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预氧化强化混凝去除富营养化水体中藻类研究

北极星环保网来源:净水技术 陈诗雯2018/1/19 10:05:02我要投稿
所属行业: 环境修复  关键词:水体富营养化 除藻工艺 水华

北极星环保网讯:水体富营养化导致的水华威胁着饮用水安全和水生态平衡,近年来,如何高效地去除水中的藻类成为国内外的研究热点。将预氧化和混凝法进行联用可以起到协同效果,从而有效去除水体中的藻类,而不同的预氧化方法在除藻机理、效果上均有很大差别。文中主要探讨了高锰酸钾、臭氧、二氧化氯、高铁酸盐、紫外预氧化强化混凝除藻时的不同特性、效果以及安全性,为水厂除藻工艺的选择提供参考。

除藻工艺

随着我国经济的高速发展,工业、农业产生的大量氮、磷流入水体,导致水体富营养化,水华频繁爆发,其带来的藻类以及藻毒素对环境的危害日益引起广泛的关注。据统计,我国绝大多数的湖泊已富营养化,少量尚未富营养化的湖泊也已非常接近富营养化水平。

据《全国地表水水质月报》报道,2016年夏季有31个重点湖库为轻度至重度富营养状态,冬季有21个重点湖库为轻度至中度富营养状态。覆盖于水面的藻类不仅影响水体的光照度、色度、溶解氧等水质指标,还会影响饮用水厂的正常运行,甚至造成严重的供水事故,例如2014年8月,北美五大湖之一的伊利湖发生了蓝藻暴发事件,导致美国俄亥俄州的托莱多市及周边大约50万居民断水2天,引起了政府的高度重视。因此安全高效地去除水源中的藻类,对于保障水厂正常运转以及饮用水安全都十分必要。

混凝法是目前去除藻类最为经济和快速的方法之一,但由于藻细胞漂浮在水面上、电负性以及胞内外有机物的存在等特性,使得传统的单一的混凝过程对藻细胞的去除效率并不高,然而若将预氧化与混凝法联用则可以有效提高混凝过程中藻细胞的去除效果。

例如,对某些藻类(如绿藻、硅藻)使用氯、臭氧、高锰酸钾或二氧化氯等氧化剂进行预氧化,随后再使用混凝剂(如聚合氯化铝PAC、铁盐等)进行混凝使得被氧化后的藻类凝聚成团后沉降,其效果比单一混凝除藻更好。

在除藻的过程中,一些氧化剂容易导致藻细胞的破裂而造成胞内代谢产物释放。这些代谢产物不仅包含了可对人体健康直接造成危害的藻毒素,还包括一些本身不具毒性的物质,而这些物质可在后续氯化消毒过程中与氯反应生成具有致癌作用的消毒副产物(DBPs),影响水质安全。因此在提高藻类去除效果之外,我们也需要对预氧化方法的安全性予以充分的重视。

本文针对高锰酸钾、臭氧、二氧化氯、高铁酸盐、紫外(ultraviolet,UV)这些目前常用于给水处理的氧化方法,分别就其除藻应用时与混凝剂联用发挥预氧化作用时的特性、效果以及安全性进行综述,以期为水厂除藻工艺的选择提供参考依据。

1、高锰酸钾预氧化

高锰酸钾是一种强氧化剂,应用于预氧化处理时可有效抑制藻类。研究表明,高锰酸钾与水中各种物质反应后,能产生新的固相——水合二氧化锰(图1)。水合二氧化锰具有吸附作用,可吸附于藻类表面,明显改变藻类表面特性,增加藻类絮团比重,改善藻类的沉降性能。

除藻工艺

图1胶态水合二氧化锰絮凝粒子的结构形貌

同时高锰酸钾可以氧化吸附在胶体颗粒表面的藻类代谢产物(如碳水化合物、肽和有机酸等),降低胶体颗粒表面负电荷和双电层排斥作用,促进胞外有机物(EOM)的释放。由于EOM带有正电,可以通过架桥作用增加带有负电的藻细胞与水合二氧化锰的结合,以提高藻的去除率。

张龙等使用2mg/L的高锰酸钾预氧化1h后,将小球藻的去除率从单加混凝剂的45%提高到了92%;Chen等发现,对于高藻水,高锰酸钾投加量为1.7mg/L时,可将除藻率从单加混凝剂的70%提高至90%。石颖等采用高锰酸钾复合药剂(PPC)预氧化处理高藻水时也发现投加1mg/L的PPC可将去除率从70%提高至80%。

而寻涛等在以颤藻为研究对象时发现投加1mg/L的高锰酸钾时浊度去除率为88%,仅比单加PAC时提高了4%,但产生的絮体外观更加密实。实际去除效果受到藻种类以及混凝剂类型、投加量的影响,故不同文献报道的去除率有所差别,但大部分文献的结果都表明在单加混凝剂除藻效果较差时,采用高锰酸钾预氧化手段可以不同程度的提高除藻效果。

预氧化强化混凝的弊端之一就是细胞破裂导致的胞内有机物释放会影响混凝的效果,高锰酸钾相较于其他一些预氧化试剂(如臭氧等)能更好地保证细胞的完整性。研究表明高锰酸钾的投加量在2~3mg/L以下时可以保证细胞的完整性,所需的接触时间一般为1h左右。在实地的研究中还发现,高锰酸钾预氧化能显著地控制氯化消毒副产物,并有效地降低后续氯化消毒过程中氯仿和四氯化碳等致癌物质的生成量、减少后续氯化消毒中的投氯量。

延伸阅读:

植物在水体富营养化治理工程中的应用与前景

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曲久辉谈城市水环境治理的生态过程与风险控制

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