预氯化和预臭氧化在自来水厂的运行效果探究

尹翠琴 方雯萱 谢 宇 朱奇奇

（合肥供水集团有限公司，安徽合肥 231420）

当原水季节性出现高浊、高氨氮、高耗氧量和高藻等状况时会对以混凝、沉淀、过滤和消毒为核心的常规处理工艺的运行稳定性产生严重干扰，导致水厂混凝剂和消毒剂消耗大为增加，沉淀排泥和滤池冲洗频次增加等。预处理就是在原水进入处理工艺前针对原水水质特性采取的相应处理措施，它可减少后续处理工艺的负荷，消除干扰后续处理工艺稳定运行的不利因素，保障供水安全。

化学预氧化是预处理的一种方式，通过在给水处理工艺前端投加氧化势能较高的氧化剂氧化分解或转化水中污染物，削弱其对后续处理工艺的不利影响，强化后续处理工艺的净水效能[1]。

本文以合肥供水集团某水厂为例，采用次氯酸钠和臭氧两种不同的预氧化方式对原水进行处理，对比两种预氧化方式在除藻、除铁锰和氧化助凝、以及出厂水水质方面的效果，为其他水厂在预氧化处理方式上提供参考。

1.水厂净水工艺流程

该水厂位于合肥市，一期规模为20万m³/d。水源取自磨墩水库，经30.4km原水管输送进厂后经预臭氧接触池、折板絮凝反应池，平流沉淀池，后臭氧接触池、上向流活性炭滤池、V型滤池过滤，滤后水加次氯酸钠消毒至清水池，由二级泵房输送至管网和用户。具体工艺流程见图1。

图1 水厂净水工艺流程图

2.试验方案

原水进厂区后，采用在原水管投加次氯酸钠（预氯化，运行1个月）、预臭氧池投加臭氧（预臭氧化，运行1个月）两种预氧化方式对原水分别进行预氧化处理，其中后臭氧—活性炭滤池深度处理工艺未启用，通过测定预氧化池、沉淀池、出厂水水质，对比不同氧化剂的预氧化效果以及助凝效果。

3.原水水质

水厂水源为地表水库水，试验原水为进厂区水。对比生产性试验期间厂区原水相关水质指标数据见表1。

表1 原水水质

4.结果与讨论

4.1 预氧化接触池出水水质对比

预氯化和预臭氧化两种不同预氧化方式，预氧化接触池出水水质对比情况见下图2。

图2 两种不同预氧化方式预氧化池出水相关水质指标 （a、耗氧量；b、藻类；c、总铁；d、总锰）去除率对比

从图2可以看出，采用臭氧预氧化（投加臭氧的浓度为0.8～1.0mg/L）时，预氧化接触池水力停留时间为20～30min时，出水耗氧量、藻类和铁、锰的氧化去除率均高于预氯化。其中藻类的去除率高达35.66%，总锰的去除率达到25.3%。耗氧量的去除率为17.4%，总铁的去除率为13.9%。由于臭氧的氧化还原电位为+2.07V，次氯酸钠的氧化电位为+1.36V，臭氧的氧化还原电位比次氯酸的高出50%以上[2]，因此臭氧的氧化能力比次氯酸更具优势。

对有机物的去除，臭氧进入水体后，不稳定的臭氧分子在水中很快发生一系列链式反应，生成氧化性很强的氢氧自由基（·OH），将非饱和有机物氧化成饱和有机物，将高分子有机物分解成低分子有机物[3]，但并不能将有机物氧化为无机物，因此只能去除很少一部分有机物，去除率均值为17.4%。

对于藻类的去除，臭氧预氧化作用之一是溶裂藻细胞，二是杀灭藻类，使死亡的藻类易于在后续的沉淀池、砂滤池等工艺去除。另外，藻类被氧化后，会释放出有机碳、土腥臭代谢物[1]，这些产物易于被臭氧氧化，而预氯化对消除这些引起臭和味的代谢物作用不明显。

臭氧可将水中的二价锰氧化成高价态的锰，也就是说使溶解态的锰变成固态物质，易于在后续的沉淀池或砂滤池去除。二价阳离子形式存在的锰（1）,用一般的氧化剂（比如次氯酸钠）即可氧化。但当锰以有机络合物形式存在时（2）,则需强氧化剂（比如臭氧）才能将其氧化为金属水合氧化物，在pH中性环境中被沉淀或过滤[4]。由于水体中的锰的存在形态很多，所以预臭氧化的除锰能力比预氯化强。

原水中的铁大部分是二价的铁，可以在处理工艺的前端投加预氧化剂将二价铁氧化成三价铁，在pH中性条件下水解生成Fe（OH）3沉淀，在后续被沉淀或过滤去除。本工艺预臭氧化的总铁去除率均值为13.9%，胜于预氯化（5.73%）。

4.2 沉淀池出水水质对比

从表2可以看出，两种不同的预氧化，沉淀池出水浊度、铁、锰、藻类水质指标的去除效果相当，尤其铁（＜0.05）和锰（＜0.025）的浓度基本都在检测限以下。预臭氧化的耗氧量的去除率比预氯化的去除率高45%，在臭氧氧化时，有机物分子中许多碳原子的位置可以被大量的氧原子占据，进而形成醛、酮、羧酸、醇类[3]，通过改变水中有机物的分子量大小、亲水性、憎水性等结构和性质，从而改善有机物的可混凝性，因此大大提高后续平流沉淀处理工艺对有机物的去除效果。

表2 两种预氧化方式沉淀池出水重要指标去除率对比

4.3 絮凝剂使用量的对比

从表3可以看出，当沉淀池出口水浊度在0.4～0.5NTU时，采用预臭氧氧化比预氯化的絮凝剂液体铝铁的投加单耗平均值降低20.4%，也就是说臭氧具有一定的助凝作用。是因为水体中的有机物会全部或部分被水体中的胶体颗粒物吸附形成稳定的包裹物，导致胶体颗粒原本的化学性能无法表露，不利于混凝反应的进行。臭氧的预氧化会将粘附在胶体颗粒表面的有机物氧化，促进胶体颗粒和混凝剂的反应，使得胶体颗粒易于在平流沉淀池中下沉[6]。此外，臭氧氧化会增加水中的氧含量，进而增加有机物的含氧官能团，其比原有机物更易与钙等金属盐形成聚合体，更容易脱稳、沉淀[7～8]。因此预臭氧氧化，一方面可以降低絮凝剂的投加量，另一方面使出厂水的出厂水的水质更加优良，浊度下降约29%。

表3 两种预氧化方式出厂水浊度和絮凝剂 投加单耗对比

4.4 预臭氧化副产物溴酸盐的评价

在使用臭氧预氧化期间，当臭氧投加量分别为0.8、0.9、1.0mg/L时，各工艺段水溴酸盐项目均未检出。

5.结论

本文采用次氯酸钠、臭氧两种不同的预氧化方式对原水进行预氧化处理，研究了预氧化接触池出水、沉淀池出水、絮凝剂的投加量以及出厂水质的对比分析，结果表明：臭氧的氧化能力比次氯酸钠强，预臭氧化接触池的出水耗氧量、藻类、铁和锰的去除率均高于预氯化；预臭氧化沉淀池出水耗氧量和藻类的去除率亦优于预氯化；臭氧的助凝作用明显，降低絮凝剂的投加量20.4%，节约原材料消耗，降低原材料成本，进而可以延长后续砂滤池处理工艺的反冲洗周期；预臭氧化的出厂水更加优质，浊度降低约29%。