水廠高pH原水應(yīng)對(duì)措施的研究

趙 云， 張 琿， 丁 強(qiáng)， 劉曉玲

(徐州首創(chuàng)水務(wù)有限責(zé)任公司，江蘇徐州221000)

某湖泊水自2020年4月起，pH持續(xù)升高至9.8。采用該湖泊水作為水源的某水廠，所投加的聚合氯化鋁的絮凝效果降低，導(dǎo)致出廠水存在殘余鋁超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水源地及取水口水草大量生長(zhǎng)，水中溶解氧升高，硬度呈下降趨勢(shì)，較平時(shí)降低60 mg/L，總堿度由230 mg/L迅速下降至70 mg/L。初步判斷，pH升高是由于水草過量繁殖引起的。對(duì)此，公司一方面協(xié)調(diào)水源地進(jìn)行水草捕撈，另一方面在水廠采取一系列技術(shù)措施，將出廠水鋁和pH控制在標(biāo)準(zhǔn)限范圍內(nèi)，避免鋁含量過高危害人體健康[1-2]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

8R4-6 混凝攪拌機(jī)、T6 普析通用分光光度計(jì)、PHS-3C pH計(jì)、Hach 21100N濁度儀、BSA22AS-CW電子天平、0.45 μm濾膜。

1.2 試劑與配制

1.2.1 試劑

聚合氯化鋁(PAC)，Al2O3含量10%；硫酸鋁；聚丙烯酰胺(PAM)，食用級(jí)別；鹽酸、氟化鉀、高錳酸鉀，均為分析純。

1.2.2 溶液的配制

PAC溶液/硫酸鋁：稱取1 g PAC/硫酸鋁原液加入100 mL容量瓶中制得，定容至100 mL，其質(zhì)量濃度為1%。

PAM溶液：稱取0.5 g PAM并溶于500 mL水中制得，其質(zhì)量濃度為0.1%。

高錳酸鉀溶液：稱取0.05 g高錳酸鉀溶于500 mL水中制得，其質(zhì)量濃度為0.01%。

攪拌試驗(yàn)：以200 r/min快速攪拌1 min，然后以60 r/min慢速攪拌20 min；靜沉15 min后取上清液測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)

以某湖泊水為試驗(yàn)用水，其水質(zhì)見表1。

表1 水源水質(zhì)Tab.1 Quality of source water

1.4 試驗(yàn)方案

分別采用投加常用聚合氯化鋁、優(yōu)化聚合氯化鋁鹽積度、強(qiáng)化混凝、調(diào)節(jié)pH以及選用其他類型凈水劑等方法，進(jìn)行攪拌試驗(yàn)后取樣直接測(cè)定濁度和pH，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測(cè)定鋁含量。最終確定pH過高時(shí)的最佳處理方案，從而將出廠水中的殘留鋁控制在0.2 mg/L以內(nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)高pH水的處理效果

PAC的絮凝效果較好，適用于低溫低濁水且pH適用范圍廣。但當(dāng)水源水pH值超過9.0時(shí)，投加PAC的絮凝效果較差。PAC不同投加量下，pH和水中殘余鋁的變化見圖1。

圖1 PAC對(duì)高pH水的處理效果Fig.1 Treatment effect of PAC on high pH water

隨著PAC投加量的增大，水體pH呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，當(dāng)PAC投加量為60 mg/L時(shí)，pH為8.43，濁度為0.41 NTU，但殘余鋁為0.401 mg/L；當(dāng)PAC投加量為90 mg/L時(shí)，pH為8.18，濁度為0.39 NTU，鋁含量為0.186 mg/L，均達(dá)到國標(biāo)要求，但此時(shí)凈水劑投加量過大，生產(chǎn)成本過高。

2.2 不同鹽積度PAC對(duì)高pH水的處理效果

鹽基度是聚合氯化鋁的重要質(zhì)量指標(biāo)，隨著鹽基度的增加，聚合氯化鋁的混凝除濁性能明顯增強(qiáng)[3]。采用不同鹽基度的PAC開展試驗(yàn)，以提高絮凝效果，使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，當(dāng)PAC投加量分別為20和30 mg/L時(shí)，出水鋁和pH的變化如圖2所示。

圖2 不同鹽基度PAC對(duì)高pH水的處理效果Fig.2 Treatment of PAC with different basicity on high pH water

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著鹽基度的增高，處理后的水pH逐漸升高且均高于8.5，絮凝效果變差，出水濁度升高。當(dāng)鹽基度為95%時(shí)，殘余鋁為0.185 mg/L，但pH超過標(biāo)準(zhǔn)限值。因此，當(dāng)原水pH過高時(shí)，提高PAC的鹽基度對(duì)提升絮凝效果，降低殘余鋁含量的效果不理想。

2.3 調(diào)節(jié)原水pH

鋁在水中的形態(tài)以兩性氫氧化物為主，pH對(duì)其溶解度有重要的影響[4]。利用鹽酸將原水pH調(diào)節(jié)至8.5左右，然后用PAC處理，水中殘余鋁的含量如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)pH對(duì)高pH水的處理效果Fig.3 Treatment effect of adjusting pH on high pH water

調(diào)節(jié)原水pH后，PAC投加量由20 mg/L上升至60 mg/L時(shí)，絮凝效果均較好，出水濁度由0.99 NTU降低至0.36 NTU；殘余鋁含量由0.187 mg/L降低至0.085 mg/L，pH由7.91降低至7.7，均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。調(diào)節(jié)原水pH的效果較好，保證了出廠水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)合格。

但需要注意的是，在調(diào)節(jié)pH過程中，需精細(xì)控制酸的投加量，防止過量投加。此外，鹽酸、硫酸等均為危險(xiǎn)化學(xué)品，其采購、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程均應(yīng)符合危險(xiǎn)化學(xué)品管理要求。

2.4 硫酸鋁對(duì)高pH水的處理效果

2.4.1 單獨(dú)硫酸鋁

單獨(dú)投加硫酸鋁，當(dāng)投加量為由40 mg/L增加至65 mg/L時(shí)，礬花從細(xì)小、不易沉淀轉(zhuǎn)變?yōu)榇髩K聚團(tuán)沉淀，出水濁度從1.60 NTU左右降至0.63 NTU，同時(shí)出水殘余鋁由0.411 mg/L降至0.131 mg/L。當(dāng)硫酸鋁投加量為55 mg/L時(shí)，出水鋁為0.193 mg/L，出水pH由7.83降至7.50。因此，當(dāng)硫酸鋁投加量在55 mg/ L及以上時(shí)，絮凝效果較好，出水鋁和pH符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 硫酸鋁對(duì)高pH水的處理效果Fig.4 Treatment effect of aluminum sulfate on high pH water

2.4.2 強(qiáng)化絮凝

試驗(yàn)中對(duì)比分析了硫酸鋁+PAC混合投加、高錳酸鉀+硫酸鋁強(qiáng)化混凝、硫酸鋁+PAM強(qiáng)化混凝3種混合投加方式，對(duì)高pH水的處理效果。

① 硫酸鋁+PAC

聚合鋁與硫酸根的相互作用是通過離子締合作用進(jìn)行，低濃度硫酸根離子存在時(shí)，主要以外層締合物為主，隨著溶液離子強(qiáng)度和硫酸根離子濃度的增加，內(nèi)層絡(luò)合離子逐漸增多，則生成堿式羥基硫酸鋁[5]。此外，投加硫酸鋁可降低原水pH，提高PAC的絮凝效果。

向4個(gè)絮凝攪拌杯+中均加入45 mg/L硫酸鋁，攪拌反應(yīng)10 s后分別加入0，10，20和30 mg/L PAC。從圖5可以看出：絮凝效果均較好，出水鋁由0.325 mg/L降至0.094 mg/L。當(dāng)PAC投加量為10 mg/L時(shí)，出水殘余鋁為0.134 mg/L，遠(yuǎn)低于國標(biāo)限值；pH也符合國標(biāo)要求。硫酸鋁與PAC聯(lián)合投加，可有效降低凈水劑總用量，保證出廠水水質(zhì)。

圖5 硫酸鋁+PAC對(duì)高pH水的處理效果Fig.5 Treatment effect of aluminum sulfate + PAC on high pH water

② 高錳酸鉀+硫酸鋁

向6個(gè)絮凝攪拌杯中均加入0.2 mg/L高錳酸鉀，攪拌反應(yīng)10 s后分別加入35，40，45，50，55和60 mg/L硫酸鋁。試驗(yàn)結(jié)果表明：絮凝效果均較好，出水濁度在1.0 NTU左右，當(dāng)硫酸鋁投加量分別為35，40和45 mg/L時(shí)，出水鋁均高于0.2 mg/L；當(dāng)硫酸鋁投加量為50 mg/L時(shí)，出水殘余鋁為0.16 mg/L；出水pH均符合國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示。

圖6 高錳酸鉀+硫酸鋁對(duì)高pH水的處理效果Fig.6 Treatment effect of potassium permanganate + aluminum sulfate on high pH water

③ 硫酸鋁+PAM

攪拌開始后，分別在6個(gè)絮凝攪拌杯中加入35，40，45，50，55和60 mg/L硫酸鋁，反應(yīng)10 s后均加入0.2 mg/L PAM。從圖7可以看出，該混凝劑投加方式下的絮凝效果較其他組合好，出水濁度均在0.5 NTU以下。當(dāng)硫酸鋁投加量為35，40和45 mg/L時(shí)，出水鋁均高于0.2 mg/L，當(dāng)硫酸鋁投加量為50 mg/L時(shí)，出水殘余鋁為0.163 mg/L；出水pH均符合國標(biāo)要求。

圖7 硫酸鋁+PAM對(duì)高pH水的處理效果Fig.7 Treatment effect of aluminum sulfate and PAM on high pH water

通過硫酸鋁單獨(dú)投加和組合投加試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著硫酸鋁投加量的增大，水中殘余鋁逐漸減少，pH穩(wěn)定在7.5～8.0。當(dāng)硫酸鋁投加量高于55 mg/L時(shí)，出水均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。3種投加方式中，硫酸鋁+PAC的處理效果較好。

3 結(jié)論

① 當(dāng)原水pH升高時(shí)，應(yīng)先查明原因是水源地水草過量生長(zhǎng)、藻類過量繁殖，還是上游排污。其中，溶解氧、堿度、硬度等水質(zhì)指標(biāo)可作為水草或藻類大量繁殖的判定依據(jù)。

② 當(dāng)PAC投加量達(dá)到90 mg/L及以上、調(diào)節(jié)pH以及使用硫酸鋁處理高pH水時(shí)，效果較好，出水水質(zhì)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。但考慮到安全性和成本管控，建議優(yōu)先選用硫酸鋁及其組合的方式處理高pH水。