混凝沉淀工艺对余铝影响的生产性实验研究

王志红^1* 崔福义¹ 郑学书² 车振启²
1- 哈尔滨工业大学（哈尔滨工业大学2区601信箱，150090）
2-宾县自来水公司（黑龙江省宾县宾州镇，150000）

　　提要：本文通过饮用水除铝的一系列生产实验，主要研究混凝沉淀过程中浊度、水温、pH值等因素对沉淀水余铝的影响。提出除铝可以分为降低溶解铝和去除颗粒铝两种途径。余浊和余铝在一定范围内呈线性相关关系，此时除浊能同时有效去除颗粒铝。而在不同温度有不同的最佳pH值，调节pH值有利于降低溶解铝，增加铝的可去除性。在此基础上对水厂生产运行提出了一些建议。
　　关键词：饮用水 铝 生产实验

0 前言

　　铝是人类生活中最为常见的金属之一，但医学报告表明摄入铝量过多对人体健康大为不利，许多国家和卫生组织对饮用水中铝含量有着严格的控制指标。在我国，建设部颁布的《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中首次将铝列为饮用水水质控制指标之一，规定一、二类水司的饮用水中铝含量不得高于0.2mg/L^[1]。正在制订的我国新的生活饮用水卫生标准中，也已明确将铝作为其中一项水质指标。
　　我国饮用水中铝浓度的现状是不容乐观的。对全国部分城市的饮用水水质调查结果表明：以铝不超过0.2mg/L为标准，所调查的全国40座城市中有32.5%的城市饮用水铝浓度超标，东北地区超标的城市则高达76.9%^[2]。更进一步，我国的铝浓度控制指标还远劣于发达国家的水平，如美国和欧共体等通行的指标是饮用水中铝不超过0.05mg/L^[3]。因此，研究饮用水中铝的去除是亟待解决的有普遍意义的课题。
　　作者曾专门研究了混凝剂对水中余铝的影响问题^[4]。在此基础上，又在黑龙江宾县自来水厂进行了生产性实验研究，就如何确定水厂最优的水力和化学条件、选择合适的构筑物型式和工艺参数，降低铝含量，进行了研究。作为该研究的一部分，本文重点探讨混凝沉淀流程中浊度、水温、pH值等因素对除铝的影响。该水厂是混凝澄清工艺的典型代表，因此研究结论对类似水厂有普遍参考价值。

1 铝的形态与去除

　　水中的铝可分为溶解铝和悬浮颗粒铝两种形态，其中溶解铝包括铝与天然有机物、氟化物、磷酸盐（脂）、硫酸盐（脂）和OH-等形成的络合物。在常温（18～25℃）下，水中Al（OH）3的溶解度很低，KSP为1.3×10-33，正常时铝络合物的含量也不多，水中的铝主要是颗粒铝。因此对可能影响水中铝含量的因素可以作如下分析：1）溶解度。很明显，Al（OH）3溶解度增加会导致溶解铝增多，总的余铝也会增加。影响溶解度的因素主要有水温和pH值。2）水中共存物的种类和含量。例如低pH值高浓度氟化物的水中，能生成可溶的氟化铝，增加了溶解铝的浓度。3）浊度。悬浮颗粒铝主要以胶体的形式存在于水中，胶体的多少表现为浊度的高低，因此浊度在一定程度上反映了颗粒铝的含量。
　　水厂出水中的铝有两个主要来源：1）天然原水中的铝。铝含量的多少是不可调的，主要受流域地质条件、环境条件等因素的影响；2）水厂投加铝盐混凝剂引入的铝。该引入铝的总含量取决于投药量，是可调的，而引入水中颗粒铝和溶解铝的比例主要取决于铝盐混凝剂的水解反应及产物生成情况，受水温和pH值等因素的影响。
　　根据水处理澄清工艺基本原理，在水处理流程中，通过去除浊度可以有效去除颗粒铝，同时由于共存物的去除或降低也可以部分去除溶解铝。特别是在混凝沉淀过程中，混凝剂的水解反应程度影响颗粒铝和溶解铝的比例，除浊能反映除颗粒铝的效果，因此混凝沉淀过程对饮用水除铝有着重要的作用。显然，为了降低水中铝浓度，研究水处理澄清工艺过程条件对余铝的影响是很有必要的。

2 生产性实验设计

2.1水厂介绍
　　宾县自来水厂日产水量为4000吨，原水引自附近的二龙湖水库，采用常规的水处理流程：原水→沉砂池→混合→隔板反应池→沉淀池→普通快滤池→加氯消毒→清水池→出水。
　　原水水质变化不大：浊度20～100NTU，铝含量0.1～0.2mg/L。其中11月平均水温0℃，平均浊度80NTU，平均铝含量0.20mg/L。6月平均水温15℃，平均浊度20NTU，平均铝含量0.12mg/L。原水中铝含量与浊度的变化基本一致，随浊度的升高降低相应升高降低。
　　水厂的沉淀池分为两组，分别采用斜管和小间距斜板，正常运行时混凝沉淀流程处理效果稳定，总沉水（即两组沉淀池处理后的混合水）余浊一般在5NTU以下。以聚合氯化铝作为混凝剂，投药泵投药，投药量用SC-3000A型单因子混凝投药测控系统自动控制。
2.2实验方法
　　为考察水温变化的影响，实验主要安排在两个时期：6-7月份和10-11月份，6-7月份的水温基本在8-18℃之间，10-11月份的水温在0-2℃左右。以沉淀池水温值表示。
　　根据原水的水质情况，改变自动控制系统的设定值，通过SC-3000A型单因子混凝投药控制系统自动调节投药量，保证沉淀池的出水浊度满足实验要求。
　　因水厂的产水量较小，夜间一般都停止生产，用清水池的贮存水供给用户。在水厂的日间生产期间进行实验，取总沉水和滤后水为主要研究水样，隔1.5～2h取一次样，测其浊度、铝含量、pH值等水质参数；原水的主要水质参数，包括浊度、铝含量、pH值、水温等，每天测一次。

3 实验结果

3.1余浊的影响
　　由于铝在水中的溶解度较低，大部分以颗粒铝的形式存在，因此在很大程度上铝会伴随浊度的去除而去除。经过混凝沉淀之后，水的余浊与余铝之间应存在一定的相关性。
　　在生产沉淀池末端取总沉水水样，研究余浊对余铝的影响，得到图1中的曲线。由图1可以看出，经沉淀以后，余浊与余铝大致呈现这样的相关关系：（1）随着余浊的减少余铝也减少；（2）当余浊低于7NTU时余铝随余浊降低的幅度较小，余铝含量比较稳定，为0.15mg/L左右。可以作如下解释：水中的溶解铝难以随浊度物质去除；颗粒铝的去除与浊度的去除密切相关，随着浊度的降低，颗粒铝不断被去除，因此总的余铝减少；当浊度降低到7NTU时，剩余的颗粒铝较少而细小，已难以沉淀去除，因此余浊进一步降低对余铝的影响不大。

　　上述分析说明：饮用水除铝，可以从降低颗粒铝和降低溶解铝两方面入手。颗粒铝基本上可以通过除浊来解决。本实验中当总沉水余浊为≤7NTU时，认为颗粒铝大部分被去除，余铝主要是溶解铝和部分细小的颗粒铝。溶解铝和细小的颗粒铝是可以在一定的水质条件下转化为可去除的颗粒铝的。以下的实验将致力于考察溶解铝与水温、pH值的关系，寻求降低溶解铝的方法。为数据的可比性，基本控制总沉水样的余浊都在7NTU左右，颗粒铝含量不高而且基本相同，此时余铝值可在一定程度上基本反映溶解铝的多少。
3.2 pH值的影响
　　由于水中颗粒铝主要以两性氢氧化物的形式存在，因此pH值对颗粒铝的水解和溶解有着重要的影响。而颗粒铝溶解后转化成溶解铝，由2.1中的分析可以知道，在混凝澄清工艺中溶解铝较难去除，颗粒铝却可以通过除浊取得较好的去除效果。笔者认为：pH值对余铝的重要影响主要表现在：1）影响铝盐的水解程度，从而影响混凝的效果；2）影响颗粒铝与溶解铝的比例，从而影响水中铝的去除难易程度；3）影响溶解铝的含量（在余浊较低时，也就基本上反映了出水余铝的含量）。
　　在水温14℃进行实验，结果如图2所示。由图中可以看到：余铝先是随pH值的增加而减少，当pH值增加到一定值后，余铝反而随pH值的增加而增加；即存在一最佳pH值使余铝最小。图中的趋势线表明：水温14℃时的最佳pH值为7.5左右，所对应的余铝为0.12-0.13mg/L，而在pH值由7.5增加到8.2时，余铝增加到0.20mg/L，增加幅度约为67﹪。其原因在于在总沉水的pH环境（7.0-8.5）下，颗粒铝（两性氢氧化物）的溶解主要是如下的溶解平衡过程：

　　在最佳pH值时，颗粒铝的溶解度也最小，因为pH值的增加或降低都导致平衡移动，使溶解铝含量增加，从而使总铝增加。以上分析说明，水厂若在混凝沉淀过程中将pH值调节为相应水温下的最佳pH值，能够降低水中溶解铝量，有助于饮用水的除铝。
　　笔者试图从溶度积的角度计算出该最佳pH值，查阅资料后发现不同资料提供的溶度积常数不同，例如方程式（2）的溶度积常数（18-25℃）查出有10^-32，1.3×10^-33，2×10^-33等等，这反映出溶解铝的存在形态很复杂，比较难以进行定量推导，最佳pH值应根据原水水质因素由实验确定。
3.3水温的影响
　　因为铝盐混凝剂的水解反应是一个吸热反应，水温变化直接影响铝盐的水解程度，另一方面颗粒铝的溶解度和最佳pH值与水温也有着密切的联系，所以有必要进一步探讨水温对余铝的影响。
　　（1）在pH值为7.5条件下，根据水温不同调节投药量，如3.1中所述，为了增加数据的可比性，选择余浊为7NTU时的余铝值（此时主要为溶解铝）作为参考量，研究水温与余铝的关系，得到图3。由图中看到，随水温升高余铝呈较快的上升趋势，水温16℃时的余铝量0.18mg/L，为0.5℃时的两倍。这是由于温度升高，颗粒铝的溶解度增加，而导致余铝增加。

　　（2）图4反映的是水温与最佳pH值的关系。图中可以看出：当水温升高，最佳pH值降低。如当水温1℃时，最佳pH值为7.95；当水温为16℃时，对应的最佳pH值降为7.40。出现这种现象是因为水厂处理流程中pH值环境均大于7.0，为弱碱性，颗粒铝的溶解以Al（OH）4-+H+ ?Al（OH）3（s）+H2O为主，当温度升高，平衡有向左移动增大溶解度的趋势，此时若力图降低溶解铝让平衡右移，则需增加H+，减少pH值。因此温度增加，相对应的最佳pH值降低。
　　（3）实验中一个值得注意的问题是当水温较低时（5℃以下，原水浊度为80NTU左右），虽然溶解铝含量有所降低，但由于混凝沉淀的效果差，总沉水的浊度较高，颗粒铝含量大大增加，总的余铝值则表现为略有增加，如图5所示。

4 结论和建议

　　（1） 饮用水处理过程中，除浊可以在一定程度上有效去除颗粒铝。存在一个合适的沉淀水余浊值，低于此值时颗粒铝能被大部分去除。本实验中，该值为7NTU左右。该沉淀水余浊值应作为水厂确定铝盐投量的因素之一。
　　（2） 在相同余浊时，存在最佳pH值使溶解铝含量最小，此时铝的去除率增加。因此，建议水厂根据水温和原水水质作烧杯实验确定此最佳pH值，根据最佳值进行调节，有助于除铝。实验中水温14℃时，该值为7.5。
　　（3） 不同水温对应有不同除铝最佳pH值。在水厂弱碱性的水环境中，水温升高，最佳pH值降低。水厂运行中应根据水温进行调节。
　　（4） 水温升高，颗粒铝的溶解度增加，在相同余浊条件下，余铝增加，给除铝带来更大的困难。水厂在水温升高时可以适当调节沉淀水余浊值、改变投药量等，以保证除铝的效果。实验过程中发现若控制沉淀水余铝低于0.2mg/L，滤后水的余铝基本能满足低于0.05mg/L的要求。

参考文献

　　[1] 汪光焘主编，《城市供水行业2000年技术进步发展规划》，北京：中国建筑工业出版社。
　　[2] 崔福义等，我国部分城市饮用水中铝浓度的调查研究，《中国给水排水》，待发表。
　　[3] 崔福义等，饮用水中铝的危害、来源及现状，《哈尔滨建筑大学学报》，30（6），1997。
　　[4] 王志红等，聚合铝类混凝剂及混凝条件对余铝的影响实验研究，《给水排水》，27（2），2001。

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国家自然科学基金（59778023）、黑龙江省自然科学基金（E9825）资助
* 哈尔滨工业大学博士生，现工作单位为广东工业大学