微污染水源水质特征分析及水处理实验

江 富， 李喜林， 刘泰毅， 王聪聪， 郭玉耀

(辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁 阜新 123000)

微污染水源水质特征分析及水处理实验

江 富， 李喜林， 刘泰毅， 王聪聪， 郭玉耀

(辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁 阜新 123000)

为了给微污染水源水处理提供可靠工艺参数，以白石水库水源水为研究对象，在水质监测基础上，对白石水库水质进行分析，并针对水源水质特点，进行了高锰酸钾与沸石联用处理微污染水源水实验研究。结果表明，白石水库各监测点位浊度、高锰酸盐指数、氨氮等指标不同程度超标，采用高锰酸钾预氧化、PAC+PAM混凝和沸石吸附联用能有效去除水中浊度、高锰酸盐指数和氨氮，使处理后三种水质指标达到生活饮用水卫生标准。

微污染水源水;高锰酸钾;混凝;沸石;有机物;氨氮

0 引言

据统计，我国80%以上水域和45%地下水被污染，90%以上城市水域遭受污染或严重污染［1］。目前，我国人群患病的88%、死亡人数的33%与生活用水污染、水质不洁直接相关［2］。近年来，工农业的飞速发展和城市化进程的加速，使得许多水源受到不同程度的污染，而这些水源(微污染水源)正是人们饮用水的主要来源地。

微污染水源水一般是指水体受到有机物污染，部分水质指标超过地表水环境质量标准(GB3838—2002)Ⅲ类水质标准的水体［3］。对于微污染水源水中的有机物、氨氮等污染物，采用现有常规处理工艺(混凝→沉淀→过滤→消毒)不能有效去除，无法保障人们饮水安全［4］。同时，生活饮用水水质标准越来越严格，现有水厂亟需改造，在传统水处理工艺基础上，增加经济合理、安全可靠的处理单元，是目前微污染水源水处理理论和实践的重点［5］。

国内外学者在微污染水源水处理方面做了大量工作，微污染源水处理的两类主要方法——源水深度处理和源水生物化学预处理技术得到广泛应用，同时，一些新技术、新工艺，如高级氧化技术、超滤膜技术等也被引入。但由于经济及技术等原因，很多技术还在研究阶段。从国内外的研究热点与应用情况看，根据微污染水源水质特征，强化传统水处理工艺，或将传统处理工艺与各种物理、化学、生物技术联用，进行优化组合，得到满足要求的净水新工艺，受到越来越多研究者的重视［6－9］。

基于此，以阜新“引白水源工程”的白石水库为研究对象［10］，对丰水期和枯水期水质进行监测分析，探究白石水库水源水质特征，在此基础上，进行高锰酸钾预氧化和沸石吸附联用处理微污染水源水实验研究，试图开发出适合微污染水源水处理的新技术。

表1 白石水库水质监测结果Table 1 Water quality monitoring results of Baishi reservoir

1 白石水源水质特征分析

1.1 监测时间与地点

白石水库入库河流干流为大凌河，支流有牤牛河和凉水河。水质监测取大凌河、水库中心区和引白入阜工程水源取样口三个点位。主要监测时间在2010－10－06、2011－01－02、2011－02－12和2011－05－01四个时段，时间包括枯水季节和丰水季节，具有代表性。

1.2 水质指标及测定方法

高锰酸盐指数(CODMn)用酸性高锰酸钾滴定法(GB/T 5750.7—2006)测定，氨氮质量浓度用纳氏试剂比色法(GB7479—87)测定，浊度φ用浊度仪测定，pH值用精密pH计测定、BOD5用BOD测定仪测定。

1.3 测定结果及分析

白石水库不同时间、不同监测点位的水质监测结果和水质标准如表1所示。

由表1可以看出，与《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)、生活饮用水水源水质标准(CJ3020—93)和生活饮用水卫生标准(GB5749—2006)相比，各监测点位浊度、高锰酸盐指数、氨氮等指标不同程度超标。从时间上分析，2月份监测点位污染较为严重，可能是冬季水结冰，流动性差，水体自净作用差;从空间上分析，大凌河是白石水库主流，城市生活污水未经处理直接排放，水土及化肥流失，入库水量少、水位偏低使得水体自净能力未得到充分发挥等原因导致有机污染物(高锰酸盐指数)和富营养化物(氨氮)等超标较多。而白石水库作为辽西地区最大生活饮用水水源，关系到阜新、北票等地区饮用水安全和社会经济发展，具有不可替代的作用。仅仅采用常规处理工艺不能有效去除污染物，必须采取一定的强化处理措施，以保证达到现行饮用水标准要求。

2 微污染水源水处理参数确定

白石水库作为水源，不仅具有微污染的特点，而且地处东北地区，冬季属于低温低浊水，温度较低时，水的净化难度随之加大，从不利因素考虑，文中采用高锰酸钾预氧化、混凝和沸石吸附联用方式，进行低温低浊微污染水源水处理实验研究。

原水于2011－12－03取自白石水库，水温tw在5℃，pH值7.3，浊度20.6 NTU，高锰酸盐指数为11.75 mg/L，氨氮为1.96 mg/L。模拟水厂实际工艺进行实验，絮凝采用电动搅拌方式，混凝实验为:混合时间3 min，混合转速300 r/min，反应时间15 min，反应转速50 r/min，沉淀时间25 min。用高锰酸钾预氧化时，高锰酸钾先于絮凝剂投加，并以150 r/min的转速搅拌反应15 min。经过氧化处理后的水样进行天然沸石吸附实验分别测量吸附前后高锰酸盐指数、氨氮质量浓度变化。

2.1 混凝沉淀实验

实验选择PAC作为絮凝剂，PAM作为助凝剂，保持原水pH值不变，改变絮凝剂投加量，考察絮凝剂和助凝剂投加量对混凝处理效果的影响，实验结果如图1和2所示。

图1是PAC投加量对污染物去除影响曲线，可以看出，随PAC投加量 ρPAC的增加，浊度、高锰酸盐指数和氨氮去除率都呈增长趋势，在ρPAC达30 mg/L后，增速放缓，因此，确定 PAC最佳投药量为30 mg/L。此时浊度去除率为69.36%，高锰酸盐指数去除率为46.36%，氨氮去除率为6.07%。PAC和 PAM混合投加，固定 PAC为30 mg/L不变，投加PAM，各污染物去除率继续增加，以浊度增速较大(图2)，在 PAM投加量达3 mg/L后，增速放缓，此时浊度去除率为92.72%，高锰酸盐指数去除率为55.69%，氨氮去除率为8.72%。实验得到的最佳絮凝沉降时间为25 min。可见，絮凝剂单独投加时，浊度去除效果较好，高锰酸盐指数得到一定去除，而氨氮去除效果较差，确定PAC和PAM最佳投药量分别为30 mg/L和3 mg/L。

图1 PAC投加量对污染物去除影响Fig.1 Influence of PAC dosage on pollutants removal

图2 PAM投加量对污染物去除影响Fig.2 Influence of PAM dosage on pollutants removal

2.2 高锰酸钾预氧化和混凝联用实验

高锰酸钾对水中微量有机物去除效果较好的主要原因可能包括:一是高锰酸钾对微量有机物具有氧化作用，一是水合二氧化锰对微量有机物具有吸附作用，且二氧化锰还可对高锰酸钾与有机物间的反应起催化作用，这两种作用相互影响，相互协同［11－12］。

实验水样为2011－12－03日取自白石水库的原水，选择PAC作为絮凝剂，PAM作为助凝剂，固定PAC投加量为30 mg/L，PAM为3 mg/L，投加顺序为先氧化后混凝，分别加入不同剂量高锰酸钾，氧化15 min，测定剩余浊度、高锰酸盐指数和氨氮，结果如图3所示。

由图3可见，随高锰酸钾投加量增加，高锰酸盐指数和氨氮去除效果增强，浊度变化很小。可见，絮凝剂投加前，通过高锰酸钾预氧化，可以使高锰酸盐指数和氨氮去除率大幅提高。当高锰酸钾投加量从2.5 mg/L增至3.0 mg/L时，高锰酸盐指数和氨氮的去除率分别从66.80%和35.90%增至69.50%和37.34%，增速变缓，从节省药品考虑，确定高锰酸钾投加量为2.5 mg/L。

图3 高锰酸钾投加量对污染物去除影响Fig.3 Influence of potassium permanganate dosage on pollutants removal

2.3 沸石吸附实验

沸石是一族具有连通孔道、呈架状构造的含水铝硅酸盐矿物。特殊的晶体化学结构使沸石拥有离子交换、高效选择性吸附、催化等优异性能和环境属性，是一种很有潜力的吸附剂［13］。向25 mL高锰酸钾预氧化和混凝联用工艺处理后水溶液(2.2节处理后水，水质为:浊度1.0 NTU，高锰酸盐指数为3.9 mg/L，氨氮为1.26 mg/L)中加不同剂量的0.15～0.60 mm 粒径沸石，加塞后在25℃下恒温震荡，在150 r/min下吸附120 min后，测滤液中高锰酸盐指数和氨氮质量浓度，实验结果如图4所示。

图4 沸石投加量对污染物吸附作用影响Fig.4 Influence of zeolite dosage on pollutants adsorption

实验结果表明，沸石作为一种有潜力的吸附剂，对氨氮和高锰酸盐指数都有一定的去除效果，对氨氮去除效果最好。随着沸石用量mz增加，氨氮和高锰酸盐指数去除率逐渐增大，而吸附容量却随着沸石用量增加而降低。高锰酸盐指数和氨氮最大去除率分别为30.02%和97.21%。

上述实验可以看出，“高锰酸钾预氧化+PAC、PAM混凝沉淀+沸石吸附”对微污染水源水中浊度、高锰酸盐指数和氨氮的去除效果明显，处理后水中浊度为1.0 NTU，高锰酸盐指数为2.73 mg/L，氨氮为0.04 mg/L，未检测到高锰酸钾、PAC和PAM药剂存在。可见，微污染水源水中三种主要水质指标达到饮用水卫生标准要求。因此，建议以微污染水为水质特征的新建净水厂或老水厂改造中，采用“高锰酸钾预氧化→PAC+PAM混凝→沉淀→过滤→沸石吸附→消毒”工艺，出水可达饮用水卫生标准要求。

3 结论

(1)对白石水库水质时空动态监测结果显示，浊度、高锰酸盐指数、氨氮等指标不同程度超标，属于典型的微污染水源水。

(2)混凝实验结果显示，PAC和PAM混合投加，浊度去除效果较好，去除率为92.72%，高锰酸盐指数得到一定去除，去除率达到55.69%，氨氮去除效果较差，去除率仅为8.72%，最佳投加量为PAC 30 mg/L、PAM 3 mg/L，最佳絮凝沉降时间为25 min。

(3)先高锰酸钾氧化再混凝可明显提高高锰酸盐指数和氨氮去除率，高锰酸钾最佳投药量为2.5 mg/L，氧化15 min后投加PAC 30 mg/L、PAM 3 mg/L。

(4)沸石对氨氮和高锰酸盐指数都有一定的去除效果，对氨氮去除效果最好，25 mL高锰酸钾氧化后向溶液投加粒径0.15～0.60 mm沸石10 g，吸附120 min，氨氮去除率达到97.21%。

(5)在微污染水源水处理厂建设或老水厂改造中，可以考虑在传统水处理工艺(混凝→沉淀→过滤→消毒)中，加入高锰酸钾预氧化和沸石吸附工艺，出水可达到饮用水卫生标准要求。

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Analysis of water quality characteristics and experimental study on water treatment of micro-polluted source water

JIANG Fu， LI Xilin， LIU Taiyi， WANG Congcong， GUO Yuyao
(College of Civil Engineering＆ Architecture，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

This paper aims to provide reliable technological parameters for the treatment of micro-polluted source water.The paper builds on the water from Baishi reservoir as research object and describes an analysis of the water quality based on water quality monitoring and experimental research on treating micro-polluted source water by combining potassium with permanganate-zeolite，as determined by water quality characteristics.The result shows that an effective removal of turbidity，permanganate，and ammonia nitrogen index found exceeding standards to varying degrees by combined adoption of preoxidation by potassium permanganate，coagulation with PAC and PAM ，and zeolite adsorption leaves water qualities after treatment up to Standards for Drinking Water Quality.

micro-polluted source water;potassium permanganate;coagulation;zeolite;organic compounds;ammonia nitrogen

X524;TU991.2

A

2012－05－02

国家大学生创新性实验计划项目(101014729);辽宁省教育厅科学技术研究项目(L2011045);辽宁工程技术大学科学研究立项计划项目(2010ZR15)

江 富(1989－)，男，江苏省南京人，硕士，研究方向:水污染治理，E-mail:dxscxjh501@163.com。

(编辑 王 冬)