南水北調(diào)濾后水殘余鋁的影響因素試驗研究

朱靈峰 陳潔 侯煜堃 谷一鳴 孫倩

摘要：為控制殘余鋁濃度，以南水北調(diào)水為原水，研究混凝劑種類及投加量、助凝劑投加比例、pH值調(diào)節(jié)方式及pH值、沉淀時間等因素對濾后水中殘余鋁的影響。從除濁效果、UV254去除效果及濾后水殘余鋁濃度3個方面進行了試驗研究，結(jié)果表明：混凝劑為聚合氛化鋁（PAC）、最佳投加量為25mg/L，助凝劑為活化硅酸、混凝劑與助凝劑投加比例為5：1、原水pH值為7.5、沉淀時間為30min時，濁度和UV254均有較好的去除效果，同時可控制殘余鋁濃度遠低于國標規(guī)定的濃度限值（0.2mg/L）。

關(guān)鍵詞：殘余鋁；混凝劑；助凝劑；pH值；南水北調(diào)

中圖分類號：TU991.22 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.014

近年來，鋁鹽作為水處理混凝劑得到了廣泛應(yīng)用，在采用鋁鹽混凝劑的水廠中，出水鋁含量明顯升高，一般為0.01～2.37mg/L[1]。美國供水協(xié)會的研究表明，原水中和投加混凝劑引入的鋁在經(jīng)過水處理常規(guī)工藝后，出水中仍有11%殘留[2]。大量試驗研究表明，鋁離子進入人體并蓄積到一定量后，可導(dǎo)致多種疾?。ㄈ绨⑹习V呆癥、骨質(zhì)疏松癥、貧血、神經(jīng)性厭食癥等）[3]，臨床醫(yī)學和環(huán)境醫(yī)學也證實鋁化合物具有一定的毒性[4]。有研究表明，鋁鹽混凝劑處理過的水中，鋁濃度會增大，其中相當多的鋁是較易被人體吸收和結(jié)合的，故飲用水中的鋁較其他來源的鋁對人體的危害更大[5]。為保障用水安全，許多國家和衛(wèi)生組織對飲用水中殘余鋁含量有著嚴格的控制標準。我國建設(shè)部頒布的《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃》首次將殘余鋁列為飲用水水質(zhì)控制指標之一[6]，衛(wèi)生部2001年頒布的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》要求飲用水中殘余鋁濃度不超過0.2mg/L[7]，故控制濾后水殘余鋁濃度是十分必要的。肖定華[8]的研究表明：聚合氯化鋁（PAC）投加量對水中殘余鋁的影響最大，其次是pH值、濾速、活化硅酸投加量；鐵鹽除鋁效果比鋁鹽好，原因是其沒有向水中引入更多的鋁；加入助凝劑活化硅酸后，在同樣的混凝效果下，混凝劑的投加量減半；原水pH值對殘余鋁濃度的影響較大，當pH值為7.5左右時，殘余鋁含量最低。趙立新等川的研究表明，不同混凝劑對濾后水殘余鋁的影響不同，新型的高分子混凝劑的處理效果優(yōu)于傳統(tǒng)低分子混凝劑。王志紅等[9]的研究表明：調(diào)整PH值可以調(diào)整溶解鋁和顆粒鋁的比例，從而降低凈化水中殘留鋁的濃度。張振杰等[10]的研究表明：溫度升高，水中Al（OH）4-、Al13（OH）345+含量增加，最終導(dǎo)致濾后水殘余鋁增加。

通過對水廠運行狀況進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)工藝處理條件下，南水北調(diào)濾后水出現(xiàn)鋁濃度超標現(xiàn)象，鑒于飲用水鋁超標會對人體產(chǎn)生一系列危害，筆者通過試驗對鋁超標風險控制技術(shù)作了研究，考察了混凝劑種類及最佳投加量、助凝劑投加比例、pH值、沉淀時間等因素對南水北調(diào)濾后水中殘余鋁濃度的影響，旨在取得最佳的殘余鋁控制條件。

1 試驗材料與方法

1.1 原水水質(zhì)分析

采用南水北調(diào)水作為原水，試驗期間南水北調(diào)原水平均濁度為4NTU，pH值為8.0～8.5，UV254含量為0.010～0.034AU/cm，氨氮濃度為0.01～0.03mg/L（見表1）。按《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）評價，氨氮濃度和PH值能夠穩(wěn)定達到Ⅰ類水標準，高錳酸鹽指數(shù)能夠穩(wěn)定達到Ⅱ類水標準。

1.2 儀器及分析方法

依據(jù)《生活飲用水標準檢驗方法》（GB/T 5750.6-2006）和《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）[11]測定水質(zhì)。UV254作為重要水質(zhì)指標，常被用來衡量水處理效果的優(yōu)劣，多數(shù)水質(zhì)試驗用其作為檢驗標準，故本試驗將濁度，UV254濃度、殘余鋁濃度作為研究指標，采用HACH2100Q便攜式濁度儀測定濁度、TU-1810紫外可見分光度計測定UV254和鋁濃度。

1.3 試驗方案及流程

根據(jù)水廠工藝實際情況，小試試驗以聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）、聚合氯化鋁鐵（PAFC）為混凝劑，研究有效控制南水北調(diào)濾后水殘余鋁濃度的最佳混凝劑種類及投加量；以活化硅酸為助凝劑，根據(jù)水廠運行經(jīng)驗，活化硅酸按混凝劑與助凝劑之比為3：1、4：1、5：1投加，研究最佳助凝劑投加比例；以先加混凝劑和助凝劑再調(diào)PH值及先調(diào)PH值再加混凝劑和助凝劑兩種方法，研究pH調(diào)節(jié)方法及pH值對濾后水殘余鋁濃度的影響。

利用醫(yī)用針管將混凝劑和助凝劑注入盛有原水水樣的1L圓形燒杯內(nèi)，立即開啟JJ-4D六聯(lián)攪拌機進行攪拌（攪拌機轉(zhuǎn)速與時間設(shè)置見表2），使混凝劑和助凝劑與原水快速混合、絮凝?；炷蟪恋?0min，取燒杯上層液50mL測定各項水質(zhì)指標。

在小試試驗的基礎(chǔ)上，進行中試試驗，驗證pH值對濾后水殘余鋁濃度的影響；改變混凝沉淀時間，研究沉淀時間對濾后水殘余鋁濃度的影響，驗證小試試驗沉淀時間30min的合理性。

混凝劑和助凝劑經(jīng)加藥泵輸送至混合池，經(jīng)充分攪拌混合后快速進入石英砂濾池內(nèi)，取濾后水測定濁度，UV254、殘余鋁濃度，由此來研究各種因素對濾后水殘余鋁濃度的影響。王志紅等[10]研究表明：隨著殘余鋁濃度的降低，濁度也降低。

2 小試試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝劑種類及投加量對殘余鋁的影響

圖1～圖3為南水北調(diào)水在不同混凝劑投加下的濁度去除率，UV254去除率以及濾后水殘余鋁濃度。由圖1和圖2可知，隨著混凝劑投加量的增加，濁度去除率和UV254去除率逐漸增大，原因是混凝劑投加量增大，絮體變大、沉降加快；PFS對濁度和UV254的去除效果明顯劣于PAC和PAFC ；投加量達到25mg/L后，PAC和PAFC的除濁效果和對UVZ54的去除效果提升空間不大，成本增加；投加量為25mg/L時，PAC的除濁效果好于PAFC，除濁率達到80.93%，對UV254的去除效果二者相當，分別為45.10%和44.93%。綜合考慮混凝劑成本、除濁率和UV254去除率，選擇PAC作為混凝劑，投加量為25mg/L。

由圖3可知，混凝劑投加量為25mg/L時，PAC和PAFC作為混凝劑的濾后水殘余鋁濃度分別為0.19、0.20mg/L，基本相當，且不高于限值0.20mg/L；投加量從25mg/L增至40mg/L，兩種混凝劑投加下的殘余鋁濃度明顯增大，高于限值0.20mg/L，原因是隨著投加量的增加，混凝劑有效利用率降低，水的鋁濃度增大[3]，而PFC作為混凝劑的殘余鋁濃度明顯低于其他兩種混凝劑的，原因是PFS本身不屬鋁化合物。綜上所述，PFS作為混凝劑的濾后水殘余鋁濃度不超標，但其對濁度和UV254的去除效果劣于PAC和PAFC混凝劑，水廠運行應(yīng)兼顧濁度、UV254、殘余鋁3個指標，選PAC作為混凝劑，最佳投加量為25 mg/L。

2.2 助凝劑投加比例對殘余鋁的影響

圖4～圖6為南水北調(diào)水在PAC與活化硅酸不同比例（3：1、4：1、5：1）聯(lián)用下濁度去除率，UV254去除率以及濾后水殘余鋁濃度。由圖4可知，當PAC投加量為25mg/L時，活化硅酸按5：1（5mg/L）投加時除濁效果最好，濁度去除率可達82.87%；隨著PAC投加量的增加，不同比例下的活化硅酸投加量也增加，濁度去除效果反而變差，說明當活化硅酸投加量過大時會形成膠體保護，阻礙活化硅酸的助凝作用。由圖5可知，隨著PAC投加量的增大，活化硅酸按不同比例投加對UV254的去除率逐漸增大；當混凝劑投加量大于25mg/L時，對UV2M的去除效果增加緩慢，而成本增加；當混凝劑投加量為25mg/L時，活化硅酸按5：1（5mg/L）投加時對UV254的去除效果最好，去除率為41.23%。

由圖6可知，混凝劑投加量小于25mg/L時，活化硅酸按5：1和3：1的比例投加的濾后水殘余鋁濃度均低于0.2mg/L，且按5：1投加的殘余鋁濃度最低；當混凝劑投加量大于25mg/L時，活化硅酸按不同比例投加下的殘余鋁濃度均高于0.2mg/L，故活化硅酸應(yīng)按5：1投加。

綜合考慮濁度去除率，UV254去除率以及濾后水殘余鋁濃度這3項指標，選擇活化硅酸按5：1投加，即PAC投加量為25mg/L，活化硅酸投加量為5mg/L。

2.3 pH值調(diào)節(jié)方法對殘余鋁的影響

南水北調(diào)原水pH值為7.9～8.5，經(jīng)常規(guī)工藝處理后，pH值為7.8～8.3。為研究pH值對出水鋁濃度的影響，同時觀察偏酸或偏堿性的水質(zhì)環(huán)境對出水鋁濃度的影響，進而提出有效控制殘余鋁濃度的pH值，小試試驗pH值定為5.5～9.5，其涵蓋了南水北調(diào)原水和濾后出水的pH值。在投加量不變（PAC 25mg/L、活化硅酸5mg/L）的情況下，采用先調(diào)節(jié)pH值再加混凝劑和助凝劑（方法1）和先加混凝劑和助凝劑再調(diào)pH值（方法2）兩種方法，觀察濾后水濁度、UVz1和殘余鋁濃度與pH值的關(guān)系，確定pH值的調(diào)節(jié)方法和控制殘余鋁濃度低于0.2mg/L的pH值。

圖7～圖9為南水北調(diào)水在兩種方法調(diào)節(jié)pH值下的濾后水濁度，UV254以及殘余鋁濃度。當采用PAC作為混凝劑、活化硅酸為助凝劑時，加酸適當降低pH值，保持原水酸堿度在合適的pH值范圍，對于保證混凝效果、降低凈化水中殘余鋁含量是非常必要的。通過分析圖7～圖9可知，在PH值處于7.0～7.5范圍內(nèi)時，對濁度的去除而言，方法1和方法2基本相當；對UV254的去除而言，方法1優(yōu)于方法2；對出水殘余鋁濃度而言，兩種方法差別不大。當pH值高于7.5時，兩種方法的殘余鋁濃度都升高，原因是pH值升高后，形成了較多的溶解態(tài)的鋁化合物，使殘余鋁濃度升高。綜上所述，建議采用方法1（先調(diào)節(jié)pH值，再投加混凝劑PAC）。

針對方法1，分析圖7和圖8可知，濾后水濁度和UV254隨著pH值的升高先降低后升高，原因可能是酸性或堿性條件不利于絮體的形成，同時影響混凝劑的水解，進而影響混凝沉淀效果。pH值為7.5時，濾后水濁度和UV254濃度最低，分別為0.483 NTU和0.021AU/cm，此時殘余鋁濃度為0.083mg/L，低于限值（0.2mg/L）。

綜合考慮濁度、UV254及殘余鋁濃度3個指標，同時為了試驗操作方便及更有效地調(diào)節(jié)pH值，可采用方法1進行中試試驗，調(diào)節(jié)pH值至7.5。

3 中試試驗結(jié)果與分析

3.1 pH值對殘余鋁濃度的影響

要將南水北調(diào)原水pH值調(diào)節(jié)到7.5，需加入適量硫酸。中試試驗采用隔膜式計量泵投加0.18mol/L的硫酸，加酸速度為2.0L/h，加酸點設(shè)在原水泵之前，這樣有利于硫酸與原水充分混合，保證后續(xù)的混凝沉淀在穩(wěn)定的 pH值條件下進行。

由表3～表4可知，調(diào)節(jié)原水pH值和不調(diào)節(jié)原水pH值兩種方法對比，濾池出水濁度差別不大，而調(diào)節(jié)原水pH值情況下UV254的去除率大于不調(diào)節(jié)pH值的。不調(diào)節(jié)原水pH值時，兩次觀測的濾后水殘余鋁濃度分別為0.210、0.208mg/L（見表4），已超過國家生活飲用水衛(wèi)生標準（GB5749-2006）的限值（0.2mg/L）。先調(diào)節(jié)原水的pH值到7.5，再加入混凝劑和助凝劑時，南水北調(diào)濾后水殘余鋁濃度和原水接近，即鋁含量基本不增加，低于0.2mg/L。調(diào)節(jié)pH值至7.5時，可以有效降低濾后水殘余鋁濃度，與小試試驗結(jié)論一致。

3.2 混凝沉淀時間對殘余鋁的影響

小試試驗選取的沉淀時間均為30min，中試在混凝劑和助凝劑投加量不變（PAC 25mg/L、活化硅酸5mg/L）、pH值為7.5的條件下，針對沉淀時間對濁度、UV254及濾后水殘余鋁濃度的影響進行研究，驗證小試試驗選取沉淀時間30min的合理性。圖10～圖11為南水北調(diào)水不同沉淀時間對濾后水濁度、UV254以及殘余鋁濃度的影響。

由圖10和圖11可知，隨著沉淀時間的增加，殘余鋁濃度、濁度及UV254含量都逐漸下降；沉淀時間較短時，水中絮體較多、濁度較大。沉淀時間超過30min后，這3項水質(zhì)指標減幅變小，反而延長了水處理時間，在實際生產(chǎn)中過長的沉淀時間也不現(xiàn)實，故試驗選取沉淀時間30min是可行的，此時余濁為0.604 NTU，殘余鋁濃度為0.030mg/L，殘留的UV254為0.021 AU/cm，均低于國家限值。綜合考慮水廠實際運行情況，將沉淀時間定為30min是合理的。

4 結(jié)語

選擇合適的混凝劑、助凝劑及其投加量、調(diào)節(jié)pH值及控制沉淀時間能夠有效降低濾后水殘余鋁濃度。試驗結(jié)果表明：鐵鹽作為混凝劑的濾后水殘余鋁濃度不超標，但對濁度和UV254的去除效果劣于鋁鹽混凝劑；活化硅酸作為助凝劑能提高絮凝效果，濁度和UV264的去除效果優(yōu)于不加助凝劑；達到較好除鋁效果并節(jié)省成本的活化硅酸與混凝劑的最佳投加比例為5：1；pH值影響濁度UV254的去除效果及殘余鋁濃度，將原水pH值調(diào)節(jié)至7.5后，南水北調(diào)濾后水不會出現(xiàn)鋁超標現(xiàn)象，先加酸調(diào)節(jié)pH值至7.5，對殘余鋁的去除效果更好；沉淀時間同樣影響殘余鋁濃度，隨著沉淀時間的延長，殘余鋁濃度逐漸降低，但在實際生產(chǎn)中沉淀時間過長不現(xiàn)實，故水廠運行的沉淀時間一般可選為30min。南水北調(diào)水的處理過程中，選擇混凝劑PAC的投加量為25mg/L，助凝劑活化硅酸的投加量為5mg/L，沉淀時間為30min，并調(diào)節(jié)原水的pH值至7.5，可以達到較好的濁度、UV254去除效果，此時濾后水濁度為0.345NTU，UV254濃度為0.016AU/cm，并可保證殘余鋁濃度為0.025mg/L，低于國標規(guī)定的濃度限值（0.2mg/L）。

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