凈水廠出廠水余鋁的影響因素及控制研究

喬龍君, 修明明, 楊妍龑, 湯 峰

(合肥供水集團(tuán)有限公司水質(zhì)管控部， 安徽 合肥 230011)

人類長(zhǎng)期攝入過(guò)量的鋁可導(dǎo)致貧血、骨質(zhì)疏松、腎衰竭以及癡呆癥等疾病[1]。人體攝入鋁的途徑有多種，重要途徑之一就是飲用水；飲用水中鋁的來(lái)源很多，其中鋁鹽混凝劑的使用是飲用水中鋁含量升高的一個(gè)重要原因[2]。以合肥地區(qū)某水廠為例，其使用的混凝劑為聚合氯化鋁鐵，原水中鋁平均含量小于0.008 mg/L,而出廠水余鋁平均含量為0.067 mg/L，余鋁明顯升高。

《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求飲用水余鋁含量不得大于0.2 mg/L，而合肥地區(qū)某水廠對(duì)優(yōu)質(zhì)出廠水余鋁控制要求為0.10 mg/L。在高溫、高pH值原水水質(zhì)時(shí)期，該水廠出廠水余鋁含量較難達(dá)到優(yōu)質(zhì)水控制要求。因此，筆者對(duì)影響出廠水余鋁因素及控制方法進(jìn)行研究，以期尋找控制出廠水余鋁含量的技術(shù)方案，提高優(yōu)質(zhì)水達(dá)標(biāo)率。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

試驗(yàn)采用合肥某水庫(kù)原水，水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Quality of raw water

1.2 儀器

ZR4-6型攪拌機(jī)，濁度儀2000Q，PE Avio200 ICP光譜儀，PHSJ-4A型酸度計(jì)。

1.3 試劑

聚合鋁鐵：液體，氧化鋁含量9.8%，氧化鐵含量0.6%，鹽基度60%～95%；三氯化鐵：固體，鐵含量33%。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

取沉淀后上清液檢測(cè)濁度、pH；沉淀后上清液通過(guò)0.45 μm針頭式過(guò)濾器，模擬過(guò)濾，再檢測(cè)余鋁。

2 結(jié)果與討論

2.1 水溫對(duì)余鋁的影響

模擬本地水溫情況，取pH值為7.5的原水用水(冰)浴調(diào)整水溫分別為5，10，15，20，25和30℃，調(diào)節(jié)精度為±1℃。然后按照常規(guī)聚合鋁鐵投加量(30 mg/L)進(jìn)行混凝、沉淀、過(guò)濾，考察水溫對(duì)出廠水余鋁的影響，見(jiàn)圖1。

圖1 水溫對(duì)出廠水余鋁的影響Fig.1 Effect of water temperature on aluminum of treated water

由圖1可以看出：隨水溫升高出廠水中余鋁呈較快的上升趨勢(shì)，水溫25℃時(shí)的余鋁含量為10℃時(shí)的2倍多。這是因?yàn)樵诔恋沓鏊?，鋁的形態(tài)主要為Al(OH)3和Al3+，Al(OH)3能被濾池截留，Al3+會(huì)穿透濾池；隨著溫度升高，氫氧化鋁的溶解度增加,從而導(dǎo)致出廠水中鋁含量升高。溶解平衡方程式如下:

Al(OH)3Al3++3OH-

溫度升高，平衡向右移動(dòng)，水中Al3+的含量增大。因此，在高溫季節(jié)需要采取一定的措施，控制出廠水中余鋁含量[3]。

2.2 pH對(duì)余鋁的影響

原水水溫為20℃時(shí)，用硫酸溶液和碳酸鈉溶液調(diào)整原水pH值分別為7.50，7.75，8.00，8.25，8.50和8.75，調(diào)節(jié)精度±0.03。使用常規(guī)聚合鋁鐵投加量(30 mg/L)進(jìn)行混凝、沉淀、過(guò)濾，考察原水pH對(duì)出廠水余鋁的影響，見(jiàn)圖2。

圖2 pH對(duì)出廠水余鋁的影響Fig.2 Influence of pH on residual aluminum of treated water

由圖2可以看到：原水pH值在7.50以上，出廠水中余鋁隨pH值的增加而升高。pH值由7.50增加到8.00時(shí)，出廠余鋁由0.068 mg/L上升到0.125 mg/L，增加約80%。其原因是氫氧化鋁為兩性氫氧化物，在高pH值水中存在如下平衡方程:

原水pH值的升高導(dǎo)致平衡向右移動(dòng),使溶解性偏鋁酸根含量增加，穿透濾池，導(dǎo)致出廠余鋁含量上升。因此，對(duì)于高pH原水，調(diào)節(jié)原水pH值到適宜范圍能夠降低水中溶解性偏鋁酸根含量,有助于降低出廠水余鋁。

2.3 聚合鋁鐵投加量對(duì)余鋁的影響

原水水溫為20℃、pH值為7.5，分別投加30，35，40，45，50和60 mg/L聚合鋁鐵，然后進(jìn)行混凝、沉淀、過(guò)濾，聚合鋁鐵投加量對(duì)出廠水余鋁含量的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可以看到：隨著聚合鋁鐵投量的升高，沉淀出水濁度降低幅度越來(lái)越小，而出廠水中余鋁含量升高。這可能是因?yàn)殡S著聚合鋁鐵投加量的增大，水體中膠體及細(xì)小的懸浮物被凝聚、絮凝完全,過(guò)量的聚合鋁鐵繼續(xù)水解生成氫氧化鋁。水中氫氧化鋁濃度升高，溶解平衡向右移動(dòng)，使出廠水中溶解鋁含量增加。在原水水溫20℃、pH值7.5條件下，聚合鋁鐵投加量從35 mg/L提高到45 mg/L，沉淀出水濁度只降低了0.11 NTU，而出廠余鋁含量增加了0.015 mg/L。因此，控制聚合鋁鐵在合理投加量也是控制出廠水余鋁含量的措施之一。

圖3 投加量對(duì)出廠水余鋁的影響Fig.3 Influence of dosage on residual aluminum of treated water

另外，原水中有機(jī)物含量高低也會(huì)影響出廠水余鋁含量，在本文中不做討論。

2.4 聚合鋁鐵鹽基度對(duì)余鋁的影響

取水溫20℃、pH值為7.5的原水，分別投加4種不同鹽基度聚合鋁鐵(氧化鋁含量均約為9.8%、氧化鐵含量均約為0.6%)，投加量均為30 mg/L。進(jìn)行混凝、沉淀、過(guò)濾，考察聚合鋁鐵鹽基度對(duì)出廠余鋁的影響。

圖4 鹽基度對(duì)出廠水余鋁的影響Fig.4 Influence of basicity on residual aluminum of treated water

由圖4可以看到：相同條件下，隨著聚合鋁鐵鹽基度含量的升高，出廠水余鋁含量明顯降低；使用鹽基度含量為92%和69%的聚合鋁鐵，出廠水余鋁含量分別為0.052和0.088 mg/L。隨著鹽基度增大，殘余鋁濃度降低了69%，這與李潤(rùn)生[4]等的試驗(yàn)結(jié)論一致。筆者認(rèn)為，這可能是因?yàn)楹戏实貐^(qū)原水濁度較低，混凝時(shí)需要的聚合鋁鐵投加量比較高，以形成氫氧化物沉淀，網(wǎng)捕、卷掃水中膠粒一并產(chǎn)生沉淀分離。對(duì)于低鹽基度的聚合鋁鐵而言，其本身結(jié)合的氫氧根不多，而原水中堿度又比較低，不能提供足夠的堿度與鋁離子結(jié)合生成氫氧化物。因此，沉淀水中溶解態(tài)鋁離子濃度升高，導(dǎo)致出廠水余鋁含量升高。

2.5 高溫高pH值原水余鋁控制

因?yàn)樵疁仉y以控制，要降低出廠余鋁，只能通過(guò)降低原水pH值和使用高效聚合鋁鐵。原水pH值為8.5，水溫為25和32℃，分別投加三氯化鐵，調(diào)節(jié)pH值為8.50，8.25，8.10，7.90和7.70。投加30 mg/L聚合鋁鐵(鹽基度92%)進(jìn)行混凝、沉淀、過(guò)濾，出廠水余鋁含量隨調(diào)節(jié)后水體pH的變化見(jiàn)圖5。

圖5 高溫高pH原水出廠水余鋁控制Fig.5 Aluminum control of high temperature and high pH raw water

對(duì)于高溫、高pH值原水，投加三氯化鐵調(diào)節(jié)pH值后，用鹽基度大于90%的聚合鋁鐵混凝、沉淀，可控制出廠水余鋁含量在0.1 mg/L以下。水溫25℃時(shí)，原水pH值宜控制在7.9以下；水溫32℃時(shí)，原水pH值宜控制在7.7以下。水溫越高，應(yīng)控制調(diào)節(jié)后的pH值越低。在夏季高溫時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)原水pH調(diào)節(jié)控制，以保障出廠水余鋁含量在0.1 mg/L以下。

3 生產(chǎn)性試驗(yàn)

2020年6—9月，在合肥某水廠進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。從圖6可以看出，采用“用三氯化鐵調(diào)節(jié)原水pH值到適宜范圍，再投加鹽基度90%以上的聚合鋁鐵”這一技術(shù)方案，當(dāng)pH值低于7.7時(shí)，出廠水余鋁含量均低于0.1 mg/L。

圖6 出廠水余鋁控制的生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of production test on the control of residual aluminum of treated water

4 結(jié)論

① 對(duì)于使用鋁鹽混凝劑的水廠，原水水溫、pH是影響出廠水余鋁含量的主要因素。水溫、pH值升高，混凝劑過(guò)量投加都會(huì)導(dǎo)致出廠水余鋁含量升高。

② 對(duì)于本地低濁、低堿度原水，使用高鹽基度的聚合鋁鐵能明顯降低出廠水中余鋁含量。對(duì)于高溫、高pH原水，用三氯化鐵調(diào)節(jié)pH到適宜范圍，再采用鹽基度在90%以上的聚合鋁鐵，能保障出廠水余鋁含量在0.1 mg/L以下。在某水廠進(jìn)行的生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果，也驗(yàn)證了這一技術(shù)方案的有效、可行。