高錳酸鉀投加裝置應(yīng)用在生活飲用水處理過(guò)程中
高錳酸鉀是一種具有強(qiáng)氧化能力的化學(xué)物質(zhì)，由德國(guó)化學(xué)之父Glauber在1659年首次發(fā)現(xiàn)。他將二氧化錳與硝酸鉀高溫反應(yīng)產(chǎn)物溶于水中，溶液先呈紫紅色，再轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色、紅色，最后為綠色。后來(lái)進(jìn)行的研究表明，溶液顏色的順次變化是錳離子價(jià)態(tài)改變的結(jié)果。
常溫下，高錳酸鉀為晶體，約80目，密閉條件下的穩(wěn)定性好。在水中的溶解度并不是很大，20℃攪拌15—60min，溶解度可達(dá)到5—30g／L。溶解量超過(guò)15g／L后，可能發(fā)生沉淀現(xiàn)象。配制好的高錳酸鉀溶液不宜長(zhǎng)期保存。
將高錳酸鉀應(yīng)用于飲用水處理的實(shí)踐始于1913年。在倫敦West Middle***水廠，由于微生物大量生長(zhǎng)，人們采取了將高錳酸鉀與其他化學(xué)物質(zhì)聯(lián)用的控制技術(shù)。Houston則在遞交給倫敦水務(wù)局的報(bào)告中首次明確闡述了高錳酸鉀具有防止和除去自來(lái)水中異臭異味的作用的觀點(diǎn)。隨后，高錳酸鉀對(duì)鐵、錳的除去作用也被認(rèn)識(shí)。但直到20世紀(jì)60年代，高錳酸鉀的飲用水凈化功能才被廣泛接受，并在多個(gè)水廠單獨(dú)或聯(lián)合使用。
1．將高錳酸鉀應(yīng)用于飲用水處理的機(jī)理分析
1.1 高錳酸鉀對(duì)異臭異味的除去
地表水易出現(xiàn)異臭異味問(wèn)題，頻次和強(qiáng)度與水中化學(xué)物質(zhì)的類型和分布特征有關(guān)。由于異臭異味起源復(fù)雜，不可能在同一時(shí)刻用某一種藥劑解決所有問(wèn)題。歷史上，最廣泛使用的異臭異味控制劑是液氯和活性炭。最近20年來(lái)，高錳酸鉀、臭氧和二氧化氯等藥劑的應(yīng)用在增加。
高錳酸鉀主要通過(guò)氧化作用降解產(chǎn)生異臭異味的有機(jī)物；很多研究表明，高錳酸鉀與溶解性有機(jī)物發(fā)生的反應(yīng)具有廣譜性，能夠控制或減弱很多液氯無(wú)法消除的異臭異味。
自然水體中，有機(jī)物都表現(xiàn)出吸附到懸浮顆粒物或膠體表面的趨性。懸浮顆粒物或膠體表面被覆有機(jī)物膜后，不易混凝除去。加入高錳酸鉀，有機(jī)物膜被氧化，懸浮顆粒物或膠體的表面性質(zhì)發(fā)生有利于脫穩(wěn)凝聚的變化，從而使除濁效率增加，有機(jī)物含量也隨之降低，減輕了水體的異臭異味。
高錳酸鉀通過(guò)下述反應(yīng)除去地下水的硫化氫異味：
水體pH值對(duì)此反應(yīng)的影響大，一般要求將pH控制在6．5—7。生成的硫和二氧化錳等沉淀物可過(guò)濾除去，但膠體態(tài)硫的除去效果不佳。
1.2 高錳酸鉀氧化除去、錳
高錳酸鉀可在很寬的pH范圍內(nèi)按(2)、 (3)式與鐵、錳化合物發(fā)生氧化—還原反應(yīng)。
水體pH值越高，(2)和(3)式進(jìn)行越快。如果原水中錳含量高，將pH調(diào)至8．5以上，除去效果更佳。要求保證足夠的水力停留時(shí)間，使反應(yīng)充分完成，所形成的沉淀物能在沉淀池沉淀除去或被濾料有效截留。
1.3 高錳酸鉀的助凝作用
高錳酸鉀與水中的還原性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，水體顏色由粉紅或紫紅色變?yōu)楹稚?。生成不溶于水的中間產(chǎn)物二氧化猛。
二氧化錳具有一定的吸附能力，其BET值300m2／g左右。有研究指出，當(dāng)PH<9．5時(shí)，Mn2+的氧化速率相對(duì)較慢，主要通過(guò)吸附到二氧化錳表面后沉淀或過(guò)濾除去，見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)式(4)、(5)和(6)。
二氧化錳也作為新生凝核促使懸浮顆粒物或膠體發(fā)生凝聚后沉降。此外，二氧化猛既自身吸附有機(jī)物，又通過(guò)助凝作用除去有機(jī)物，故而能夠較為有效地降低待處理水的有機(jī)物含量。
將水體pH維持在7.5—8.0，二氧化錳的沉淀或過(guò)濾除去效率較高。
1.4 高錳酸鉀的消毒和除藻作用
高錳酸鉀具有消毒能力。有報(bào)道指出，用高錳酸鉀處理后，水中大腸桿菌的數(shù)量下降。但考慮到投加高錳酸鉀會(huì)使水體顏色發(fā)生改變，并且生成二氧化錳等副產(chǎn)物，一般不將其作為主消毒劑使用。然而，用投加高錳酸鉀取代預(yù)氯化是可行的。一方面，高錳酸鉀發(fā)揮部分消毒作用，另一方面，高錳酸鉀預(yù)氧化除去腐殖酸和富里酸，能有效抑制氯化消毒副產(chǎn)物的生成。
高錳酸鉀殺斑貽貝和藻類的效果明顯。 0.4–4.0ppm的高錳酸鉀可徹底殺滅很多藻類。用高錳酸鉀控制水庫(kù)內(nèi)藻的生長(zhǎng)的成本較用硫酸銅高，但同時(shí)在很大程度上消除了水中殘存的異臭異味。在有些環(huán)境中，硫酸銅抑制藻類生長(zhǎng)無(wú)效，高錳酸鉀卻作用良好，理論之一是，鐵為藻類合成葉綠素的必需元素，高錳酸鉀使之發(fā)生氧化作用并沉降，從而延滯藻類生長(zhǎng)。
2．高錳酸鉀處理飲用水的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際生產(chǎn)效果
消除或降低異臭、異味和異色是將高錳酸鉀用于飲用水處理的經(jīng)典實(shí)例。國(guó)內(nèi)外很多水廠都證實(shí)這種應(yīng)用是成功的。在有機(jī)污染嚴(yán)重的季節(jié)，采取投加高錳酸鉀的處理措施，投資少，操作方便，卻能取得良好效果。
國(guó)內(nèi)學(xué)者李圭白、馬軍等人圍繞用高錳酸鉀處理飲用水的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)應(yīng)用研究開(kāi)展了比較系統(tǒng)、深入的工作[1-3]。他們研制的高錳酸鉀復(fù)合藥劑在除去水中藻類、異臭異味和微量有機(jī)污染物，助凝，降濁等方面具有良好的表現(xiàn)。所進(jìn)行的生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)表明，用高錳酸鉀復(fù)合藥劑預(yù)氧化能較好地除去微污染原水中的致突變物質(zhì)，可強(qiáng)化懸浮顆粒物或膠體的脫穩(wěn)，增大絮體尺寸并使之快速下沉[4]。當(dāng)水中存在天然有機(jī)物時(shí)，高錳酸鉀的助凝作用更加顯著。
姜成春和查人光等提出將高錳酸鉀與粉末活性碳聯(lián)用處理微污染原水的技術(shù)[5,6]。實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，投加高錳酸鉀后，反應(yīng)池出口處的礬花由絮狀變成片狀。在沉淀池內(nèi)，二氧化錳顆粒沉降快，分離效果好，沉淀出水的UV254值下降。
用投加高錳酸鉀取代預(yù)氯化，沉淀區(qū)內(nèi)的異味明顯降低。在美國(guó)，有些取密執(zhí)安湖水為原水的水廠嘗試用投加高錳酸鉀代替投加活性碳，結(jié)果生產(chǎn)成本下降而出廠水的臭味指標(biāo)好轉(zhuǎn)。
如果反應(yīng)產(chǎn)物二氧化錳未能沉淀除去而進(jìn)入濾池，則可能粘附到表層濾料上。雖然這種錳砂接觸層起化學(xué)催化作用，有利于繼續(xù)除鐵、錳，但濾料粒徑、密度及其表面特征等性質(zhì)發(fā)生改變，可能給過(guò)濾過(guò)程帶來(lái)不良影響。
3．對(duì)高錳酸鉀投加技術(shù)的探討
3．1 高錳酸鉀投加點(diǎn)的選擇
一般要求將高錳酸鉀盡早投入待處理水中，很多水廠的高錳酸鉀投加點(diǎn)設(shè)在取水頭部，這樣能使氧化過(guò)程充分進(jìn)行，最大程度地除去異臭異味、藻類等，并發(fā)揮二氧化錳的凝核作用，提高絮凝和沉淀效率。
如果不能在取水口處投加，至少要保證在快速混合前投加。不要將高錳酸鉀與絮凝劑同時(shí)投入水中，否則，兩者之間發(fā)生反應(yīng)，反而降低除異臭、異味和異色及混凝的效果。
3．2 高錳酸鉀與其他水處理藥劑的投加序列安排
合理安排各種水處理藥劑的投加序列對(duì)強(qiáng)化凈化處理至關(guān)重要。很多水處理藥劑是不能混合投加的，如鋁鹽和氫氧化鈉，陰和陽(yáng)離子高分子聚合物，氨與液氯和鋁鹽等。在實(shí)際生產(chǎn)中，要求保證不宜混和藥劑至少3-5min的投加間隔?？蓞⒖枷聢D確定各處理藥劑的適宜投加點(diǎn)：
受已建凈水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)汁限制，很多水廠無(wú)法保證投加點(diǎn)問(wèn)3—5min的時(shí)間間隔。調(diào)整的原則是，投加點(diǎn)1宜盡量提前，投加點(diǎn)2設(shè)在處理構(gòu)筑物前，投加點(diǎn)3最大程度地遠(yuǎn)離投加點(diǎn)2。在針尖大小的鋁絮體形成后再投加陰或非離子型高分子聚合物，可望使絮體生長(zhǎng)最充分。
如果主要是為除去水的異臭、異味或異色，高錳酸鉀宜在氯化處理前投加，這樣有利于氧化降解各種前驅(qū)物，降低消毒副產(chǎn)物的生成量。對(duì)鐵、錳含量高的地下水，氧化處理則應(yīng)安排在高錳酸鉀投加之前，使氯氧化除鐵，而高錳酸鉀主要與錳發(fā)生反應(yīng)，這樣既降低了生產(chǎn)成本，又可保證處理效果。
在高錳酸鉀不能單獨(dú)有效控制異臭、異味和異色的情況下，常采取與粉末活性碳聯(lián)用的技術(shù)。姜成春等發(fā)現(xiàn)，高錳酸鉀與活性碳的作用是協(xié)同性質(zhì)的[5]。生產(chǎn)中要注意的是，活性碳應(yīng)在高錳酸鉀氧化反應(yīng)結(jié)束后投加，否則，兩者之間發(fā)生如下反應(yīng)：
增加了高錳酸鉀和活性碳的消耗量，使生產(chǎn)成本增加。但在另一方面，由于活性碳的還原作用，高錳酸鉀不會(huì)由于偶然因素而過(guò)剩，運(yùn)行穩(wěn)定可*。
3．3 高錳酸鉀投加量和投加方法的確定
0．5–2．5mg／L高錳酸鉀足以氧化大多數(shù)有機(jī)物。一般0.6—1.2mg／L高錳酸鉀可使出水TON降至不及3的水平。
高錳酸鉀投加系統(tǒng)將高錳酸鉀投入水中后，水體變?yōu)樽霞t至粉紅色，氧化反應(yīng)結(jié)束，顏色消失。根據(jù)水體顏色的變化，推斷反應(yīng)接觸時(shí)間，并依此調(diào)節(jié)高錳酸鉀投加量。
國(guó)外投加經(jīng)驗(yàn)是，允許粉紅色擴(kuò)展到沉淀池或澄清池2／3水面處，使二氧化錳能在后段沉淀除去。粉紅色必須在濾前消失，否則，濾池易被堵塞。如果高錳酸鉀投加嚴(yán)重過(guò)量，殘余高錳酸鉀會(huì)進(jìn)入管網(wǎng)后繼續(xù)反應(yīng)，使用戶龍頭放出水呈黃褐色，帶來(lái)衣料染色等一系列不良后果。
高錳酸鉀處理具有水系特異性。在對(duì)特定水體進(jìn)行處理時(shí)，首先要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)燒杯攪拌實(shí)驗(yàn)，了解高錳酸鉀是否有效，并初步確定用量。為使處理效果最佳，有時(shí)要調(diào)節(jié)水體pH值。一般規(guī)律是，pH值增高，高錳酸鉀氧化速度加快，投加量可適當(dāng)減少。
高錳酸鉀的投加可采取干粉或溶液兩種方式。如果高錳酸鉀用量超過(guò)12kg／d，以干粉式投加為宜。用量不足12kg／d，配制成 4％的溶液后用計(jì)量泵投加到管道中與待處理水混合。
高錳酸鉀本身并不吸收水分，但所含少量雜質(zhì)會(huì)吸潮而結(jié)成餅狀，要求在干燥處密封存放備用高錳酸鉀。高錳酸鉀溶液的配制濃度不宜過(guò)高，以防晶體析出，一般以5％為限度，低則可配成1—2％，視投加總量調(diào)節(jié)。
國(guó)外已研制出高錳酸鉀自動(dòng)檢測(cè)裝置，檢出下限低至0.01mg／L殘余高錳酸鉀。通過(guò)安裝自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)高錳酸鉀投加操作的精確控制。
4．使用高錳酸鉀的安全考慮
固體高錳酸鉀被認(rèn)為是有毒物質(zhì)。美國(guó)研究人員進(jìn)行的毒理實(shí)驗(yàn)表明，高錳酸鉀對(duì)鼠LD50 700-1830mg／kg。類推到人類，一個(gè)體重80公斤的人空腹吞食2.3升5％的高錳酸鉀溶液可致死。美國(guó)國(guó)家環(huán)保局建議的高錳酸鉀安全濃度為200mg／L，超過(guò)此值，可能損傷人體組織。
飲用水生產(chǎn)過(guò)程中，高錳酸鉀的使用濃度在安全范圍內(nèi)，不會(huì)帶來(lái)任何毒副作用。但應(yīng)該盡可能保證適量投加，避免殘余高錳酸鉀進(jìn)入管網(wǎng)，產(chǎn)生毒害之外的二次污染問(wèn)題。特殊情況下，可通過(guò)活性碳吸附過(guò)量高錳酸鉀。
高錳酸鉀粉末及溶液對(duì)操作人員具有一定的危險(xiǎn)性，要注意采取必要的保護(hù)措施，并加強(qiáng)安全教育。
高錳酸鉀能腐蝕鐵質(zhì)管道，一般要求對(duì)鋼管等進(jìn)行涂襯保護(hù)，或使用塑料管。在決定投加高錳酸鉀進(jìn)行預(yù)處理前，要充分考察生產(chǎn)環(huán)境，控制不利影響。
投加高錳酸鉀后，絮凝池和沉淀池排泥水的化學(xué)組成發(fā)生改變，尤其是二氧化錳含量增高，要求對(duì)污泥處理和安全排放進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
大量應(yīng)用實(shí)例表明，將高錳酸鉀用于異臭、異味、異色和有機(jī)污染物等的控制是成功的。如果具備投加條件，而且證實(shí)高錳酸鉀對(duì)當(dāng)?shù)厮w中常出現(xiàn)污染物的處理有效，建議將高錳酸鉀預(yù)處理列為污染治理選擇技術(shù)之一。
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