高锰酸钾在生活饮用水处理过程中的应用分析

论文作者：罗岳平1 邱振华1 李宁1 汤光明1 施 周2

摘要：介绍了高锰酸钾的净水机制，对合理投加高锰酸钾的生产技术进行探讨，同时分析了高锰酸钾处理的安全性及其应用前景。

关键词：供水 水质 高锰酸钾 混凝 污染

　　高锰酸钾是一种具有强氧化能力的化学物质，由德国化学之父Glauber在1659年首次发现。他将二氧化锰与硝酸钾高温反应产物溶于水中，溶液先呈紫红色，再转变为蓝色、红色，最后为绿色。后来进行的研究表明，溶液颜色的顺次变化是锰离子价态改变的结果。

　　常温下，高锰酸钾为晶体，约80目，密闭条件下的稳定性好。在水中的溶解度并不是很大，20℃搅拌15—60min，溶解度可达到5—30g／L。溶解量超过15g／L后，可能发生沉淀现象。配制好的高锰酸钾溶液不宜长期保存。

　　将高锰酸钾应用于饮用水处理的实践始于1913年。在伦敦West Middle***水厂，由于微生物大量生长，人们采取了将高锰酸钾与其他化学物质联用的控制技术。Houston则在递交给伦敦水务局的报告中首次明确阐述了高锰酸钾具有防止和除去自来水中异臭异味的作用的观点。随后，高锰酸钾对铁、锰的除去作用也被认识。但直到20世纪60年代，高锰酸钾的饮用水净化功能才被广泛接受，并在多个水厂单独或联合使用。

　　1．将高锰酸钾应用于饮用水处理的机理分析

　　1.1 高锰酸钾对异臭异味的除去

　　地表水易出现异臭异味问题，频次和强度与水中化学物质的类型和分布特征有关。由于异臭异味起源复杂，不可能在同一时刻用某一种药剂解决所有问题。历史上，最广泛使用的异臭异味控制剂是液氯和活性炭。最近20年来，高锰酸钾、臭氧和二氧化氯等药剂的应用在增加。

　　高锰酸钾主要通过氧化作用降解产生异臭异味的有机物；很多研究表明，高锰酸钾与溶解性有机物发生的反应具有广谱性，能够控制或减弱很多液氯无法消除的异臭异味。

　　自然水体中，有机物都表现出吸附到悬浮颗粒物或胶体表面的趋性。悬浮颗粒物或胶体表面被覆有机物膜后，不易混凝除去。加入高锰酸钾，有机物膜被氧化，悬浮颗粒物或胶体的表面性质发生有利于脱稳凝聚的变化，从而使除浊效率增加，有机物含量也随之降低，减轻了水体的异臭异味。

　　高锰酸钾通过下述反应除去地下水的硫化氢异味：

　　4KMnO₄+ 3H₂S → S + 2K₂SO₄ + 3MnO + MnO₂ + 3H₂O..........................(1)

　　水体pH值对此反应的影响大，一般要求将pH控制在6．5—7。生成的硫和二氧化锰等沉淀物可过滤除去，但胶体态硫的除去效果不佳。

　　1.2 高锰酸钾氧化除去、锰

　　高锰酸钾可在很宽的pH范围内按(2)、 (3)式与铁、锰化合物发生氧化—还原反应。

　　MnO₄^- + 3Fe²⁺ + 4H⁺→3Fe³⁺ + MnO₂ +2H₂O ..................................(2)

　　2Mn0₄^- + 3Mn²⁺ + 2H₂O→5MnO₂↓ + 4H⁺ .....................................(3)

　　水体pH值越高，(2)和(3)式进行越快。如果原水中锰含量高，将pH调至8．5以上，除去效果更佳。要求保证足够的水力停留时间，使反应充分完成，所形成的沉淀物能在沉淀池沉淀除去或被滤料有效截留。

　　1．3 高锰酸钾的助凝作用

　　高锰酸钾与水中的还原性物质发生反应，水体颜色由粉红或紫红色变为褐色。生成不溶于水的中间产物二氧化猛。

　　二氧化锰具有一定的吸附能力，其BET值300m²／g左右。有研究指出，当PH<9．5时，Mn²+的氧化速率相对较慢，主要通过吸附到二氧化锰表面后沉淀或过滤除去，见化学反应式(4)、(5)和(6)。

　　二氧化锰也作为新生凝核促使悬浮颗粒物或胶体发生凝聚后沉降。此外，二氧化猛既自身吸附有机物，又通过助凝作用除去有机物，故而能够较为有效地降低待处理水的有机物含量。

　　将水体pH维持在7.5—8.0，二氧化锰的沉淀或过滤除去效率较高。

　　1．4 高锰酸钾的消毒和除藻作用

　　高锰酸钾具有消毒能力。有报道指出，用高锰酸钾处理后，水中大肠杆菌的数量下降。但考虑到投加高锰酸钾会使水体颜色发生改变，并且生成二氧化锰等副产物，一般不将其作为主消毒剂使用。然而，用投加高锰酸钾取代预氯化是可行的。一方面，高锰酸钾发挥部分消毒作用，另一方面，高锰酸钾预氧化除去腐殖酸和富里酸，能有效抑制氯化消毒副产物的生成。

　　高锰酸钾杀斑贻贝和藻类的效果明显。 0.4--4.0ppm的高锰酸钾可彻底杀灭很多藻类。用高锰酸钾控制水库内藻的生长的成本较用硫酸铜高，但同时在很大程度上消除了水中残存的异臭异味。在有些环境中，硫酸铜抑制藻类生长无效，高锰酸钾却作用良好，理论之一是，铁为藻类合成叶绿素的必需元素，高锰酸钾使之发生氧化作用并沉降，从而延滞藻类生长。

　　2．高锰酸钾处理饮用水的实验室和实际生产效果

　　消除或降低异臭、异味和异色是将高锰酸钾用于饮用水处理的经典实例。国内外很多水厂都证实这种应用是成功的。在有机污染严重的季节，采取投加高锰酸钾的处理措施，投资少，操作方便，却能取得良好效果。

　　国内学者李圭白、马军等人围绕用高锰酸钾处理饮用水的实验室和生产应用研究开展了比较系统、深入的工作^[1-3]。他们研制的高锰酸钾复合药剂在除去水中藻类、异臭异味和微量有机污染物，助凝，降浊等方面具有良好的表现。所进行的生产性实验表明，用高锰酸钾复合药剂预氧化能较好地除去微污染原水中的致突变物质，可强化悬浮颗粒物或胶体的脱稳，增大絮体尺寸并使之快速下沉^[4]。当水中存在天然有机物时，高锰酸钾的助凝作用更加显著。

　　姜成春和查人光等提出将高锰酸钾与粉末活性碳联用处理微污染原水的技术^[5,6]。实际运行中发现，投加高锰酸钾后，反应池出口处的矾花由絮状变成片状。在沉淀池内，二氧化锰颗粒沉降快，分离效果好，沉淀出水的UV₂₅₄值下降。

　　用投加高锰酸钾取代预氯化，沉淀区内的异味明显降低。在美国，有些取密执安湖水为原水的水厂尝试用投加高锰酸钾代替投加活性碳，结果生产成本下降而出厂水的臭味指标好转。

　　如果反应产物二氧化锰来能沉淀除去而进入滤池，则可能粘附到表层滤料上。虽然这种锰砂接触层起化学催化作用，有利于继续除铁、锰，但滤料粒径、密度及其表面特征等性质发生改变，可能给过滤过程带来不良影响。