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自来水中残余铝去除的影响因素

论文类型 技术与工程 发表日期 2003-04-01
来源 《工业用水与废水》2003年第2期
作者 王志红,崔福义
关键词 饮用水 铝离子 给水处理
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。

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.


  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
601号,电话(020)38457309,gdwzhihong@21cn.com.

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