高锰酸钾对污水中有机污染物去除效果研究★

王志勇，王 晶，冯文彦，刁伟铮

(1.山东招金膜天股份有限公司,山东 烟台 265400; 2.大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁 大连 116023)

0 引言

随着社会的发展,全球水资源严重短缺和污染,污水是水环境主要污染源,也是水资源的重要补充,污水的资源化利用可以大大缓解水资源的压力,改善水环境,意义十分重大。重复利用是解决水资源短缺的重要途径,其根本出路在于大规模利用。而大规模的污水重复利用,又离不开管渠的输送。管渠既可以作为污水输送的载体,又可以作为污水处理的反应器。在城市用水中,大规模污水资源化利用以城市污水处理厂二级处理水为水源,经三级处理后供用户使用[1-2]。城市污水处理厂通常位于城市下游,用户距离城市污水厂的距离比较远,需要利用输水管渠将再生水输送到用户。输水管渠具有充足的时间和空间以及较好紊动条件,管道还具有较高的压力条件,是很好的反应器[3]。

预氧化技术是在水处理前端投加氧化剂以强化常规水处理工艺的水处理技术,具有投资小、使用方便等优点。氧化剂能够对水中污染物产生氧化、催化和吸附作用,从而起到很好的强化混凝和氧化助凝的效果,以达到提高对水体中污染物的去除效率。高锰酸钾氧化技术可有效去除水中微量有机污染物、降低色/嗅和抑制藻类繁殖等,且该技术选择性良好,氧化过程不会产生卤代副产物[4-5],其投加与监测均很方便。本文以水厂二级处理出水为对象,以再生利用水质标准为目标,研究在输水管道前端投放高锰酸钾氧化剂,通过试验对有机污染物、浊度、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的去除效应进行比较,探索掺混空气高锰酸钾预氧化试验对管道中有机污染物的去除效果,为大规模污水资源化利用提供参考依据。

1 试验方案与装置

试验原水取自某生态住宅小区污水二级处理出水,该水水质满足管道处理前水质要求,达到一级排放标准。试验模拟管道密闭容器容积为60 L,按照空气和中水一定的比例加入中水,并按照中水量加入高锰酸钾药剂,保持高锰酸钾浓度为4.5 mg/L,且充分搅拌均匀。整个试验装置缓慢间歇性旋转,模仿中水在管道中流动的状态。在不同掺气比不同反应时间取样,测定水样的COD、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和浊度指标数据,分析管道掺气氧化的效果。

试验测试方法:COD:5B-3(B)型COD快速测定仪;DO:DOS-6840型台式溶解氧测定仪;亚硝酸氮:重氮偶氮比色法;硝酸氮:锌镉还原—重氮偶氮比色法;氨氮:纳氏试剂法;浊度:723型浊度仪。试验装置如图1所示。

2 效果试验结果及其分析

通过试验模拟管道掺气氧化,确定设计运行参数。试验设计中所采用的预氧化剂高锰酸钾能够和水中具有还原性的无机物和有机物发生有效反应,在和水中物质发生氧化还原反应时,改变水中有机物、胶体颗粒、微生物表面结构或改变金属离子的电荷,从而促进混凝现象产生[6]。为了了解不同掺气比对中水中各项指标的影响,对25%,20%,15%,10%,5%五种不同掺气比的水样,分别在30 min,60 min,90 min时取样,进行测量,得到其COD、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和浊度各指标含量的变化,从而分析探索管道掺气氧化的效果、机理和设计运行参数,进而进一步指导实际生产[7-9]。

2.1 COD的去除效果

不同掺气比时CODcr去除率变化见图2。

由图2可知,对于不同的掺气比例,CODCr去除率的变化趋势明显不同:

1)当掺气比为20%时,CODCr值明显降低,最大降幅可达24.9%。说明此条件下CODCr可以从60 mg/L降低至45 mg/L,这就满足了再生水水质标准,可以作为管道掺气氧化技术应用于生产的一项试验依据。

2)当掺气比为15%时,CODCr值下降不明显,降幅只有5%左右。当掺气比为5%,10%和25%时,CODCr值不仅没有降低反而增加了。这就更加突出了20%掺气比时反应的去除效果。

不同反应时间CODcr去除率变化见图3。

由图3可知,不同反应时间下CODCr去除率的变化曲线趋势一致,但90 min时20%的掺气量条件下CODCr去除效果极其明显,CODCr最大去除率达到24.9%。

综上所述,管道掺气氧化试验研究中最佳掺气比为20%,最佳反应时间为90 min。

2.2 氨氮的去除效果

不同掺气比时氨氮量变化见图4。

由图4可知,不同掺气比对氨氮含量影响无明显规律,由于反应复杂,氨氮含量时而增加时而减少,试验中出现的氨氮最大去除率也不到15%,可知高锰酸钾预氧化对氨氮去除效果不是很显著。要说明的是在掺气比为20%,反应时间为90 min时,氨氮含量由初始的16.22 mg/L增加到了21.70 mg/L,增幅达到了34%。

2.3 硝酸盐氮的去除效果

不同掺气比硝酸盐氮的去除效果见图5。

由图5可知,掺气比为5%时,NO3-N浓度变化不大;掺气比10%～20%时,NO3-N去除率随掺气比的增加而增加;掺气比为20%时,NO3-N的去除率最大,达到25%;掺气量为25%,NO3-N去除率反而减小,NO3-N减少的反应速度明显比其他掺气量时快,60 min达到最大,并保持稳定。

可见,掺气比是NO3-N去除的重要影响因素,20%时NO3-N去除率最大,达到25%,因此20%掺气比对NO3-N去除有明显效果。

2.4 亚硝酸盐氮的去除效果

不同掺气比的亚硝酸盐氮值见表1。

表1 不同掺气比的亚硝酸盐氮值 mg/L

从表1数据可以看出,随着时间的延续,各掺气比的亚硝酸盐氮(NO2-N)含量均有增加。当掺气比20%时,NO2-N的增幅普遍高于其他掺气比,最大增幅25.8%;当掺气比5%和10%时,NO2-N随反应时间的增加而增加;掺气比15%,20%,25%时,NO2-N 30 min最大,之后随反应时间的增加而缓慢减少。

可见,掺气比是NO2-N增加的重要影响因素,20%时NO2-N增幅普遍高于其他掺气比,最大达到25.8%,20%掺气比对NO2-N的增加影响较大。

2.5 浊度的去除效果

不同掺气比的浊度值见表2。

表2 不同掺气比的浊度值

从表2数据可以看出,在不同的掺气比下,浊度都有增加,且90 min内增加值保持不变。由于试验用的中水取水批次不同,原水水质不同,在反应后浊度的变化不同,所以不同掺气比时浊度增加的幅度有所不同。而同一批次的中水,浊度的变化基本相同。因此得知,掺混空气高锰酸钾预氧化试验对浊度的去除没有效果。若要去除原水中的浊度,还需要其他方法,后续加其他处理工艺。

3 高锰酸钾催化效果

在自然条件下,观察原水静置24 h后的指标变化情况,如表3所示。

表3 原水静置24 h的变化情况

可见,在自然条件下各指标的浓度几乎不变,各种反应速度都非常缓慢。如果高锰酸钾只与有机物发生氧化还原反应,理论上CODCr降低1 mg/L需要消耗6.581 mg/L高锰酸钾;本试验投加4.5 mg/L高锰酸钾,CODCr只能降低0.68 mg/L,去除率为1.1%。试验结果图2和图3表明,掺气比为15%和20%时,COD去除率为3%～25%,均大于1.1%;掺气比为5%,10%和25%时,COD不降反增。试验结果图5和表1表明,NO3-N和NO2-N也发生了明显的变化。可见,高锰酸钾催化了多种反应过程。

对25%,20%,15%,10%,5%五种不同掺气比的水样,分别在30 min,60 min,90 min取样,进行测量,DO变化情况如图6所示。

由图6可知,溶解氧(DO)在0 min～30 min的时间内急速上升,在30 min～90 min的时间内曲线趋于平缓,变化幅度较小,基本保持在6 mg/L～8 mg/L之间,从而得出:

1)高锰酸钾的存在提高了氧的溶解速度,在30 min之内迅速溶解达到饱和。2)提高了饱和溶解氧的浓度。3)就氧的溶解而言,掺气比5%已经足够,提高掺气量并不能进一步提高饱和溶解氧浓度,相反,饱和溶解氧浓度具有随掺气比增加而减小的趋势。

4 结论

本文应用管道掺气氧化试验分析了不同掺气比下高锰酸钾对污水中有机污染物的去除效果研究,得出以下结论:

1)模拟输水管道中加高锰酸钾4.5 mg/L,掺气比15%和20%时,COD明显降低,最大降幅24.9%,满足再生水标准;NO3-N明显减少,最大降幅25%;NO2-N升高,升高的绝对数值不大,但百分数较高,最大升幅25.8%;对浊度和NH3-N的去除效果不明显。

2)掺气比对各项指标变化的影响规律各异,但掺气比20%对各项指标都有明显影响;对COD的去除,最佳掺气比为20%。

3)反应时间对各项指标变化的影响较大,对COD的去除,90 min时去除效果达到最佳;对其他项目,均有在90 min出现折点的趋势。

4)在高锰酸钾存在的情况下溶解氧参与了化学氧化反应,其促进了氧的溶氧速度,提高了溶解氧浓度,提高了氧化效果。

此外,高锰酸钾氧化技术也存在一些不足,后续可将其与其他工艺相联用,以达到更好的强化去除效果,拓宽高锰酸钾在水处理领域的应用[10-11]。