化學預氧化課件

化學預氧化理論與技術(shù)目錄化學預氧化技術(shù)研究現(xiàn)狀1高錳酸鉀預氧化技術(shù)2臭氧預氧化技術(shù)3預氯化技術(shù)4一化學預氧化技術(shù)研究現(xiàn)狀化學預氧化主要利用氧化勢較高的氧化劑來氧化、分解或轉(zhuǎn)化水中的污染物，同時削弱污染物對常規(guī)處理工藝的不利影響，強化常規(guī)處理工藝的除污染效能。自從1970年Diaper等人最先提出預氧化(預臭氧preozonation)后，人們開始對化學預氧化進行了大量的研究?；瘜W預氧化主要有去除水中有機污染物、控制氯化消毒副產(chǎn)物、除藻、除臭味、除鐵錳和助凝等方面的作用，從而保障飲用水的安全性。在預氧化過程中，氧化劑和水中多種成分作用，能夠提高對污染物的去除效率，但在一定條件下也會產(chǎn)生某些副產(chǎn)物。各種氧化劑作為預處理藥劑對給水處理的綜合影響程度差別較大。目前，能夠用于給水處理的氧化劑主要有臭氧、氯、高錳酸鉀、二氧化氯等。其中，臭氧預處理方法在歐洲等一些發(fā)達國家應用最為普遍。衡量一種氧化劑的氧化能力的指標是它的氧化還原電位。從氧化劑還原電位來看，幾種氧化劑的氧化能力由強到弱的排序為：臭氧(E0=2.07)>高錳酸鉀(E0=1.68)>氯(E0=1.36)。二高錳酸鉀預氧化技術(shù)高錳酸鉀最早由倫敦的SirAlexandeHouston于1913年用于水處理領(lǐng)域。在美國，高錳酸鉀已經(jīng)于1927年和1928年分別應用于紐約的Rochester和Buffalo兩地。高錳酸鉀屬于過渡金屬化合物，在水中能以多種氧化態(tài)形式存在，高錳酸鉀在水中的形態(tài)主要有二、三、四、六、七價等形態(tài)化合物。各種形式具有一定的自由焓，幾種價態(tài)間可以通過化學作用相互轉(zhuǎn)化。高錳酸鉀預氧化主要有去除有機污染物、鐵錳離子、除藻、除臭味、控制氯化消毒副產(chǎn)物等作用，但在投加藥劑量方面應該注意，避免引起水體色度超標等問題。2.1高錳酸鉀預氧化去除鐵、錳離子的去除高錳酸鉀預氧化除鐵錳已有很多年的應用歷史。游離態(tài)的鐵、錳二價離子在pH大于5.5情況下能立即被高錳酸鉀氧化。當有機物存在時會明顯降低鐵錳離子的去除效果。水體中的鐵錳離子與溶解性有機物之間存在明顯的競爭反應。2.2高錳酸鉀預氧化去除有機污染物

高錳酸鉀與水中有機物間的作用很復雜，既有高錳酸鉀與有機物間的直接氧化作用；也有高錳酸鉀在反應過程中形成的新生態(tài)二氧化錳對微量有機污染物的吸附與催化作用；同時還有高錳酸鉀在反應過程中產(chǎn)生的介穩(wěn)狀態(tài)的中間產(chǎn)物的氧化作用。曲久輝對高錳酸鉀預氧化去除沈陽地下水中微量有機物做了研究，并用GC-MS分析法對水中微量有機污染物進行分析。結(jié)果表明高錳酸鉀對水中微量有機污染物具有較好的去除效果，可使地下水中絕大多數(shù)物質(zhì)的色譜面積大幅度下降。對某些污染物的去除效率甚至可以達到l00%，對所檢出的“三致”污染物和優(yōu)先污染物也有較好的去除效果。2.3高錳酸鉀預氧化除藻高錳酸鉀也是一種常見的殺藻劑，投加高錳酸鉀可以有效地提高藻類的去除率，對堿性水的除藻效果優(yōu)于中性或酸性水。一般投加量為1~3mg/L、接觸時間≥1~2h。高錳酸鉀作為一種強氧化劑，對有機物分子中多鍵功能團的破壞能力非常強，甚至可以分裂苯環(huán)。與藻毒素作用時，可以破壞藻毒素分子上的不飽和雙鍵。高錳酸鉀對細胞外毒素的去除有很好的效果，而對細胞內(nèi)毒素的去除效果較差。E.Rodriguez等研究表明，用1~1.25mg/L的高錳酸鉀預處理可使水中藻毒素的濃度低于1μg/L。2.4高錳酸鉀預氧化控制氯化消毒副產(chǎn)物

飲用水中三氯甲烷等鹵代有機物大多是有水中有機物在加氯消毒過程中產(chǎn)生的，能和氯反應產(chǎn)生三氯甲烷的物質(zhì)通常被稱為三氯甲烷的前驅(qū)物質(zhì)，主要是以腐植酸和富里酸的形式大量的存在于天然水體中。人類生產(chǎn)、生活排入水體的大量的有機污染物也是三鹵甲烷和其它鹵代有機物前驅(qū)物質(zhì)的重要來源。高錳酸鉀預氧化能顯著地控制氯化消毒副產(chǎn)物，并有效地降低后續(xù)氯化消毒過程中氯仿和四氯化碳等致癌物質(zhì)的生成量。其他研究結(jié)果表明，高錳酸鉀預處理可使飲用水氯化消毒過程中鹵代有機物和致突變物質(zhì)生成量明顯下降，并能夠?qū)β然^程氯酚的生成起到良好的控制作用。三臭氧預氧化技術(shù)臭氧的氧化能力極強，氧化還原電位為2.07V，在堿性溶液中僅次于氟。臭氧最早的試驗應用是1886年在法國用作殺菌劑。20世紀60年代末臭氧開始用于原水的預氧化。預臭氧主要用于脫色除臭、去除藻類和藻毒素、控制氯化消毒副產(chǎn)物、初步去除或轉(zhuǎn)化污染物、助凝等方面。一般認為其對水質(zhì)的改善程度取決于原水水質(zhì)和臭氧化條件等。預臭氧化同時產(chǎn)生一定的醛類、溴酸鹽等對人體有害的副產(chǎn)物。3.1臭氧預氧化去除水中無機污染物預臭氧化加過濾或混凝-絮凝-澄清步驟通過氧化形成不溶性的化合物，可有效去除無機的金屬離子，如鐵、錳等。臭氧很容易氧化地下水中或低有機物含量水中的二價鐵離子。氨氮被臭氧緩慢氧化成硝酸根離子，然后在砂濾池或粒狀活性炭濾池中被生物硝化或代謝同化，從而得以去除。在這一過程中，Br-被臭氧迅速氧化成為HBrO，然后再與氨反應，形成N2和Br-；Br-可再被臭氧氧化，直至將氨全部去除。臭氧與生物活性炭聯(lián)用對處理高氨氮原水有一定效果。3.2臭氧預氧化去除水中有機污染物

可使水中多種有機污染物被氧化，也可能導臭氧與水中有機物間的作用很復雜，既致產(chǎn)生一些小分子有機物、一些副產(chǎn)物。因而除了觀測水中有機污染物濃度變化外，還應該同時進行水的毒理試驗，通過毒理學指標衡量臭氧對水質(zhì)的綜合影響程度。大多數(shù)情況下，臭氧氧化天然水體可降低紫外吸收值。臭氧氧化生成低分子量化合物表明臭氧先氧化有機物中最易反應的位置。研究也表明，在一定的臭氧投量下，富里酸的一些特殊位點可與臭氧作用；而在較高的臭氧投加量下，可能會產(chǎn)生更多的氧化位點。最初的反應主要是臭氧分子的攻擊，而持續(xù)反應后自由基鏈式反應就會發(fā)生(尤其是在pH=2.6時)。提高pH值，會導致自由基反映在整個氧化反應中更早的出現(xiàn)。3.3臭氧預氧化對色度的去除

懸浮膠體、鐵錳和顆粒物引起，其中表色比較容易水的色度主要由溶解性有機物去除，而由溶解性有機物引起的真色較難去除。致色有機物的特征結(jié)構(gòu)一般為雙鍵和芳香環(huán)，如腐殖酸和富里酸等。臭氧通過與不飽和官能團反應、破壞碳碳雙鍵而去除真色。同時臭氧可氧化鐵、錳等無機呈色離子成為難溶物。臭氧的微絮凝效應還有助于有機物膠體和顆粒物的混凝，并通過顆粒過濾去除致色物質(zhì)。3.2.4臭氧預氧化對臭味的去除

水的嗅味主要由腐殖質(zhì)等有機物、藻類、放線菌以及過量投氯而引起?，F(xiàn)已查明主要致臭物有土臭素、2-甲基異冰片、2,4,6-三氯回香醚等。雖然水中異臭物質(zhì)的閾值僅為0.005~0.01μg/L，但臭氧去除嗅味的效率非常高，一般1~3mg/L的投加量即可達到規(guī)定閾值。美國洛杉磯水廠10年的運行經(jīng)驗證實了預臭氧化控制飲用水異臭的有效性?；炷恋砗蠹映粞跹趸墒雇脸羲睾?-甲基異冰片(MIB)等異臭味物質(zhì)濃度降低85%左右，再加生物活性碳處理則可達到100%的去除率。3.5臭氧預氧化的助凝作用助凝的可能機理是：增加水中含氧官能團有機物(如羧MartinRJekel提出臭氧預氧化酸等)，使其與金屬鹽水解產(chǎn)物、鈣鹽等形成聚合體，降低無機顆粒表面NOM的靜電作用，引起溶解有機物的聚合作用，形成具有吸附架橋能力的聚合電解質(zhì)，使高穩(wěn)定性物質(zhì)脫穩(wěn)、產(chǎn)生共沉淀等。影響臭氧預氧化助凝效果的主要因素有：原水TOC、硬度、預臭氧化及絮凝條件、藻類種屬及數(shù)量、濁度等。不同原水的臭氧預氧化助凝效果差別較大。實驗研究表明：臭氧在低投加量(4mg/L)時，可以起到良好的助凝效果。3.6臭氧預氧化除藻藻類的控制問題，目前受到全世界的關(guān)注。水處理過程中藻類含量高時會影響絮凝和沉淀，增加絮凝劑的用量；堵塞濾池，縮短濾池過濾周期；致臭并產(chǎn)生藻毒素；與氯作用形成氯化消毒副產(chǎn)物，降低飲用水安全。臭氧作為一種很強的氧化劑，能起到很好的殺藻作用，死亡的藻細胞易于在后續(xù)的工藝中去除。研究表明，臭氧能有效殺滅藻類，破壞藻體。左金龍等研究認為臭氧可以有效降解水中藻毒素，其有效劑量與水中DOC有關(guān)。3.7臭氧預氧化控制氯化消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷是主要的氯化消毒副產(chǎn)物，富里酸和腐殖酸是主要的前驅(qū)物質(zhì)。臭氧預氧化是通過將腐殖質(zhì)分解為低分子量化合物，達到降低三鹵甲烷生成勢(THMFP)的作用。預臭氧化去除氯化消毒副產(chǎn)物(DBPs)前驅(qū)物質(zhì)的效果取決于原水水質(zhì)及預臭氧化條件，主要是TOC及Br含量、有機物性質(zhì)、臭氧投量及時間、水溫、pH等。四預氯化技術(shù)氯作為一種氧化劑，作用于水處理工藝前端。當氯加入純水中后，首先發(fā)生以下反應：在pH>3的稀溶液中，上式的正反應基本完成。次氯酸HClO又進一步離解：氯在純水中水解成Cl-,ClO-,H+。其中水中所含的Cl-,ClO-，Cl2都稱為自由性余氯。其種類、所占比例與水溫和pH有關(guān)。預氯化主要有去除水體中有機污染物、Fe、Mn離子、除藻等作用。但是，預氯化會導致水體中氯化消毒副產(chǎn)物量增加。自由性余氯會與水體中的氯化消毒副產(chǎn)物前體物（主要是腐植酸和富里酸）反應。因此，應該注意氯的投加量、接觸時間等因素。4.1預氯化去除水中有機污染物水中自由性余氯與水體中有機污染物反應，產(chǎn)物復雜。在水廠實際工藝中，在氯與有機物和酚類化合物反應中，有產(chǎn)生氯酚氣味的反應。應注意調(diào)整投量和接觸時間，來避免氯酚氣味的產(chǎn)生。自由性余氯還會與含氮有機物反應生成各種有機氯胺。4.2預氯化去除水中鐵、錳離子水處理中常利用氯與某些無機物的氧化反應來完成它們的去除問題，常見的有除鐵和除錳。水中呈溶解態(tài)的二價鐵離子可以通過氯氧化為氫氧化鐵沉淀物：水中溶解的錳化合物同樣可以通過氯氧化成二氧化錳沉淀，但pH值應在7~10范圍內(nèi)，最佳pH值接近10，反應式為4.3預氯化除藻預氯化是應用最早，且在國內(nèi)目前使用最為普遍的一種預氧化處理方法。由于氯的強氧化作用，投加少量的氯就可達到較好的殺藻效果或有效地抑制藻類的活性，從而有利于常規(guī)處理工藝的混凝、沉淀除藻。預氯化殺滅藻細胞的機理為：ClO-進入藻細胞，與酶反應，從而抑制細胞活性，達到殺藻