净水工艺对锰的去除特性

葛绍阳+王先鹏

摘要：采用高碘酸钾分光光度法对总锰与可溶态锰进行了测定，研究了锰元素在净水处理过程的去除特性。结果表明：在各处理单元中，高锰酸钾预氧化可将原水中近60%的可溶态锰氧化成颗粒态；高密池对颗粒态锰的脱稳沉淀起主要作用，去除率高达85%以上；砂滤过程对可溶态锰的去除作用微乎其微。当原水进水总锰浓度在0.3 mg/L时，出水总锰浓度仅为0.01 mg/L，总去除率为90%。

关键词：地表水；锰污染；去除特性

中图分类号：X524

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0040-03

1 引言

锰（Mn）是地壳的主要组成元素。由于含锰矿物质的侵蚀与渗入，天然水体中广泛含有锰元素[1，2]。据调查结果显示，我国含锰地下水占地下水总量的20%，主要集中在长江中下游地区和松花江流域[3]。全国有18个省市地区的地下水锰含量超标，锰污染现象日趋严重。当锰含量超过0.3mg/L时，能使水产生异味，并会导致因慢性中毒而引发的多种疾病[4]。相比于地下水，地表水体溶解氧含量较高，低价锰易被氧化成高价形态并沉降下来，因此，地表水体锰浓度一般不会过高。

然而，近年来，随着人口的增长和经济的发展，我国先后发现了几个大的地表水系不同程度地受到了锰的污染，如长江水系中四川及重庆断面地表水锰浓度高于0.1mg/L限值[5]；浙江台州长潭水库取水口处锰含量为0.75mg/L[6]；曲靖市独木水库锰含量为0.4mg/L，并呈逐年上升趋势[7]；黑龙江全境五大流域锰含量均超标，其中最严重的嫩江超标率高达12.8倍[8]。因此，对于以地表水作为水源的水厂，面临锰污染的风险越来越严重。通过对合肥某水厂原水及其各处理单元进出水进行采樣分析，系统地考察了锰元素在净化处理过程中的去除特征，并结合水厂自身特性提出地表水锰污染控制建议，以期为同类水厂的运行管理提供经验借鉴与技术支撑。

2 实验材料与方法

2.1 试验用水

大房郢水库是合肥地区的重要水源地，常年水质良好，满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）三类水体质量标准要求。水厂设计采用预氯化+高密池+砂滤处理工艺如图1所示，但由于温度等因素变化，水库水体会出现季节性锰超标现象。为了保障供水水质，水厂在取水头部增设高锰酸钾预氧化系统，实现原水中可溶态锰的强化去除，其目前运行的处理工艺如图2所示。

向经过高锰酸钾、次氯酸钠相继氧化的原水中投加混凝剂聚合铝铁和助凝剂聚丙烯酰胺，实现在混凝、沉淀和过滤过程中高效去除水中悬浮、胶体类颗粒物，出水经消毒处理由市政管网送至用户。为使水厂处理工艺更低耗、高效的运作，课题组于2016年8～9月对水厂各单元进出水进行了连续取样分析，考察了锰元素在水处理过程中的迁移转化特征与去除特性。

2.2 试验方法

水样使用聚氯乙烯瓶采集，采集后立即用硝酸酸化至pH值<2.0，并取一定体积水样经0.45 μm滤膜过滤，用于测定水中可溶性锰。另取50 mL样品加入0.25 mL硝酸，将混合物蒸干至近干，加入0.5 mL硝酸和适量纯水溶解残留物质，加水定容至50 mL，测定总锰。实验用水均为去离子水，总锰与可溶态锰使用HACH-DR/890便携式光度计快速测定。

3 实验结果与讨论

3.1 净化工艺对锰的总体去除效果

水厂自2010年6月出现原水锰含量突然增加后，锰超标呈现季节性变化。起初，水厂利用氯气进行预氧化，欲去除原水中的可溶性锰。由于单纯的利用氯气进行预氧化无法迅速除锰，水厂采取高锰酸钾与氯气联合预氧化强化混凝技术，结合具有高效混凝沉淀特性的高密池，以此达到水体中锰的快速去除效果。但考虑到液氯为重大危险源和氯氧化易生成副产物，现改为投加次氯酸钠进行预氧化。结果表明，采用这种净化工艺极大地去除了水中锰元素，使出水远达到《生活饮用水标准》所规定的小于0.1 mg/L的要求，保障了人们的饮用水安全。如图3所示，已知水厂3 d运行所投加的高锰酸钾平均投加量均为0.5 mg/L。当进水总锰浓度为0.3 mg/L时，滤后出水总锰浓度可迅速降至0.01 mg/L，平均去除率为93%。随着进水总锰浓度的降低，经净化处理过后的出水总锰浓度也呈现下降趋势。由图4可以看出，原水中的可溶态锰经过联合氧化后迅速降低，得到极大去除，平均去除率可达60%。同时，当高锰酸钾平均投加量均为0.5 mg/L，随着原水总锰含量增多，去除效率却越低。与之相反的是，可溶态锰浓度越高，去除效率越高。

综上所述可知，常规净水工艺对水中锰的去除效果很弱，尤其是可溶性锰，仅可去除水中悬浮态锰及部分吸附在黏土颗粒和胶体颗粒上的锰[9]，采用高锰酸盐预氧化后，将水中大部分可溶态锰转化成颗粒态锰，从而改善其在后续净化工艺中的去除效率。高密池对去除水中颗粒态锰起着主要作用。

3.2 各处理单元对锰的去除特性

为了进一步探究水厂净化工艺对锰的去除性能，作者考察了各处理单元对锰的去除效率。原水在投加高锰酸钾后，经过管道运输到达配水井进行水量分配，此时锰含量出现不同涨幅趋势。由图5可知，当进水锰浓度为0.18 mg/L时，出水锰浓度却增加了40%，但随着进水锰浓度的增加，出水锰浓度增长幅度逐渐下降。当进水锰浓度为0.3mg/L时，出水锰浓度仅增加了3%，这可能是由于高锰酸钾投加过量，残余锰含量较高[10]，或是管壁附着的含锰物质释放进入水体中[11]，致使总锰含量不降反升。结合图4可知原水在投加高锰酸钾与次氯酸钠后将水中可溶态锰转化成颗粒态锰，使得可溶态锰含量大幅降低，有利于改善其在混凝沉淀阶段的去除效率。经过高密度沉淀池的混凝沉淀作用，锰得到充分去除，平均去除率高达到了85%，出水总锰甚至低于0.05 mg/L。这不仅仅是因为高密池回流污泥增加了颗粒碰撞率[12]，更是因为之前联合氧化很大程度上破坏了水中有机物对原水中胶体颗粒的保护作用，使得水中颗粒和胶体物质含量增多，从而促进混凝和沉淀过程的进行[13，14]。过滤单元对于锰去除贡献度仅次于混凝沉淀。当滤前进水锰浓度为0.03 mg/L时，出水锰浓度低至0.01 mg/L。同时，随着滤前进水锰含量增加，过滤效果也明显增强。研究表明，这可能是水中残余锰在滤层表面形成有效的含锰吸附层-二氧化锰，强化了对锰的吸附去除作用，并且与滤料表面形成锰氧化物的时间与稳定性有关[15]。

4 结论

通过对锰元素在水库取水口的纵向浓度分布及净水工艺中的迁移转化特征，对比评价了各处理单元对锰的去除性能，得出以下主要研究结果。

高锰酸钾预氧化强化混凝除锰技术具有良好的除锰效果，将水中可溶态锰快速转化成颗粒态锰，去除率高达60%，提高了后续净化工艺的除锰效率。运用具有高效混凝沉淀性能的高密池，极大地提升了净化工艺抵抗锰污染的处理负荷，对颗粒态锰的脱稳沉淀和部分可溶态锰的吸附去除起到主要作用。砂滤处理单元是保证锰得到有效去除的最后屏障，对颗粒态锰的氧化截留作用不可忽略，但对可溶态锰的去除效果不明显。

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