王志紅¹，崔福義¹，鄭學(xué)書²，車振啟²
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090；2.賓縣自來水公司，黑龍江哈爾濱150400)

　　摘　要：通過去除飲用水中鋁的一系列生產(chǎn)試驗(yàn)，主要研究了混凝沉淀過程中濁度、水溫、pH值等因素對(duì)沉淀水余鋁的影響，提出除鋁可以分為降低溶解鋁和去除顆粒鋁的兩種途徑。余濁和余鋁在一定濃度范圍內(nèi)呈線性相關(guān)關(guān)系，此時(shí)除濁能同時(shí)有效去除顆粒鋁。在不同溫度下有不同的最佳pH值，調(diào)節(jié)pH值有利于降低溶解鋁，增加鋁的可去除性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)水廠生產(chǎn)運(yùn)行提出了一些建議。
　　關(guān)鍵詞：飲用水；除鋁；混凝沉淀
　　中圖分類號(hào)：TU991.22；TU991.23
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)10-0005-04

Factors Affecting the Aluminum Removal Efficiency in the Process of Coagulation/Sedimentation

WANG Zhi?hong¹，CUI Fu?yi¹，ZHENG Xue?shu²，CHE Zhen?qi²
(1.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,?Harbin 150090,China; 2.Binxian Water Company,Harbin 150400,China)?

　　Abstract：A series of full-scale experiments were made for studying mainly the effect of turbidity,water temperature,and pH value on aluminum removal in the process of oagulation/sedimentation.The tests show that aluminum removal can be divided into the reduction of dissolved aluminum and the removal of particulate aluminum.Residual turbidity has linear relation to residual aluminum within certain limits of concentration,and then removal of particulate aluminum can be achieved effectively while turbidity is removed.The optimal pH value varies with temperature,and adjustment of pH value is beneficial to the decrease of dissolved aluminum and increase of the potential removal of aluminum.On this basis some proposals have been offered for operation of water plant.?
　　Keywords:drinking water;aluminum removal;coagulation/sedimentation

　　對(duì)全國(guó)部分城市的飲用水水質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明：以鋁＜0.2 mg/L為標(biāo)準(zhǔn)，所調(diào)查的40座城市中有32.5%的城市飲用水中鋁濃度超標(biāo)，東北地區(qū)超標(biāo)的城市則高達(dá)76.9。因此，研究飲用水中鋁的去除是亟待解決的有普遍意義的課題。?
　　在黑龍江賓縣自來水廠進(jìn)行降低鋁含量的生產(chǎn)性試驗(yàn)中，就如何確定水廠最優(yōu)的水力和化學(xué)條件、選擇合適的構(gòu)筑物型式和工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。重點(diǎn)探討混凝沉淀流程中濁度、水溫、pH值等因素對(duì)除鋁的影響。該水廠是混凝沉淀工藝的典型代表，因此研究結(jié)論對(duì)類似水廠具有普遍參考價(jià)值。?

1　生產(chǎn)性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1　水廠介紹
　　賓縣自來水廠產(chǎn)水量為4 000m³/d，原水引自附近的二龍湖水庫(kù)，采用常規(guī)的水處理流程：原水→沉砂池→混合→隔板反應(yīng)池→沉淀池→普通快濾池→加氯消毒→清水池→出水。?
原水水質(zhì)常年變化不大，濁度為20～100 NTU，鋁含量為0.1～0.2 mg/L。其中11月平均水溫為0.5 ℃，平均濁度為80 NTU，平均鋁含量為0.20mg/L；6月平均水溫為15 ℃，平均濁度為20 NTU，平均鋁含量為0.12 mg/L。原水中鋁含量與濁度的變化基本一致，即隨濁度的升高降低相應(yīng)變化。?
水廠的沉淀池分為兩組，分別采用斜管和小間距斜板，正常運(yùn)行時(shí)混凝沉淀的處理效果穩(wěn)定，總沉水(即兩組沉淀池處理后的混合水)余濁一般＜5 NTU。以聚合氯化鋁作為混凝劑、用加藥泵投加，投藥量用SC—3000A型單因子混凝投藥測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)控制。?
1.2　試驗(yàn)方法
　　為考察水溫變化的影響，試驗(yàn)主要安排在兩個(gè)時(shí)期：6月—7月和10月—11月，前者的水溫基本在8～18℃之間，后者在0～2 ℃左右(均以沉淀池水溫值表示)。?
　　根據(jù)原水的水質(zhì)情況，改變自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)定值，通過SC—3000A型單因子混凝投藥控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)投藥量，保證沉淀池的出水濁度滿足試驗(yàn)要求。?
　　水廠的產(chǎn)水量較小，夜間一般都停止生產(chǎn)，用清水池的貯存水供給用戶。在水廠的日間生產(chǎn)期間進(jìn)行試驗(yàn)，取總沉水和濾后水為主要研究水樣，隔1.5～2 h取樣一次，測(cè)其濁度、鋁含量、pH值等水質(zhì)參數(shù)。原水的主要水質(zhì)參數(shù)包括濁度、鋁含量、pH值、水溫等則每天測(cè)一次。?

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 余濁的影響
　　由于鋁在水中的溶解度較低，大部分以顆粒鋁的形式存在，經(jīng)過混凝沉淀之后，水的余濁與余鋁之間應(yīng)存在一定的相關(guān)性。?
試驗(yàn)條件：原水濁度為18 NTU，水溫為14 ℃，總沉水pH值為7.5。在沉淀池末端取總沉水水樣，研究余濁對(duì)余鋁的影響。?
　　經(jīng)沉淀以后，余濁與余鋁大致呈現(xiàn)這樣的相關(guān)關(guān)系：①隨著余濁的減少余鋁也減少；②當(dāng)余濁＜7 NTU時(shí)，余鋁隨余濁降低的幅度變小，余鋁含量相對(duì)比較穩(wěn)定，為0.13～0.15 mg/L?？梢宰魅缦陆忉專阂环矫?，水中的溶解鋁以離子態(tài)存在，在沉淀過程中難以直接去除。當(dāng)一些能與鋁形成絡(luò)合物的共存物隨濁度一起被去除時(shí)，溶解鋁被間接去除，含量有所降低，在正常情況下由于絡(luò)合態(tài)的鋁并不多，這部分的變化較??；另一方面，隨著濁度的降低，懸浮顆粒鋁伴隨著濁度膠體一起被去除，含量降低與濁度去除基本呈線性關(guān)系，變化幅度相對(duì)溶解鋁要明顯?？偟姆从吵鲇噤X隨余濁減少而減少。當(dāng)濁度降低到7 NTU時(shí)，剩余的顆粒鋁較少而細(xì)小，已難以沉淀去除，因此余濁進(jìn)一步降低對(duì)余鋁的影響不大。?
　　余濁與余鋁的相應(yīng)關(guān)系曲線見圖1。?

　　飲用水的除鋁可以從降低顆粒鋁和降低溶解鋁兩方面入手。顆粒鋁基本上可以通過除濁來解決，當(dāng)總沉水余濁≤7 NTU時(shí)，顆粒鋁大部分被去除。余鋁主要是溶解鋁和部分細(xì)小的顆粒鋁，在一定的水質(zhì)條件下可以轉(zhuǎn)化為可去除的顆粒鋁。為進(jìn)一步考察溶解鋁與水溫、pH值的關(guān)系，尋求降低溶解鋁的方法，并為具有可比性，當(dāng)控制總沉水樣的余濁為7 NTU左右時(shí)，顆粒鋁含量不高而且基本相同，此時(shí)余鋁值的變化可認(rèn)為基本
反映溶解鋁的變化。?
2.2　pH值的影響
　　由于水中顆粒鋁主要以兩性氫氧化物的形式存在，因此pH值對(duì)顆粒鋁的水解和溶解有著重要的影響。若顆粒鋁溶解后轉(zhuǎn)化成溶解鋁，在混凝澄清工藝中較難去除，而顆粒鋁卻可以通過除濁取得較好的去除效果?？梢哉J(rèn)為pH值對(duì)余鋁的重要影響主要表現(xiàn)在：①影響鋁鹽混凝劑的水解程度，從而影響混凝的效果，即除濁的效果；②混凝劑水解形態(tài)的不同，顆粒鋁與溶解鋁的比例也會(huì)不相同，從而影響水中鋁的去除難易程度；③影響溶解鋁的含量(在余濁較低時(shí)，也就一定程度上反映了出水余鋁的含量)。?
　　由于水廠整個(gè)流程基本不進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)，這部分試驗(yàn)采用如下方法進(jìn)行：選擇原水水樣進(jìn)行燒杯試驗(yàn)，先固定一些參數(shù)，如原水濁度為18 NTU(±0.5 NTU)，水溫為14 ℃，堿式氯化鋁投藥量保持不變；考慮到水廠的pH值全年變化范圍為7.0～8.5，以此相應(yīng)地調(diào)節(jié)水樣的pH值；測(cè)沉淀后水樣的余濁、余鋁和pH值。取余濁值為7 NTU的沉淀后水樣分析余鋁和pH值的關(guān)系(認(rèn)為余鋁的變化是由pH值的變化造成的)，結(jié)果如圖2所示。

　　由圖2可以看到：余鋁先是隨pH值的增加而減少，當(dāng)pH值增加到一定值后，余鋁反而隨pH值的增加而增加，即存在一最佳pH值使余鋁量最小。圖2表明：水溫為14 ℃時(shí)的最佳pH值為7.5左右，所對(duì)應(yīng)的余鋁為0.12～0.13 mg/L；而在pH值由7.5增加到8.2時(shí)，余鋁增加到0.20 mg/L，增加幅度約為67%。其原因是在總沉水的pH環(huán)境(7.0～8.5)下，顆粒鋁(兩性氫氧化物)的溶解主要是依循如下的溶解平衡過程：?
　　　　　　Al(OH)₄^-+H⁺←→Al(OH)₃(s)+H₂O　(1)?
　　　　　　Al(OH)_3(s)←→Al³⁺+3OH^-　　　　(2)?
　　在最佳pH值時(shí)，顆粒鋁的溶解度也最小，因?yàn)閜H值的增加或降低都導(dǎo)致平衡移動(dòng)，使溶解鋁含量增加，從而使總鋁增加。以上分析說明，水廠若在混凝沉淀過程中將pH值調(diào)節(jié)為相應(yīng)水溫下的最佳pH值，能夠降低水中溶解鋁量，有助于除鋁。?
　　曾試圖從溶度積的角度計(jì)算出該最佳pH值，查閱資料后發(fā)現(xiàn)不同資料提供的溶度積常數(shù)不同，例如式(2)的溶度積常數(shù)(18～25 ℃)查出有10^-32、1.3×10^-33、2×10^-33等，這反映出溶解鋁的存在形態(tài)很復(fù)雜，至今并沒有一個(gè)很準(zhǔn)確的描述，難以進(jìn)行定量推導(dǎo)，其最佳pH值應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)因素由試驗(yàn)確定。?
2.3　水溫的影響
　　因?yàn)殇X鹽混凝劑的水解反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，水溫變化直接影響鋁鹽的水解程度，另一方面顆粒鋁的溶解度和最佳pH值與水溫也有著密切的聯(lián)系，所以有必要進(jìn)一步探討水溫對(duì)余鋁的影響。?
　?、俑鶕?jù)水溫變化調(diào)節(jié)投藥量，選擇總沉水pH值為7.5、余濁為7 NTU時(shí)的余鋁值作為參考量，研究水溫與余鋁的關(guān)系，得到圖3。?

　　由圖3可以看到，隨水溫升高，余鋁呈較快的上升趨勢(shì)；水溫為16 ℃時(shí)的余鋁量(0.18 mg/L)是0.5 ℃時(shí)的兩倍。這是由于溫度升高，顆粒鋁的溶解度增加導(dǎo)致余鋁增加。?
　?、趫D4反映的是水溫與最佳pH值的關(guān)系。?

　　由圖4可以看出：當(dāng)水溫升高，最佳pH值降低。如水溫為1 ℃時(shí)，最佳pH值為7.95；當(dāng)水溫為16 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的最佳pH值降為7.40。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樗畯S處理流程中pH值環(huán)境均大于7.0，為弱堿性，使顆粒鋁的溶解以Al(OH)₄^-+H⁺←→Al(OH)₃(s)+H₂O為主。當(dāng)溫度升高，平衡有向左移動(dòng)而增大溶解度的趨勢(shì)；此時(shí)若力圖降低溶解鋁使平衡右移，則需增加H⁺，減少pH值。因此溫度增加，相對(duì)應(yīng)的最佳pH值降低。?
　?、墼囼?yàn)中一個(gè)值得注意的問題是當(dāng)水溫較低時(shí)(5 ℃以下，原水濁度為80 NTU左右)，雖然溶解鋁含量有所降低，但由于混凝沉淀的效果差，總沉水的濁度較高，顆粒鋁含量大大增加，總的余鋁值則表現(xiàn)為略有增加，如圖5所示。?

3　結(jié)論和建議

　?、亠嬘盟幚磉^程中，除濁可以在一定程度上有效去除顆粒鋁。存在一個(gè)適宜的沉淀水余濁值(7 NTU)，低于此值時(shí)顆粒鋁能被大部分去除。該沉淀水余濁值應(yīng)作為水廠確定鋁鹽投量的因素之一。?
　?、谠谙嗤酀釙r(shí)，存在最佳pH值使溶解鋁含量最小，此時(shí)鋁的去除率增加。因此，建議水廠根據(jù)水溫和原水水質(zhì)作燒杯試驗(yàn)確定此最佳pH值，根據(jù)最佳值進(jìn)行調(diào)節(jié)，有助于除鋁。試驗(yàn)中水溫為14℃時(shí)，該值為7.5。?
　?、鄄煌疁貙?duì)應(yīng)有除鋁的不同最佳pH值。在水廠弱堿性的水環(huán)境中，水溫升高，最佳pH值降低。水廠運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。?
　?、茉谙嗤酀釛l件下，水溫升高，顆粒鋁的溶解度增加，余鋁增加，這給除鋁帶來更大的困難。水廠在水溫升高時(shí)，可以采取適當(dāng)調(diào)節(jié)沉淀水余濁值、改變投藥量等措施，以保證除鋁的效果。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，若控制沉淀水余鋁＜0.2 mg/L，濾后水的余鋁基本能滿足＜0.05 mg/L的要求。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］王志紅,崔福義.聚合鋁類混凝劑及混凝條件對(duì)余鋁的影響試驗(yàn)研究［J］.給水排水，2001，27(2)：25-27.?

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　　作者簡(jiǎn)介：王志紅(1975-)女，漢族，江西贛州人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生，現(xiàn)工作單位為廣東工業(yè)大學(xué)，研究方向?yàn)樗幚怼?
　　電　話：(020)87254582　13660405468?
　　E-mail:gdwzhihong@yahoo.com.cn?
　　收稿日期：TSS〗2001-07-06