北方缺水型城市生活饮用水净水工艺改造研究

周环宇

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

根据相关数据统计，我国80%的地表水域和45%的地下水区域遭受不同程度的污染[1]。20世纪初城市饮用水中发现了可致病的原生动物、藻类大量繁殖使得饮用水安全出现问题[2]。控制饮用水污染，并采用恰当的技术对污染的饮用水进行处理，保障区域生活饮用水安全，具有重要的研究意义[3]。朝阳市作为北方缺水较为严重的城市，根据水资源公报统计，水资源总量为15.4×108m3，人均占有量为全省水资源人均占有量的50%，缺水问题已经成为制约朝阳市经济发展的主要问题[4]。此外，近些年随着朝阳地区社会经济快速发展，地表水污染遭受不同程度的破坏，根据水环境监测部门数据显示，朝阳地区70%的河流可满足IIIl类水，而30%的河流属于IV类，甚至为V类水，部分水库富营养化程度较高，40%的水库属于中等程度富营养化水平[5]。为此面对水资源短缺和水污染特征，为保障城市正常生活饮用水安全，需要对其净水工艺进行探究。通过一些学者的研究[6- 8]，北方地表饮用水的特点为低温低浊、微污染水源水质难处理，传统净水工艺很难达到理想的净化效果。近些年来，对于微污染水处理得到国内许多学者的关注，主要为两类方法，分别为源水深度处理和源水生物化学预处理技术得到不同程度的应用[9- 11]，同时一些新技术和工艺如高级氧化技术、超滤膜技术也被逐步引入[12- 14]，但针对北方低温低浊、微污染水源水质难处理的组合净水工艺研究还较少，因此为提高北方缺水型城市生活饮用水安全，需要对其传统工艺进行改造提出一套适合于北方地区水源特征的净水优化工艺。

1 试验准备

1.1 试验所用仪器

为对提出的净水改造工艺进行水质净化效率对比，主要从源水中高锰酸钾指数、氨氮、浊度测定进行试验，试验采用的仪器见表1。

表1 试验所需的仪器

1.2 试验所用材料

试验所用的沸石主要采用阜新太平地区的斜发沸石、粉煤灰以及膨润土混合制成。水质测定试剂为1∶1比例的硫酸溶液；浓度为50g/L的过硫酸钾溶液；浓度为100g/L的抗坏血酸溶液；标准浓度为2mg/L的磷标准测定溶液；质量分数为1%的NaOH和HCl溶液；七水硫酸亚铁、葡萄糖、硫酸亚铁铵、硫酸银以及重洛酸钾溶液。

1.3 试验方法

采用酸性高锰酸钾滴定方法(GB/T 5750.7—2006)进行高锰酸钾指数的测定。采用纳氏试剂比色法(GB 7479—87)对氨氮浓度进行测定。采用钼酸盐分光光度方法(GB 11893—89)进行总磷浓度的测定。采用浊度仪对水体浊度进行分析。采用精密pH计对水体中的pH值进行测定。

1.4 污染浓度测定的标准曲线

1.4.1氨氮标准曲线

采用GB 7479—87纳氏试剂比色法对氨氮浓度进行测定，将氨与碘化汞和碘化钾的碱性溶液进行化学反应生成棕红色的胶态化合物，一般将波长设定为420nm，使得色度与氨氮含量呈正比后，对其吸光度进行测定，并分析氨氮浓度，见表2。

表2 氨氮不同质量对应的吸光度值

1.4.2总磷标准曲线

采用GB 11893—89钼酸盐分光光度方法进行总磷浓度的测定，用移液管对不同体积的标准磷溶液进行吸取后移入到50mL的比色管中，稀释至标准刻度后，倒入1mL的抗坏血酸溶液，30s后将1mL钼酸铵溶液进行均匀混合，进行显色处理。在常温条件下放置10min后进行吸光度的测定，见表3。

表3 不同磷标准溶液的标准曲线

2 试验结果

2.1 高锰酸钾单独氧化处理微污染水源的净化试验效果

2.1.1高锰酸钾投加量的净化效果试验

在10个250mL的锥形瓶内放入200mL的试验水样，分别加入不同浓度的高锰酸钾溶液，使得其浓度分别达到0.6l、0.1、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.5mg/L，放入到温度控制在5℃的摇床中，将转速调整到150r/min，摇匀震荡的时间控制在10min，对高锰酸钾和氨氮浓度进行测定，试验结果见表4。

表4 高锰酸钾投加量对高锰酸钾指数和氨氮去除率影响试验结果

从试验结果可看出，随着高锰酸钾投加量的不断增加，高锰酸钾指数和氨氮的去除率都逐步递增，当高锰酸钾投加量的浓度高于2.5mg/L后，高锰酸钾指数和氨氮的去除率增幅减小，最后对以上两种污染物的去除率分别为16.05%和13.84%。

2.1.2pH值的净化效果试验

在12个250mL的锥形瓶内分别放入200mL的试验水样，水样中高锰酸钾指数浓度为2.5mg/L，将水样的pH值分别调整到5.0、5.2、5.4、5.6、5.8、6.0、6.2、6.4、6.6、7.5、8.6、9.8后放入恒温的摇床，将摇床温度控制为5摄氏度，转速调整至150r/min，摇匀震荡10min后对高锰酸钾和氨氮浓度进行测定，试验结果见表5。

从试验结果可看出，pH值的变化对有机物的去除效率较低，在弱碱性和中性条件下，对高锰酸钾指数及氨氮去除率较高，而在碱性和弱酸性条件下，对其去除效率较低，通过试验表面pH值适宜的范围为7.5～8.6之间，其中pH=8.6的去除效率最大。

2.1.3氧化时间的净化效果试验

在12在12个250mL的锥形瓶内分别放入200mL的试验水样，水样中高锰酸钾指数浓度为2.5mg/L，将摇床温min度控制为5℃，转速调整至150r/min，分别摇匀震荡6、9、11、13、15、20、30、40、60、90、110、120min，后对高锰酸钾和氨氮浓度进行测定，试验结果见表6。

表5 pH值对高锰酸钾指数和氨氮去除率影响试验结果

表6 氧化时间对高锰酸钾指数和氨氮去除率影响试验结果

从试验结果可看出，氧化时间对高锰酸钾指数和氨氮去除率影响不同，氧化时间为30min对高锰酸钾指数去除率最大，而氧化时间为20min对氨氮的去除率最大。随着氧化时间的递增其去除率并未相应递增，具有一定的高低起伏变化。在较短的时间内对有机物的去除效果较好，从而表明了高锰酸钾指数的高氧化性。

2.2 混凝处理微污染水源的净化试验效果

2.2.1最佳絮凝剂种类及最优投放药量试验

混凝剂的一般投药量的范围为：普通铁盐和铝盐的浓度范围在10～100mg/L之间，聚合铁和铝盐为普通盐浓度的0.3～0.5倍之间，高分子有机混凝剂浓度为1～5mg/L之间，混凝剂投药量过大会导致胶体出现再稳形态。维持试验水样pH值不发生变化，将混凝剂种类进行改变(氧化铝PAC、PAC+PAM)以及投药量分别为15、25、35、45、55、65mg/L，其中PAM为1/10的浓度，试验分析混凝剂和投加量对絮凝影响，结果见表7，并固定PAC投加量，将PAM进行投加，试验分析PAC+PAM混合投加对高锰酸钾、浊度以及氨氮去除效果，试验结果见表8。

表7 PAC不同投加量对高锰酸钾、浊度以及氨氮去除效率的影响试验结果

表8 PAM不同投加量对高锰酸钾、浊度以及氨氮去除效率的影响试验结果

从试验结果可看出，采用PAC混凝剂对高锰酸钾、浊度以及氨氮均有一定的去除效果，其中去除效果最佳的为浊度，最优的PAC投加量为35mg/L，将PAC投加量进行固定，随着PAM的投加，其对高锰酸钾、浊度以及氨氮也具有较好的去除效果，对氨氮影响波动较大的投加量最优值为35mg/LPAC+3mgPAM。

2.2.2最佳水力运行条件的正交试验

水力运行条件对混凝控制影响程度也较大，采用正交试验方式对各影响因子的主次关系及最优组合进行分析，从而探索出最优的水力运行条件，试验结果见表9。

表9 最优水力学运行条件下的正交试验结果

从试验结果可看出，水力影响因子对混凝影响度的排序为：反应时间影响度最大，其次是混合转速，再次是反应转速，影响度最低的为混合时间。在同一因子条件下，最佳的水力运行条件为：混合的时间为3.25min、混合转速达到400r/min、反应转速为45r/min以及反应时间控制在19min。

2.3 高锰酸钾与混凝处理组合的微污染水源的净化试验效果

将高锰酸钾与混凝剂进行组合试验，通过对混凝剂和氧化剂进行改变投加顺序进行工艺的选择，组合下的净化试验效果见表10。

从试验结果可看出，随着高锰酸钾投加量的递增，高锰酸钾指数和氨氮的去除率逐步增加，浊度的变化率较低，当投加量为2.55mg/L时，高锰酸

表10 高锰酸钾与混凝处理组合的微污染水源的净化试验效果

钾指数和氨氮的去除率达到最大值，当高锰酸钾指数浓度达到3.52mg/L及氨氮浓度为1.21mg/L，其净化的水体可到达水质标准的Ⅱ类水体。当为防止高锰酸钾投放量过大，其投放量应控制为2.55mg/L，净化后的水采用沸石进行吸附。

2.4 低温低浊度净水处理试验结果

PAM为聚丙烯酰胺，是一种高分子有机聚合物，也是一种混凝水处理的产品，可配合絮凝剂进行使用，从而使得水体中颗粒进行有效沉降，在冬季温度较低的情况下PAC混凝剂的投加量为25mg/L，分别进行5次原水的PAM投加量试验效果分析，结果见表11—15。

表11 第一次PAM投加试验沉淀效果分析

表12 第二次PAM投加试验沉淀效果分析

表13 第三次PAM投加试验沉淀效果分析

第一次试验中序号1和2形成的矾花形状较小，而序号4形成的矾花较大，当PAM的投加量达到0.11mg/L，水体中的浊度去除率达到最大值90.6%，但当投加量低于0.11mg/L时，浊度去除率减小，表明达到最佳投药量。第二次试验中，序

表14 第四次PAM投加试验沉淀效果分析

表15 第五次PAM投加试验沉淀效果分析

号3形成的矾花速率较快，序号5形成的矾花较少，刚出现矾花的最佳投药量为0.11mg/L时，水中浊度的去除率达到最大值为91.5%，第三次试验时序号2和序号3矾花速率较大，序号5较小，缓慢投药后当PAM投药量为0.10mg/L时，浊度去除率最大值为89.3%。第四次试验时，序号4形成矾花速率最大，序号1最小。随着PAM投药量的加大，水体中的浊度逐步增加，当投药量为为0.11mg/L时。其浊度的去除率最大为90.5%。第五次试验中，序号2、3、4均形成较快的矾花速率，序号5的矾花速率较低，缓慢加入PAM药量后，当PAM的投加量达到0.10mg/L，水体中浊度去除率可达到85.6%。从以上五组试验结果可知，在投放絮凝剂后水体浊度范围在0.31～0.65NTU之间，对应的PAM最优投放量范围在0.10～0.11mg/L之间，在冬季低温下考虑经济因素建议PAM助凝剂最优投放量为0.10mg/L。

3 试验结论

(1)对于北方冬季低温低浊水，在水体浊度低于50NTU时，建议混凝剂PAC的投放量为20mg/L，净水后浊度在1.8～5.2NTU之间变化，助凝剂PAM的投放量建议为0.10mg/L，水体浊度范围在0.31～0.65NTU之间，可满足国家水质标准的浊度(<1NTU)要求。

(2)采用化学氧化和物理吸附相组合的净水方式对于高锰酸钾、氨氮的去除率效果较为明显，最佳投药量组合为35mg/LPAC+3mgPAM，最佳水力运行条件分别为：混合的时间为3.25min、混合转速为400r/min、反应转速为45r/min以及反应时间控制在19min。

(3)溶解性固体也是净水工艺重要内容，在以后的研究中还需重点考虑改造的工艺对溶解性固体去除率的影响。