自来水中残余铝去除的影响因素

王志红¹，崔福义²
（1．广东工业大学建设学院，广东 广州 510643；2．哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090）

　　摘　要：通过饮用水除铝的生产实验，研究了水温、pH值对残余铝的影响。提出了残余铝随水温升高呈增加趋势、最佳混凝pH值随水温的升高而降低的观点。当水温14℃时，在使用减式氯化铝时，混凝反应的最佳pH值为7.5。通过调整水的pH值，可以改变溶解铝和颗粒铝的比例，从而改善残余铝的去除中。
　　关键词：饮用水；铝离子；给水处理
　　中图分类号：TU991.22；TU991.23
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2003）02－0015－03

Factors Affecting Removal of Residual Aluminum in Portable Water
WANG Zhi-hong1, CUI Fu-yi2
(l‘ W of Constnatfo4 Guangdong Industrial University Guangzhou 510643, China; 2. College of Municipal Environmental Engineering, Harbin 150090, China)

　　Abstract: The effects of temperature and pH value of water on residual aluminum have been studied through productive tests of aluminum removal from drinking water, with a viewpoint proposed that residual aluminum tends to increase with the rising of water temperature. When water, temperature is l4℃ and basic aluminum chloride is used, the optimum pH value of water , the ratio of dissolved aluminum to solid aluminum can be changed, so that the removal rate of residual aluminum can be improved.
　　Keywords: drinking water; aluminum ion; feed water treatment

　　建设部颁布的《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中首次将铝列为饮用水水质控制指标之一^[1]。在我国新的生活饮用水卫生标准（2001年)中，也已明确将铝作为其中一项水质指标，规定一、二类水的饮用水中铝的质量浓度不得高于0．2mg／L。
　　对全国部分城市的饮用水水质调查结果表明：一以用的质量浓度不超过0．2mg/L为标准，所调查的全国40座城市中有32．5％的城市饮用水铝浓度超标，东北地区超标的城市则高达76．9％^[2]。同时，我国的铝浓度控制指标还远低于发达国家的水平，如美国和欧共体等通行的指标是饮用水中铝的质量浓度不超过0．05mg／L^[3]。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。
　　在实验室小试的基础上，在黑龙江宾县自来水厂进行了生产性实验，就确定水厂最优的水力和化学条件、选择合适的工艺参数等内容进行了研究，重点探讨了水温、pH值对残余铝的影响。

1 实验设计

　　为考察水温变化的影响，实验安排在两个时期：6－7月份和10－11月份，6－7月份的水温在 8－18℃之间，10－11月份的水温在 0－2℃左右。以沉淀池水温值表示。
　　根据原水的水质情况，通过SC－3000A型单因子混凝投药控制系统自动调节投药量，保证沉定池的出水浊度满足实验要求。
　　取总沉水和滤后水为研究水样，隔1．5－2h取一次样，测其浊度、铝含量、pH值等水质参数；原水的浊度、铝离子、pH值、水温等，每天测一次。
　　用分光光度法测浊度。铝试剂分光度法测铝。

2 实验结果和讨论

2.1 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。颗粒铝溶解后转化成溶解铝，在混凝澄清工艺中较难去除，但颗粒铝可以通过除浊取得较好的去除效果。当沉淀水残余铝的质量浓度在0.15mg／L以下时，通过过滤工艺可使出水残余铝的质量浓度控制在0.05mg／L以下[4]。作者认为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（在出水浊度较低时，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调节，这部分实验采用如下方法进行：选择原水水样进行烧杯实验，先固定一些参数，如原水浊度18NTU（±0.5NTU），水温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，相应调节水样的pH值，测沉淀后水样的浊度、余铝和pH值。取浊度值7．0±0.1NTU的沉淀水水样分析余铝和PH值的关系，可认为余铝的变化是由pH值的变化造成，结果如图1所示。

　　图1表明：在水温14℃时除浊的最佳PH值为7．5左右，所对应的余铝的质量浓度为0.12－0．13mg／L。以0.15mg／L作为界限值，则表现为：在PH值7.06－7.88范围内，残余铝的质量浓度基本保持在0.15mg／L以下；pH值超出此范围残余铝的质量浓度高于0.15mg／L的界限值，增加了后续过滤工艺的负荷。
　　产生以上现象的原因是：在总沉水的pH值环境（7.0－8.5）下，铝在水中形态主要有4种^[5]：Al（OH）₃（s），Al₁₃（OH）34⁵⁺，Al（OH）₄^-，Al3+。平衡方程式如下：

　　　　　　　

　　考虑到PH值呈略碱条件下，［Al3+]的量很低，可以忽略不计，溶解铝的含量主要取决于［Al（OH）₄^-］和［Al₁₃（OH）₃₄⁵⁺］。笔者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，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，比较难以进行定量推导，只能作一定的预测。方程式（2）说明［Al（OH）4-］与[H+］呈反比关
系，则pH值升高，[Al（OH）4-］也增加。方程式（3）显示［Al13（OH）345+］正比于[H+]的五次方；即［Al13（OH）345+］随pH值的升高而降低，因此作如下推导：

　　　　　　　　

　　又有d²S／dC²=2A／C³+20BC³＞0，所以S存在一个最小值，对应的pH值为除铝的最佳pH值。
　　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，有助于饮用水的除铝。
2．2 水温对余铝的影响
　　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^[6-7]，所以有必要进一步探讨水温对余铝的影响，寻找不同水温下降低溶解铝含量的方法。在自动投加铝盐混凝剂，沉淀水的浊度保持在7.0±0．1NTU的条件下，总沉水中余铝与水温的关系如图2所示。

　　由于实验是分阶段进行的，数据点分为三段：0－2，8.5－10.5和14－16℃。但数据点依然反映了一定的规律，随水温升高，残余铝表现为增长趋势，水温16℃时的余铝的质量浓度为0.18mg／L，是0．5℃时的2倍。这是由于温度升高，颗粒铝的溶解度增加，而导致余铝增加。当水温高于15℃，残余铝的质量浓度相应高于0.15mg／L，由前述铝盐的离子平衡知，温度升高，平衡向右移动，Al（OH）4-和Al13（OH）345+的含量增加，导致沉淀水的残余铝增加。这意味着夏季的高温季节，要采取—定的措施控制出水残余铝的含量。
2．3 水温与最佳州值的相关性
　　图3反映的是水温与最佳pH值的关系。图中可以看出：当水温升高，最佳pH值降低。如当水温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。按2.1节中的平衡方程式分析，当温度升高，平衡有向右移动增大溶解度的趋势，此时着力图降低溶解铝让平衡左移，则需增加H+，降低pH值。因此温度升高，相对应的最佳pH值降低。在水厂生产过程中，可根据水温变化进行相应pH值的调整，可以有效降低出水残余铝含量。

　　实验中一个值得注意的问题是当水温较低时（5℃以下时），虽然溶解铝含量有所降低，但由于混凝沉淀的效果较差，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4所示。

3 结论和建议

　　①在相同浊度时，存在最佳PH值使溶解铝含量最小，此时铝的去除率增加。本实验中水温14℃时，pH值为7．5。
　　②不同水温对应有不同除铝最佳pH值。在水厂弱碱性的水环境中，水温升高，最佳pH值降低。水厂运行中的pH值应根据水温进行调节。
　　③水温升高，颗粒铝的溶解度增加，在相同浊度条件下，余铝增加，给除铝带来更大的困难。水厂在水温升高时可以适当调节沉淀水浊度值、改变投药量等，以保证除铝的效果。

参考文献：

　　[1] 汪光焘．城市供水行业2000年技术进步发展规划[M]．北京：中国建筑工业出版社，1999
　　[2］崔福义，胡明成，张燕，等．我国部分城市饮用水中铝浓度的调查研究[J]．中国给水排水，2002，18 （1）：5－8．
　　[3]崔福义，李名锐，王志红，等．饮用水中铝的危害、来源及现状[J]．哈尔滨建筑大学学报，1997，30（6）：51－54．
　　[4] 王志红，崔福义，张霄宇．饮用水过滤中的除铝实验研究[J]．工业用水与废水，2001，32（5）：7－9．
　　[5] 朱志平．铝盐混凝剂最佳pH值预测［J］．水处理技术，1993，19（2）：107—114.
　　[6] Jekel R．Residual aluminum in drinking water treatment[J]．JWSRT-Apua, 1989,38(4):281-288.
　　[7] Raymond D letlerman．Survey of residual aluminum in filtered wa-ter[J]．Reearch and Technology，1998， 80（4）:281－288．

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　　作者简介：王志红（1975－），女，江西赣州人，讲师，哈尔滨工业大学博士生，研究水处理，广东工业大学教师新村34栋5梯
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