表14 第四次PAM投加試驗(yàn)沉淀效果分析

表15 第五次PAM投加試驗(yàn)沉淀效果分析

號3形成的礬花速率較快，序號5形成的礬花較少，剛出現(xiàn)礬花的最佳投藥量為0.11mg/L時，水中濁度的去除率達(dá)到最大值為91.5%，第三次試驗(yàn)時序號2和序號3礬花速率較大，序號5較小，緩慢投藥后當(dāng)PAM投藥量為0.10mg/L時，濁度去除率最大值為89.3%。第四次試驗(yàn)時，序號4形成礬花速率最大，序號1最小。隨著PAM投藥量的加大，水體中的濁度逐步增加，當(dāng)投藥量為為0.11mg/L時。其濁度的去除率最大為90.5%。第五次試驗(yàn)中，序號2、3、4均形成較快的礬花速率，序號5的礬花速率較低，緩慢加入PAM藥量后，當(dāng)PAM的投加量達(dá)到0.10mg/L，水體中濁度去除率可達(dá)到85.6%。從以上五組試驗(yàn)結(jié)果可知，在投放絮凝劑后水體濁度范圍在0.31～0.65NTU之間，對應(yīng)的PAM最優(yōu)投放量范圍在0.10～0.11mg/L之間，在冬季低溫下考慮經(jīng)濟(jì)因素建議PAM助凝劑最優(yōu)投放量為0.10mg/L。

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)對于北方冬季低溫低濁水，在水體濁度低于50NTU時，建議混凝劑PAC的投放量為20mg/L，凈水后濁度在1.8～5.2NTU之間變化，助凝劑PAM的投放量建議為0.10mg/L，水體濁度范圍在0.31～0.65NTU之間，可滿足國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的濁度(<1NTU)要求。

(2)采用化學(xué)氧化和物理吸附相組合的凈水方式對于高錳酸鉀、氨氮的去除率效果較為明顯，最佳投藥量組合為35mg/LPAC+3mgPAM，最佳水力運(yùn)行條件分別為：混合的時間為3.25min、混合轉(zhuǎn)速為400r/min、反應(yīng)轉(zhuǎn)速為45r/min以及反應(yīng)時間控制在19min。

(3)溶解性固體也是凈水工藝重要內(nèi)容，在以后的研究中還需重點(diǎn)考慮改造的工藝對溶解性固體去除率的影響。