高錳酸鉀投加裝置應(yīng)用在生活飲用水處理過程中
高錳酸鉀是一種具有強氧化能力的化學(xué)物質(zhì)，由德國化學(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。后來進行的研究表明，溶液顏色的順次變化是錳離子價態(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，溶解度可達到5—30g／L。溶解量超過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期保存。
將高錳酸鉀應(yīng)用于飲用水處理的實踐始于1913年。在倫敦West Middle***水廠，由于微生物大量生長，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)局的報告中首次明確闡述了高錳酸鉀具有防止和除去自來水中異臭異味的作用的觀點。隨后，高錳酸鉀對鐵、錳的除去作用也被認(rèn)識。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，并在多個水廠單獨或聯(lián)合使用。
1．將高錳酸鉀應(yīng)用于飲用水處理的機理分析
1.1 高錳酸鉀對異臭異味的除去
地表水易出現(xiàn)異臭異味問題，頻次和強度與水中化學(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，不可能在同一時刻用某一種藥劑解決所有問題。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，高錳酸鉀、臭氧和二氧化氯等藥劑的應(yīng)用在增加。
高錳酸鉀主要通過氧化作用降解產(chǎn)生異臭異味的有機物；很多研究表明，高錳酸鉀與溶解性有機物發(fā)生的反應(yīng)具有廣譜性，能夠控制或減弱很多液氯無法消除的異臭異味。
自然水體中，有機物都表現(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物膜后，不易混凝除去。加入高錳酸鉀，有機物膜被氧化，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，有機物含量也隨之降低，減輕了水體的異臭異味。
高錳酸鉀通過下述反應(yīng)除去地下水的硫化氫異味：
水體pH值對此反應(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，Mn2+的氧化速率相對較慢，主要通過吸附到二氧化錳表面后沉淀或過濾除去，見化學(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物，又通過助凝作用除去有機物，故而能夠較為有效地降低待處理水的有機物含量。
將水體pH維持在7.5—8.0，二氧化錳的沉淀或過濾除去效率較高。
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內(nèi)藻的生長的成本較用硫酸銅高，但同時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無效，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。
2．高錳酸鉀處理飲用水的實驗室和實際生產(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)典實例。國內(nèi)外很多水廠都證實這種應(yīng)用是成功的。在有機污染嚴(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驗室和生產(chǎn)應(yīng)用研究開展了比較系統(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污染物，助凝，降濁等方面具有良好的表現(xiàn)。所進行的生產(chǎn)性實驗表明，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)水中存在天然有機物時，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]。實際運行中發(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，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，可能給過濾過程帶來不良影響。
3．對高錳酸鉀投加技術(shù)的探討
3．1 高錳酸鉀投加點的選擇
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設(shè)在取水頭部，這樣能使氧化過程充分進行，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強化凈化處理至關(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，陰和陽離子高分子聚合物，氨與液氯和鋁鹽等。在實際生產(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：
受已建凈水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)汁限制，很多水廠無法保證投加點問3—5min的時間間隔。調(diào)整的原則是，投加點1宜盡量提前，投加點2設(shè)在處理構(gòu)筑物前，投加點3最大程度地遠(yuǎn)離投加點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，高錳酸鉀不會由于偶然因素而過剩，運行穩(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)接觸時間，并依此調(diào)節(jié)高錳酸鉀投加量。
國外投加經(jīng)驗是，允許粉紅色擴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)重過量，殘余高錳酸鉀會進入管網(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。在對特定水體進行處理時，首先要進行標(biāo)準(zhǔn)燒杯攪拌實驗，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)。
國外已研制出高錳酸鉀自動檢測裝置，檢出下限低至0.01mg／L殘余高錳酸鉀。通過安裝自動檢測設(shè)備，易于實現(xiàn)對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)。美國研究人員進行的毒理實驗表明，高錳酸鉀對鼠LD50 700-1830mg／kg。類推到人類，一個體重80公斤的人空腹吞食2.3升5％的高錳酸鉀溶液可致死。美國國家環(huán)保局建議的高錳酸鉀安全濃度為200mg／L，超過此值，可能損傷人體組織。
飲用水生產(chǎn)過程中，高錳酸鉀的使用濃度在安全范圍內(nèi)，不會帶來任何毒副作用。但應(yīng)該盡可能保證適量投加，避免殘余高錳酸鉀進入管網(wǎng)，產(chǎn)生毒害之外的二次污染問題。特殊情況下，可通過活性碳吸附過量高錳酸鉀。
高錳酸鉀粉末及溶液對操作人員具有一定的危險性，要注意采取必要的保護措施，并加強安全教育。
高錳酸鉀能腐蝕鐵質(zhì)管道，一般要求對鋼管等進行涂襯保護，或使用塑料管。在決定投加高錳酸鉀進行預(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，要求對污泥處理和安全排放進行相應(yīng)調(diào)整。
大量應(yīng)用實例表明，將高錳酸鉀用于異臭、異味、異色和有機污染物等的控制是成功的。如果具備投加條件，而且證實高錳酸鉀對當(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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