水廠出水中余鋁含量的控制

祖文華

（合肥供水集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230022）

鋁在地殼中的含量占第四位，正常攝入量的鋁對(duì)人體無(wú)害，但過(guò)量攝入鋁易造成記憶力衰退，影響骨的吸收和貧血等[1]。衛(wèi)生部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)制定頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）規(guī)定，鋁的含量最高不得超過(guò)0.20 mg/L，而美國(guó)和歐盟的限值更低，為0.05 mg/L[2]。飲用水是鋁進(jìn)入人體的主要來(lái)源。目前，大多數(shù)凈水廠都以鋁鹽作為凈水劑，這就導(dǎo)致普遍存在出廠水中鋁元素含量過(guò)高的問(wèn)題。水中鋁一般以顆粒鋁和溶解態(tài)鋁兩種狀態(tài)存在，其中，顆粒鋁通常以膠體形式存在，其濁度可在一定程度上反映顆粒鋁的含量；而溶解態(tài)鋁則與水中的天然有機(jī)物、氫氧根離子、硫酸根離子等形成絡(luò)合物，在水流緩慢的區(qū)域容易與水中的有機(jī)物、微生物和鐵錳等發(fā)生沉淀，當(dāng)流速發(fā)生變化時(shí)，沉淀被攪動(dòng)翻出底層，隨水流入戶。當(dāng)前，飲用水中鋁元素的去除是一項(xiàng)亟需解決的有意義的課題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

ZR4-6型混凝試驗(yàn)攪拌器，深圳市中潤(rùn)水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司；TSZ 型臺(tái)式濁度儀，杭州飛華環(huán)保器材廠；PHSJ-3F型pH計(jì)，上海精科實(shí)業(yè)有限公司；V-5800可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

水中鋁一般以顆粒鋁和溶解態(tài)鋁兩種狀態(tài)存在，pH 為7.0~8.5 時(shí)，水中鋁的形態(tài)主要有四種[3]，分別為Al3+，Al（OH）3（s），Al（OH）4-和Al13（OH）345+。水解方程式如下：

其中，顆粒鋁主要是 Al（OH）3（s）膠體以及 Al3+和各種有機(jī)物形成的絡(luò)合物，可通過(guò)過(guò)濾、降低水的濁度去除。在弱堿條件下，Al3+含量可以忽略不計(jì)。Al（OH）4-和 Al13（OH）345+是水中主要的溶解態(tài)鋁。當(dāng)水呈堿性時(shí)，平衡向右進(jìn)行，水中溶解態(tài)鋁含量增大。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)原水取自合肥大房郢水庫(kù)，濁度為3.90 NTU，pH 為8.15，水溫13℃，鋁含量0.221 mg/L。

用混凝攪拌器進(jìn)行燒杯混凝實(shí)驗(yàn)，以聚合氯化鋁鐵（PAFC）為混凝劑。余鋁的測(cè)定采用鉻天青分光光度法，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合氯化鋁鐵（PAFC）投加量對(duì)沉淀水余鋁含量的影響

取6 份1 L 原水，分別加入18 mg、20 mg、22 mg、24 mg、26 mg、28 mg聚合氯化鋁鐵（PAFC）和10 mg次氯酸鈉，以250 r/min 高速攪拌2.5 min，中速攪拌210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min 各 10 s，最后加入 30 mL 底泥與0.10 mg 聚丙烯酰胺，慢速絮凝階段以80 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌10 min，靜置20 min，取上清液，測(cè)濁度與pH，用0.45 μm 濾膜過(guò)濾后測(cè)水中余鋁的含量。

圖1 聚合氯化鋁鐵（PAFC）投加量與pH和余鋁的關(guān)系

聚合氯化鋁鐵（PAFC）是由鋁鹽和鐵鹽混凝水解而成的一種高分子混凝劑，當(dāng)pH 為6.8～8.2時(shí)，水解產(chǎn)物主要是氫氧化鋁和氫氧化鐵膠體，通過(guò)吸附電中和機(jī)理和吸附架橋作用吸附水中的懸浮物形成沉淀。如圖1所示，隨著聚合氯化鋁鐵（PAFC）投加量的增加，pH和余鋁含量都在逐漸減小。當(dāng)聚合氯化鋁鐵（PAFC）投加量從18 mg/L增大至26 mg/L時(shí)，水中余鋁含量從0.172 mg/L降低至0.158 mg/L，此時(shí)水中余鋁含量下降主要是因?yàn)槌两底饔?。原水中的鋁一般以絡(luò)合物形式懸浮于水中或者吸附于水中的顆粒物表面，通過(guò)聚合氯化鋁鐵（PAFC）作用，形成礬花沉降下來(lái)，從而降低水中鋁元素含量；當(dāng)投加量增至28 mg/L時(shí)，水中余鋁含量略有上升；當(dāng)聚合氯化鋁鐵（PAFC）投加量過(guò)大時(shí)，會(huì)形成膠體保護(hù)作用，這時(shí)，水中的鋁元素含量不僅不會(huì)降低，反而會(huì)增大。

2.2 三氯化鐵和次氯酸鈉投加量對(duì)沉淀水余鋁含量的影響

取6份1 L原水，以200 r/min轉(zhuǎn)速攪拌1 min，分別投加三氯化鐵0 mg、0 mg、0 mg、2.5 mg、5 mg、10 mg，以100 r/min 轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌10 min，然后加入聚合氯化鋁鐵（PAFC）26 mg，次氯酸鈉投加量分別為5 mg、10 mg、15 mg、10 mg、10 mg、10 mg，以 250 r/min 高速攪拌2.5 min，以210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min中速攪拌各10 s，最后加入30 mL 底泥與0.10 mg 聚丙烯酰胺。慢速絮凝階段以80 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌10 min，靜置20 min，取上清液，測(cè)其濁度與pH值，用0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)水中余鋁含量。

表1 三氯化鐵和次氯酸鈉投加量對(duì)沉淀水余鋁含量的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1，從1、2、3組可以看出，次氯酸鈉對(duì)水中鋁含量幾乎沒(méi)有影響，濁度和pH也沒(méi)有大的變化；而4、5、6 組可以明顯看出，隨著三氯化鐵投加量的增大，沉淀水的pH 和余鋁含量逐漸降低。三氯化鐵除了具有降低pH作用外，還有強(qiáng)化混凝的作用，其投加量越大，混凝強(qiáng)化效果越好，水中鋁混凝沉淀也越多。未投加三氯化鐵時(shí)，沉淀水pH 在8.0 左右，水中余鋁含量大于0.200 mg/L。投加三氯化鐵明顯降低了沉淀水中的余鋁含量。當(dāng)投加量?jī)H為2.5 mg/L 時(shí)，pH 降低至7.84，余鋁含量直接減少至0.122 mg/L，但是仍然大于0.100 mg/L；當(dāng)三氯化鐵投加量達(dá)到5 mg/L 時(shí)，pH 降低至7.64，水中余鋁含量更是僅有0.070 mg/L，這是因?yàn)槿然F水解生成H+，抑制了鋁鹽的水解，水中的溶解態(tài)鋁含量大幅減少。三氯化鐵的水解方程式如下：

2.3 高錳酸鉀投加量和快速混凝時(shí)間對(duì)沉淀水余鋁含量的影響

取6份1 L原水，投加0.30 mg高錳酸鉀，以200 r/min轉(zhuǎn)速攪拌1 min，分別投加三氯化鐵2.5 mg、5 mg、2.5 mg、5 mg、2.5 mg、2.5 mg，以100 r/min轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌10 min，然后加入聚合氯化鋁鐵（PAFC）26 mg，高錳酸鉀投加量分別為0.30 mg、0.30 mg、0.30 mg、0.30 mg、0.40 mg、0.60 mg，1、2 兩組以 250 r/min 高速攪拌 1.5 min，3~6 組以250 r/min 高速攪拌2.5 min，以210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min 中速攪拌各 10 s，最后加入 30 mL底泥與0.10 mg 聚丙烯酰胺。慢速絮凝階段以80 r/min轉(zhuǎn)速攪拌10 min，靜置20 min，取上清液，測(cè)濁度與pH，用0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)水中余鋁含量。

表2 高錳酸鉀投加量和快速混凝時(shí)間對(duì)沉淀水余鋁含量的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2，由1、3 和 2、4 兩個(gè)對(duì)照組可以看出，快速混凝時(shí)間對(duì)降低水中余鋁含量沒(méi)有明顯作用；從3、5、6組可以看出，高錳酸鉀對(duì)降低水中余鋁含量沒(méi)有明顯作用。

2.4 快速混凝強(qiáng)度對(duì)沉淀水余鋁含量的影響

取 6 份 1 L 原水，以 200 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌 1 min，分別投加三氯化鐵0 mg、2.5 mg、5 mg、0 mg、2.5 mg、5 mg，以100 r/min 轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌10 min，然后加入聚合氯化鋁鐵（PAFC）26 mg，1、2、3 組在快速混凝階段以250 r/min 攪拌2.5 min，4、5、6 組在快速混凝階段以350 r/min攪拌2.5 min，以210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min中速攪拌各10 s，最后加入30 mL 底泥與0.10 mg 聚丙烯酰胺，慢速絮凝階段以80 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌10 min，靜置20 min，取上清液，測(cè)濁度與pH，用0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)水中余鋁含量。

表3 快速混凝強(qiáng)度對(duì)沉淀水余鋁含量的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3,在相同條件下對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著混凝攪拌強(qiáng)度的增加，沉淀水中余鋁含量反而增大了。當(dāng)攪拌強(qiáng)度過(guò)大，水的剪切力會(huì)相應(yīng)變大，在聚合氯化鋁鐵（PAFC）和水中雜質(zhì)形成礬花并逐漸變大時(shí)，所受到水的剪切力會(huì)越來(lái)越大，大礬花被打碎成小礬花，已經(jīng)沉降的鋁重新溶解于水中，增加了水中的余鋁含量。結(jié)合表1和表2可以看出，對(duì)水中余鋁含量影響最大的因素為三氯化鐵。當(dāng)三氯化鐵投加量為2.5 mg/L時(shí)，水中余鋁含量在0.100 mg/L 左右，雖然滿足國(guó)標(biāo)要求，但在部分水務(wù)公司已經(jīng)超出內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。因此，考慮到成本和余鋁含量問(wèn)題，三氯化鐵投加量以5 mg/L 為宜，同時(shí)快速混凝階段混凝強(qiáng)度不要超過(guò)250 r/min。

2.5 固/液態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）對(duì)沉淀水余鋁含量的影響

取 6 份 1 L 原水，以 200 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌 1 min，投加三氯化鐵2.5 mg，以100 r/min 轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌10 min，然后分別加入聚合氯化鋁鐵（PAFC）18 mg、22 mg、26 mg、18 mg、22 mg、26 mg，以250 r/min 高速攪拌2.5 min，以210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min 中速攪拌各10 s，最后加入30 mL 底泥與0.10 mg 聚丙烯酰胺，慢速絮凝階段以80 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌10 min，靜置20 min，取上清液，測(cè)濁度與pH，用0.45 μm 濾膜過(guò)濾后測(cè)水中余鋁含量。

表4 固/液態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）對(duì)沉淀水余鋁含量的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4，1～3組混凝劑為液態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC），4～6 組混凝劑為固態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）。由表4 可以看出，無(wú)論投加固態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）還是液態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC），對(duì)沉淀水濁度和pH 的影響都差不多，但投加液態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）的沉淀水中余鋁含量最低為0.103 mg/L，投加固態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）沉淀水中余鋁含量最低為0.020 mg/L。這是由于液態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）由于放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致鋁鐵發(fā)生水解，水中溶解態(tài)鋁含量增大，難以去除，而固態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）溶解后水解的鋁鐵少，顆粒鋁易隨著混凝絮凝經(jīng)沉降過(guò)濾去除。

3 結(jié)論

由于夏季原水水質(zhì)較差，pH值較高，隨著聚合氯化鋁鐵（PAFC）投加量的增加，出廠水中余鋁含量也隨之上升，易出現(xiàn)出廠水鋁超標(biāo)問(wèn)題。現(xiàn)通過(guò)攪拌實(shí)驗(yàn)對(duì)影響沉淀水余鋁含量因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)控制次氯酸鈉、高錳酸鉀投加量、混凝攪拌時(shí)間均不能有效降低出水余鋁含量，而混凝攪拌強(qiáng)度對(duì)水中余鋁含量具有一定影響。投加三氯化鐵可以降低水的pH 值，具有顯著除鋁效果，同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步降低出水濁度。三氯化鐵投加量為5 mg/L比較合適，同時(shí)快速混凝階段混凝強(qiáng)度不要超過(guò)250 r/min。將液態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）改為固態(tài)聚合氯化鋁鐵（PAFC）也是一種合適的降低水中余鋁含量的方法。目前，各供水集團(tuán)和水務(wù)公司均制定了自己的內(nèi)控水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)出廠水余鋁的含量有了更嚴(yán)格的要求，還需要更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證制水生產(chǎn)中鋁的去除。