王志紅¹，崔福義¹，鄭學書²，車振啟²
(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090；2.賓縣自來水公司，黑龍江哈爾濱150400)

　　摘　要：通過去除飲用水中鋁的一系列生產試驗，主要研究了混凝沉淀過程中濁度、水溫、pH值等因素對沉淀水余鋁的影響，提出除鋁可以分為降低溶解鋁和去除顆粒鋁的兩種途徑。余濁和余鋁在一定濃度范圍內呈線性相關關系，此時除濁能同時有效去除顆粒鋁。在不同溫度下有不同的最佳pH值，調節pH值有利于降低溶解鋁，增加鋁的可去除性。在此基礎上，對水廠生產運行提出了一些建議。
　　關鍵詞：飲用水；除鋁；混凝沉淀
　　中圖分類號：TU991.22；TU991.23
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　對全國部分城市的飲用水水質調查結果表明：以鋁＜0.2 mg/L為標準，所調查的40座城市中有32.5%的城市飲用水中鋁濃度超標，東北地區超標的城市則高達76.9。因此，研究飲用水中鋁的去除是亟待解決的有普遍意義的課題。?
　　在黑龍江賓縣自來水廠進行降低鋁含量的生產性試驗中，就如何確定水廠最優的水力和化學條件、選擇合適的構筑物型式和工藝參數進行了研究。重點探討混凝沉淀流程中濁度、水溫、pH值等因素對除鋁的影響。該水廠是混凝沉淀工藝的典型代表，因此研究結論對類似水廠具有普遍參考價值。?

1　生產性試驗設計

1.1　水廠介紹
　　賓縣自來水廠產水量為4 000m³/d，原水引自附近的二龍湖水庫，采用常規的水處理流程：原水→沉砂池→混合→隔板反應池→沉淀池→普通快濾池→加氯消毒→清水池→出水。?
原水水質常年變化不大，濁度為20～100 NTU，鋁含量為0.1～0.2 mg/L。其中11月平均水溫為0.5 ℃，平均濁度為80 NTU，平均鋁含量為0.20mg/L；6月平均水溫為15 ℃，平均濁度為20 NTU，平均鋁含量為0.12 mg/L。原水中鋁含量與濁度的變化基本一致，即隨濁度的升高降低相應變化。?
水廠的沉淀池分為兩組，分別采用斜管和小間距斜板，正常運行時混凝沉淀的處理效果穩定，總沉水(即兩組沉淀池處理后的混合水)余濁一般＜5 NTU。以聚合氯化鋁作為混凝劑、用加藥泵投加，投藥量用SC—3000A型單因子混凝投藥測控系統自動控制。?
1.2　試驗方法
　　為考察水溫變化的影響，試驗主要安排在兩個時期：6月—7月和10月—11月，前者的水溫基本在8～18℃之間，后者在0～2 ℃左右(均以沉淀池水溫值表示)。?
　　根據原水的水質情況，改變自動控制系統的設定值，通過SC—3000A型單因子混凝投藥控制系統自動調節投藥量，保證沉淀池的出水濁度滿足試驗要求。?
　　水廠的產水量較小，夜間一般都停止生產，用清水池的貯存水供給用戶。在水廠的日間生產期間進行試驗，取總沉水和濾后水為主要研究水樣，隔1.5～2 h取樣一次，測其濁度、鋁含量、pH值等水質參數。原水的主要水質參數包括濁度、鋁含量、pH值、水溫等則每天測一次。?

2 試驗結果

2.1 余濁的影響
　　由于鋁在水中的溶解度較低，大部分以顆粒鋁的形式存在，經過混凝沉淀之后，水的余濁與余鋁之間應存在一定的相關性。?
試驗條件：原水濁度為18 NTU，水溫為14 ℃，總沉水pH值為7.5。在沉淀池末端取總沉水水樣，研究余濁對余鋁的影響。?
　　經沉淀以后，余濁與余鋁大致呈現這樣的相關關系：①隨著余濁的減少余鋁也減少；②當余濁＜7 NTU時，余鋁隨余濁降低的幅度變小，余鋁含量相對比較穩定，為0.13～0.15 mg/L。可以作如下解釋：一方面，水中的溶解鋁以離子態存在，在沉淀過程中難以直接去除。當一些能與鋁形成絡合物的共存物隨濁度一起被去除時，溶解鋁被間接去除，含量有所降低，在正常情況下由于絡合態的鋁并不多，這部分的變化較小；另一方面，隨著濁度的降低，懸浮顆粒鋁伴隨著濁度膠體一起被去除，含量降低與濁度去除基本呈線性關系，變化幅度相對溶解鋁要明顯。總的反映出余鋁隨余濁減少而減少。當濁度降低到7 NTU時，剩余的顆粒鋁較少而細小，已難以沉淀去除，因此余濁進一步降低對余鋁的影響不大。?
　　余濁與余鋁的相應關系曲線見圖1。?

　　飲用水的除鋁可以從降低顆粒鋁和降低溶解鋁兩方面入手。顆粒鋁基本上可以通過除濁來解決，當總沉水余濁≤7 NTU時，顆粒鋁大部分被去除。余鋁主要是溶解鋁和部分細小的顆粒鋁，在一定的水質條件下可以轉化為可去除的顆粒鋁。為進一步考察溶解鋁與水溫、pH值的關系，尋求降低溶解鋁的方法，并為具有可比性，當控制總沉水樣的余濁為7 NTU左右時，顆粒鋁含量不高而且基本相同，此時余鋁值的變化可認為基本
反映溶解鋁的變化。?
2.2　pH值的影響
　　由于水中顆粒鋁主要以兩性氫氧化物的形式存在，因此pH值對顆粒鋁的水解和溶解有著重要的影響。若顆粒鋁溶解后轉化成溶解鋁，在混凝澄清工藝中較難去除，而顆粒鋁卻可以通過除濁取得較好的去除效果。可以認為pH值對余鋁的重要影響主要表現在：①影響鋁鹽混凝劑的水解程度，從而影響混凝的效果，即除濁的效果；②混凝劑水解形態的不同，顆粒鋁與溶解鋁的比例也會不相同，從而影響水中鋁的去除難易程度；③影響溶解鋁的含量(在余濁較低時，也就一定程度上反映了出水余鋁的含量)。?
　　由于水廠整個流程基本不進行pH值調節，這部分試驗采用如下方法進行：選擇原水水樣進行燒杯試驗，先固定一些參數，如原水濁度為18 NTU(±0.5 NTU)，水溫為14 ℃，堿式氯化鋁投藥量保持不變；考慮到水廠的pH值全年變化范圍為7.0～8.5，以此相應地調節水樣的pH值；測沉淀后水樣的余濁、余鋁和pH值。取余濁值為7 NTU的沉淀后水樣分析余鋁和pH值的關系(認為余鋁的變化是由pH值的變化造成的)，結果如圖2所示。

　　由圖2可以看到：余鋁先是隨pH值的增加而減少，當pH值增加到一定值后，余鋁反而隨pH值的增加而增加，即存在一最佳pH值使余鋁量最小。圖2表明：水溫為14 ℃時的最佳pH值為7.5左右，所對應的余鋁為0.12～0.13 mg/L；而在pH值由7.5增加到8.2時，余鋁增加到0.20 mg/L，增加幅度約為67%。其原因是在總沉水的pH環境(7.0～8.5)下，顆粒鋁(兩性氫氧化物)的溶解主要是依循如下的溶解平衡過程：?
　　　　　　Al(OH)₄^-+H⁺←→Al(OH)₃(s)+H₂O　(1)?
　　　　　　Al(OH)_3(s)←→Al³⁺+3OH^-　　　　(2)?
　　在最佳pH值時，顆粒鋁的溶解度也最小，因為pH值的增加或降低都導致平衡移動，使溶解鋁含量增加，從而使總鋁增加。以上分析說明，水廠若在混凝沉淀過程中將pH值調節為相應水溫下的最佳pH值，能夠降低水中溶解鋁量，有助于除鋁。?
　　曾試圖從溶度積的角度計算出該最佳pH值，查閱資料后發現不同資料提供的溶度積常數不同，例如式(2)的溶度積常數(18～25 ℃)查出有10^-32、1.3×10^-33、2×10^-33等，這反映出溶解鋁的存在形態很復雜，至今并沒有一個很準確的描述，難以進行定量推導，其最佳pH值應根據原水水質因素由試驗確定。?
2.3　水溫的影響
　　因為鋁鹽混凝劑的水解反應是一個吸熱反應，水溫變化直接影響鋁鹽的水解程度，另一方面顆粒鋁的溶解度和最佳pH值與水溫也有著密切的聯系，所以有必要進一步探討水溫對余鋁的影響。?
　　①根據水溫變化調節投藥量，選擇總沉水pH值為7.5、余濁為7 NTU時的余鋁值作為參考量，研究水溫與余鋁的關系，得到圖3。?

　　由圖3可以看到，隨水溫升高，余鋁呈較快的上升趨勢；水溫為16 ℃時的余鋁量(0.18 mg/L)是0.5 ℃時的兩倍。這是由于溫度升高，顆粒鋁的溶解度增加導致余鋁增加。?
　　②圖4反映的是水溫與最佳pH值的關系。?

　　由圖4可以看出：當水溫升高，最佳pH值降低。如水溫為1 ℃時，最佳pH值為7.95；當水溫為16 ℃時，對應的最佳pH值降為7.40。出現這種現象是因為水廠處理流程中pH值環境均大于7.0，為弱堿性，使顆粒鋁的溶解以Al(OH)₄^-+H⁺←→Al(OH)₃(s)+H₂O為主。當溫度升高，平衡有向左移動而增大溶解度的趨勢；此時若力圖降低溶解鋁使平衡右移，則需增加H⁺，減少pH值。因此溫度增加，相對應的最佳pH值降低。?
　　③試驗中一個值得注意的問題是當水溫較低時(5 ℃以下，原水濁度為80 NTU左右)，雖然溶解鋁含量有所降低，但由于混凝沉淀的效果差，總沉水的濁度較高，顆粒鋁含量大大增加，總的余鋁值則表現為略有增加，如圖5所示。?

3　結論和建議

　　①飲用水處理過程中，除濁可以在一定程度上有效去除顆粒鋁。存在一個適宜的沉淀水余濁值(7 NTU)，低于此值時顆粒鋁能被大部分去除。該沉淀水余濁值應作為水廠確定鋁鹽投量的因素之一。?
　　②在相同余濁時，存在最佳pH值使溶解鋁含量最小，此時鋁的去除率增加。因此，建議水廠根據水溫和原水水質作燒杯試驗確定此最佳pH值，根據最佳值進行調節，有助于除鋁。試驗中水溫為14℃時，該值為7.5。?
　　③不同水溫對應有除鋁的不同最佳pH值。在水廠弱堿性的水環境中，水溫升高，最佳pH值降低。水廠運行中應根據水溫進行調節。?
　　④在相同余濁條件下，水溫升高，顆粒鋁的溶解度增加，余鋁增加，這給除鋁帶來更大的困難。水廠在水溫升高時，可以采取適當調節沉淀水余濁值、改變投藥量等措施，以保證除鋁的效果。試驗過程中發現，若控制沉淀水余鋁＜0.2 mg/L，濾后水的余鋁基本能滿足＜0.05 mg/L的要求。

參考文獻：

　　［1］王志紅,崔福義.聚合鋁類混凝劑及混凝條件對余鋁的影響試驗研究［J］.給水排水，2001，27(2)：25-27.?

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　　作者簡介：王志紅(1975-)女，漢族，江西贛州人，哈爾濱工業大學博士生，現工作單位為廣東工業大學，研究方向為水處理。?
　　電　話：(020)87254582　13660405468?
　　E-mail:gdwzhihong@yahoo.com.cn?
　　收稿日期：TSS〗2001-07-06