混凝沉淀中影响除铝效率的因素

王志红¹，崔福义¹，郑学书²，车振启²
(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090；2.宾县自来水公司，黑龙江哈尔滨150400)

　　摘　要：通过去除饮用水中铝的一系列生产试验，主要研究了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的两种途径。余浊和余铝在一定浓度范围内呈线性相关关系，此时除浊能同时有效去除颗粒铝。在不同温度下有不同的最佳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；除铝；混凝沉淀
　　中图分类号：TU991.22；TU991.23
　　文献标识码：A
　　文章编号：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

　　对全国部分城市的饮用水水质调查结果表明：以铝＜0.2 mg/L为标准，所调查的40座城市中有32.5%的城市饮用水中铝浓度超标，东北地区超标的城市则高达76.9。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。?
　　在黑龙江宾县自来水厂进行降低铝含量的生产性试验中，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进行了研究。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。该水厂是混凝沉淀工艺的典型代表，因此研究结论对类似水厂具有普遍参考价值。?

1　生产性试验设计

1.1　水厂介绍
　　宾县自来水厂产水量为4 000m³/d，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。?
原水水质常年变化不大，浊度为20～100 NTU，铝含量为0.1～0.2 mg/L。其中11月平均水温为0.5 ℃，平均浊度为80 NTU，平均铝含量为0.20mg/L；6月平均水温为15 ℃，平均浊度为20 NTU，平均铝含量为0.12 mg/L。原水中铝含量与浊度的变化基本一致，即随浊度的升高降低相应变化。?
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的处理效果稳定，总沉水(即两组沉淀池处理后的混合水)余浊一般＜5 NTU。以聚合氯化铝作为混凝剂、用加药泵投加，投药量用SC—3000A型单因子混凝投药测控系统自动控制。?
1.2　试验方法
　　为考察水温变化的影响，试验主要安排在两个时期：6月—7月和10月—11月，前者的水温基本在8～18℃之间，后者在0～2 ℃左右(均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试验要求。?
　　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试验，取总沉水和滤后水为主要研究水样，隔1.5～2 h取样一次，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、水温等则每天测一次。?

2 试验结果

2.1 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，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。?
试验条件：原水浊度为18 NTU，水温为14 ℃，总沉水pH值为7.5。在沉淀池末端取总沉水水样，研究余浊对余铝的影响。?
　　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＜7 NTU时，余铝随余浊降低的幅度变小，余铝含量相对比较稳定，为0.13～0.15 mg/L。可以作如下解释：一方面，水中的溶解铝以离子态存在，在沉淀过程中难以直接去除。当一些能与铝形成络合物的共存物随浊度一起被去除时，溶解铝被间接去除，含量有所降低，在正常情况下由于络合态的铝并不多，这部分的变化较小；另一方面，随着浊度的降低，悬浮颗粒铝伴随着浊度胶体一起被去除，含量降低与浊度去除基本呈线性关系，变化幅度相对溶解铝要明显。总的反映出余铝随余浊减少而减少。当浊度降低到7 NTU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。?
　　余浊与余铝的相应关系曲线见图1。?

　　饮用水的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，当总沉水余浊≤7 NTU时，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，在一定的水质条件下可以转化为可去除的颗粒铝。为进一步考察溶解铝与水温、pH值的关系，寻求降低溶解铝的方法，并为具有可比性，当控制总沉水样的余浊为7 NTU左右时，颗粒铝含量不高而且基本相同，此时余铝值的变化可认为基本
反映溶解铝的变化。?
2.2　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。若颗粒铝溶解后转化成溶解铝，在混凝澄清工艺中较难去除，而颗粒铝却可以通过除浊取得较好的去除效果。可以认为pH值对余铝的重要影响主要表现在：①影响铝盐混凝剂的水解程度，从而影响混凝的效果，即除浊的效果；②混凝剂水解形态的不同，颗粒铝与溶解铝的比例也会不相同，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，也就一定程度上反映了出水余铝的含量)。?
　　由于水厂整个流程基本不进行pH值调节，这部分试验采用如下方法进行：选择原水水样进行烧杯试验，先固定一些参数，如原水浊度为18 NTU(±0.5 NTU)，水温为14 ℃，碱式氯化铝投药量保持不变；考虑到水厂的pH值全年变化范围为7.0～8.5，以此相应地调节水样的pH值；测沉淀后水样的余浊、余铝和pH值。取余浊值为7 NTU的沉淀后水样分析余铝和pH值的关系(认为余铝的变化是由pH值的变化造成的)，结果如图2所示。

　　由图2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值使余铝量最小。图2表明：水温为14 ℃时的最佳pH值为7.5左右，所对应的余铝为0.12～0.13 mg/L；而在pH值由7.5增加到8.2时，余铝增加到0.20 mg/L，增加幅度约为67%。其原因是在总沉水的pH环境(7.0～8.5)下，颗粒铝(两性氢氧化物)的溶解主要是依循如下的溶解平衡过程：?
　　　　　　Al(OH)₄^-+H⁺←→Al(OH)₃(s)+H₂O　(1)?
　　　　　　Al(OH)_3(s)←→Al³⁺+3OH^-　　　　(2)?
　　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，有助于除铝。?
　　曾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，例如式(2)的溶度积常数(18～25 ℃)查出有10^-32、1.3×10^-33、2×10^-33等，这反映出溶解铝的存在形态很复杂，至今并没有一个很准确的描述，难以进行定量推导，其最佳pH值应根据原水水质因素由试验确定。?
2.3　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根据水温变化调节投药量，选择总沉水pH值为7.5、余浊为7 NTU时的余铝值作为参考量，研究水温与余铝的关系，得到图3。?

　　由图3可以看到，随水温升高，余铝呈较快的上升趋势；水温为16 ℃时的余铝量(0.18 mg/L)是0.5 ℃时的两倍。这是由于温度升高，颗粒铝的溶解度增加导致余铝增加。?
　　②图4反映的是水温与最佳pH值的关系。?

　　由图4可以看出：当水温升高，最佳pH值降低。如水温为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，使颗粒铝的溶解以Al(OH)₄^-+H⁺←→Al(OH)₃(s)+H₂O为主。当温度升高，平衡有向左移动而增大溶解度的趋势；此时若力图降低溶解铝使平衡右移，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试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80 NTU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。?

3　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。存在一个适宜的沉淀水余浊值(7 NTU)，低于此值时颗粒铝能被大部分去除。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试验确定此最佳pH值，根据最佳值进行调节，有助于除铝。试验中水温为14℃时，该值为7.5。?
　　③不同水温对应有除铝的不同最佳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在相同余浊条件下，水温升高，颗粒铝的溶解度增加，余铝增加，这给除铝带来更大的困难。水厂在水温升高时，可以采取适当调节沉淀水余浊值、改变投药量等措施，以保证除铝的效果。试验过程中发现，若控制沉淀水余铝＜0.2 mg/L，滤后水的余铝基本能满足＜0.05 mg/L的要求。

参考文献：

　　［1］王志红,崔福义.聚合铝类混凝剂及混凝条件对余铝的影响试验研究［J］.给水排水，2001，27(2)：25-27.?

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　　作者简介：王志红(1975-)女，汉族，江西赣州人，哈尔滨工业大学博士生，现工作单位为广东工业大学，研究方向为水处理。?
　　电　话：(020)87254582　13660405468?
　　E-mail:[email protected]?
　　收稿日期：TSS〗2001-07-06