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优化混凝剂投加量和调控原水PH值降低出厂水残余铝的试验研究

发表时间：2021/5/7 来源：《基层建设》2021年第1期作者：汪蔚

[导读] 摘要：针对水厂出厂水夏季残余铝超标对人体健康造成危害的问题，通过试验探究在混凝过程中采用调节PH值的方法来控制沉后水残余铝的含量，从而使出厂水铝含量达标。

        安徽省黄山市自来水有限公司安徽黄山 245000
        摘要：针对水厂出厂水夏季残余铝超标对人体健康造成危害的问题，通过试验探究在混凝过程中采用调节PH值的方法来控制沉后水残余铝的含量，从而使出厂水铝含量达标。
        关键词：混凝剂；水处理；PH值；残余铝
        一、前言
        铝是人类生活中最为常见的金属之一，天然水体中或多或少含有一定量的铝，给水处理中投加铝盐混凝剂会向水体中引入铝量。经混凝、沉淀、过滤等的常规处理，仍有部分铝残留在水中。二水厂原水取自于率水河地表水。在夏秋之际，原水浊度较低、在较强的光照和较高的水温条件下，水中生物的呼吸作用增强，造成PH升高，易造成颗粒铝的水解，从而可能导致出厂水残余铝超标，且一度较为严重。近代医学表明：聚集在人体中的铝过高将会导致软骨化症、老年痴呆症、尿毒症等疾病。鉴于饮用水中的铝比其他来源的铝对人体的危害程度大，我国卫生部 2006 年修订的《生活饮用水卫生规范》和最新的建设部《城市供水水质标准》，规定饮用水中铝的浓度不得超过0.2m g/L。从2020年6月至9月，我们通过大量试验、日常检测数据、查阅相关文献资料，针对二水厂出厂水残留铝含量的控制达标进行了试验研究分析。
        二、试验思路：
        由于混凝剂在水中的水解形态受 pH 值的影响较大，所以在水处理中寻求较佳的 pH 值就至关重要。pH值过高或过低，不但会影响净水药剂的作用，而且由于铝是典型的两性金属，其沉淀物在较高或较低pH值环境中都可能再溶，增加处理水中铝的含量。pH值主要是对水处理中絮凝阶段的影响较大，因此改善原水水质，控制沉后水余铝有助于降低出水余铝，本文将通过探讨混凝剂投加的优化以及PH值的控制提高铝的去除效率。
        1、对二水厂的原水进行搅拌试验，找出沉后水残留铝含量和浊度变化的规律。
        2、利用日常检测收集数据来研究原水对于控制沉后水铝含量的最佳PH范围。
        3、人为调节原水PH值来探究PH值与沉后水铝含量之间的关系。
        （1）投加HCL调整原水PH值
        （2）投加FeCL3调整原水PH值
        三、试验研究
        1、主要仪器
        HACH2100P便携式浊度分析仪；TU-1810双光束紫外可见分光光度计；HACH Sension1便携式PH计；梅宇MY3000-6B试验搅拌机。
        2、试剂
        铬天青S、溴代十六烷基吡啶、乳化剂OP、乙二胺、盐酸、氨水、硝酸、硫酸铝钾、对硝基酚、乙醇、氢氧化钠、盐酸、氯化铁。
        3、残余铝测定方法
        根据《生活饮用水卫生标准》（GB/T5750.6-2006）中的生活饮用水检验规范采用铬天青S分光光度法。
        2、试验方案：
        （1）方案一：探究沉后水残余铝含量和浊度变化的规律。
        具体步骤如下：
        于1L水样中加入一定量的混凝剂，先以150r/min快速搅拌4min，然后慢速（60r/min）搅拌20min，最后沉静30min。取上清液测定剩余浊度和残余铝含量。
        1）实验水样取自二水厂原水，其主要指标如下：水温23℃，PH7.3，浊度5.16NTU。
        2）于1L水样中分别加入1%聚合氯化铝（投加量分别为0.2ml、0.4ml、0.6ml、0.8ml、1.0ml、1.2ml、1.6 ml、2.0 ml、3.0 ml），先以150r/min快速搅拌4min，然后慢速（60r/min）搅拌20min，最后沉静30min。取上清液测定剩余浊度和残余铝含量。（见附表1-1）
        附表1-1：

        试验小结：由附表1-1中可知，对二厂原水来说，沉后水残余铝含量与浊度变化规律基本一致。即当投药量增加时，余铝先减少，到一最低值后又逐渐增加，即存在一个最佳的药剂投量。最佳投药量即是余铝和余浊最低点。
        方案二：探究原水PH与沉后水铝含量之间的关系。
        通过收集日常检测数据，绘制原水PH值与出厂水铝含量的线性关系图。

        如图所示，从2020年6月至9月，二厂PH值范围大约分布在7.0-9.6之间。
        该图反映的日常检测数据虽然受人为加药操作、水温等多重因素的影响，但仍然可以看出，原水PH值与出厂水残余铝含量相关性显著。当PH值在7-7.5附近时，出厂水铝含量相对较低。当原水PH值超过8.5时，通过调节混凝剂投加量将难以控制出厂水残余铝含量。
        方案三：用HCL和FeCL3调节原水PH值调至最佳PH值7-8范围内，来探究沉后水余浊和余铝去除情况。
        ①第一组试验
        1.实验水样取自二厂原水，其主要指标如下：水温26℃，PH 9.72，浊度0.98NTU。
        2、于1L水样中分别加入1%聚合氯化铝（投加量分别为0.2ml、0.6ml、1.0ml、1.8ml、2.5ml、3.0ml），先以150r/min快速搅拌4min，然后慢速（60r/min）搅拌20min，最后沉静30min。取上清液测定剩余浊度和残余铝含量。（见附表3-3-1）
        3、投加适量HCL将该水样的PH值调节至7.71，于1L水样中分别加入1%聚合氯化铝（投加量分别为0.2ml、0.4ml、0.6ml、0.8ml、1.0ml、1.2ml），先以150r/min快速搅拌4min，然后慢速（60r/min）搅拌20min，最后沉静30min。取上清液测定剩余浊度和残余铝含量。（见附表3-3-2）
        附表3-3-1：

附表3-3-2：

         试验小结：由附表3-3-1可知，当原水PH值高达9.72时，通过搅拌试验找到其最佳投药量（1%聚合氯化铝）为1.0ml、1.8ml时，浊度分别为0.22、0.21，但沉后水残余铝含量仍然超过国家标准0.2mg/l。
        由附表3-3-2可知，通过人为投加适量HCL将PH值为9.72的原水调至7.71时，最佳投药量（1%聚合氯化铝）下降为0.4ml、0.6ml时，反应效果较好，浊度分别为0.28、0.31，此时对应沉后水残余铝含量控制在国家标准0.2mg/l以下。由此可知，对于PH值较高的原水，可以通过调控PH值并优化混凝剂投加量的方法，从而达到控制出厂水残余铝的目的。
        ②第二组试验
        1、实验水样取自二厂原水，其主要指标如下：水温27℃，PH9.60，浊度1.21NTU。
        2、于1L水样中分别加入1%聚合氯化铝（投加量分别为0.1ml、0.3ml、0.5ml、0.7ml、0.9ml、1.1ml、1.3ml、1.5ml、2.0 ml），先以150r/min快速搅拌4min，然后慢速（60r/min）搅拌20min，最后沉静30min。取上清液测定剩余浊度和残余铝含量。（见附表3-4-1）
        3、投加2.5%FeCL3适量将该水样的PH值调节至7.78，于1L水样中分别加入1%聚合氯化铝（投加量分别为0.3ml、0.5ml、0.7ml、0.9ml、1.1ml、1.3 ml），先以150r/min快速搅拌4min，然后慢速（60r/min）搅拌20min，最后沉静30min。取上清液测定剩余浊度和残余铝含量。（见附表3-4-2）
        附表3-4-1：

        附表3-4-2：

        试验小结：由附表3-4-1可知，当原水PH值高达9.60时，通过搅拌试验发现，当投药量（1%聚合氯化铝）为0.9ml-2.0ml时，反应效果均比较理想，沉后水浊度分别为0.27、0.25、0.22、0.15、0.15，但沉后水残余铝含量仍然大大超过国家标准0.2mg/l。
        由附表3-4-2可知，通过人为投加适量2.5%FeCL3将PH值为9.60的原水调至7.78时，最佳投药量（1%聚合氯化铝）下降为0.3ml、0.5ml、0.7ml时，反应效果较好，浊度分别为0.28、0.35、0.35，此时对应沉后水残余铝含量极低。
        由以上内容综合可知，当原水PH值的较高时，投加一定量的FeCL3，并控制投加药量在最佳投药量附近时，原水浊度及沉后水残余铝含量去除率较高，沉后水残余铁含量也能达标。
        四、结果与理论分析
        由以上试验结果及查阅相关文献资料，汇总出如下结论：
        1、混凝剂投加量对出厂水残余铝含量影响很大。在PH值正常的状态下，二厂的沉后水残余铝含量与浊度变化规律基本相同。在实验条件一定的情况下，存在一个最佳投药量，可以使原水中的铝最大限度地絮凝后通过沉淀去除。
        1、原水PH值与出厂水残余铝含量呈现出较显著的相关性。这是由于：
        （1）对铝盐混凝剂而言，水的PH值直接影响铝离子的水解聚合混凝，即影响铝盐水解产物的存在形态，从而使混凝剂的作用受到干扰；（2）残余铝中大部分是总溶解性铝，聚铝的水解产物与PH值有密切关系，在酸性条件下水解产物主要以多核羟基配合物存在，在PH6.5-7.5的中性范围内，水解产物将以AL（OH）3沉淀物为主；在碱性条件下（PH>8.5）时，水解产物将以负离子形态[Al（OH）4]－出现，PH值越高，负离子形态越多。当调控PH值在中性附近时，由于聚铝水解生成大量AL（OH）3无定型沉淀物易于下沉，此时水中溶解铝含量较低，从而使得水体中铝的残留量下降至最低点。
        3、投加HCL、FeCL3均能够起到优化混凝效果、降低出水残余铝含量的目的。这是由于加入HCL、FeCL3混凝后水的PH值降低幅度高于铝盐，形成的水解产物所带正电荷密度升高，有利于对水中有机物和颗粒物的吸附去除，而水中颗粒态铝随有机物和浊度去除而去除。由于HCL腐蚀性较强，FeCL3在净水生产过程中操作性更强些，建议投加FeCL3调节PH值。
        五、结论和建议
        1.出厂水残余铝含量与浊度变化规律基本一致。对二厂原水来说，当PH值在正常的范围内时，严格按照原水的最佳需矾量来投加混凝剂，能够较好地控制出厂水浊度及铝含量。
        2.混凝过程残余铝控制与进厂水PH值、浊度等因素有关，当夏季来临，随着水温升高，PH值也会相应升高。当原水PH值超过8.5时，通过调节混凝剂投加量将难以控制出厂水残余铝含量及PH值达标。
        因此，可以考虑通过调控PH值优化混凝控制出厂水残余铝含量。建议PH控制在7.5左右时最佳。
        3.由实验内容可知，当原水PH值较高时，投加一定量的FeCL3，使原水PH值降至适当的范围内，并控制投加药量在最佳投药量时，原水浊度去除率较高，残余铝含量低于0.2mg/L。建议当原水PH≥8.5时，考虑投加一定量FeCL3来优化控制残余铝，效果明显。由于我司采用次氯酸钠作为消毒剂，而次氯酸钠呈强碱性，投加后将会使出厂水PH值升高，故建议原水PH值上升至8.3时，即可投加FeCL3，以此达到控制出厂水铝含量及PH值的目的。
        参考文献：
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