南水北调滤后水残余铝的影响因素试验研究

朱灵峰 陈洁 侯煜堃 谷一鸣 孙倩

摘要：为控制残余铝浓度，以南水北调水为原水，研究混凝剂种类及投加量、助凝剂投加比例、pH值调节方式及pH值、沉淀时间等因素对滤后水中残余铝的影响。从除浊效果、UV254去除效果及滤后水残余铝浓度3个方面进行了试验研究，结果表明：混凝剂为聚合氛化铝（PAC）、最佳投加量为25mg/L，助凝剂為活化硅酸、混凝剂与助凝剂投加比例为5：1、原水pH值为7.5、沉淀时间为30min时，浊度和UV254均有较好的去除效果，同时可控制残余铝浓度远低于国标规定的浓度限值（0.2mg/L）。

关键词：残余铝；混凝剂；助凝剂；pH值；南水北调

中图分类号：TU991.22 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.014

近年来，铝盐作为水处理混凝剂得到了广泛应用，在采用铝盐混凝剂的水厂中，出水铝含量明显升高，一般为0.01～2.37mg/L[1]。美国供水协会的研究表明，原水中和投加混凝剂引入的铝在经过水处理常规工艺后，出水中仍有11%残留[2]。大量试验研究表明，铝离子进入人体并蓄积到一定量后，可导致多种疾病（如阿氏痴呆症、骨质疏松症、贫血、神经性厌食症等）[3]，临床医学和环境医学也证实铝化合物具有一定的毒性[4]。有研究表明，铝盐混凝剂处理过的水中，铝浓度会增大，其中相当多的铝是较易被人体吸收和结合的，故饮用水中的铝较其他来源的铝对人体的危害更大[5]。为保障用水安全，许多国家和卫生组织对饮用水中残余铝含量有着严格的控制标准。我国建设部颁布的《城市供水行业2000年技术进步发展规划》首次将残余铝列为饮用水水质控制指标之一[6]，卫生部2001年颁布的《生活饮用水卫生规范》要求饮用水中残余铝浓度不超过0.2mg/L[7]，故控制滤后水残余铝浓度是十分必要的。肖定华[8]的研究表明：聚合氯化铝（PAC）投加量对水中残余铝的影响最大，其次是pH值、滤速、活化硅酸投加量；铁盐除铝效果比铝盐好，原因是其没有向水中引入更多的铝；加入助凝剂活化硅酸后，在同样的混凝效果下，混凝剂的投加量减半；原水pH值对残余铝浓度的影响较大，当pH值为7.5左右时，残余铝含量最低。赵立新等川的研究表明，不同混凝剂对滤后水残余铝的影响不同，新型的高分子混凝剂的处理效果优于传统低分子混凝剂。王志红等[9]的研究表明：调整PH值可以调整溶解铝和颗粒铝的比例，从而降低净化水中残留铝的浓度。张振杰等[10]的研究表明：温度升高，水中Al（OH）4-、Al13（OH）345+含量增加，最终导致滤后水残余铝增加。

通过对水厂运行状况进行调查，发现在常规工艺处理条件下，南水北调滤后水出现铝浓度超标现象，鉴于饮用水铝超标会对人体产生一系列危害，笔者通过试验对铝超标风险控制技术作了研究，考察了混凝剂种类及最佳投加量、助凝剂投加比例、pH值、沉淀时间等因素对南水北调滤后水中残余铝浓度的影响，旨在取得最佳的残余铝控制条件。

1 试验材料与方法

1.1 原水水质分析

采用南水北调水作为原水，试验期间南水北调原水平均浊度为4NTU，pH值为8.0～8.5，UV254含量为0.010～0.034AU/cm，氨氮浓度为0.01～0.03mg/L（见表1）。按《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）评价，氨氮浓度和PH值能够稳定达到Ⅰ类水标准，高锰酸盐指数能够稳定达到Ⅱ类水标准。

1.2 仪器及分析方法

依据《生活饮用水标准检验方法》（GB/T 5750.6-2006）和《水和废水监测分析方法》（第四版）[11]测定水质。UV254作为重要水质指标，常被用来衡量水处理效果的优劣，多数水质试验用其作为检验标准，故本试验将浊度，UV254浓度、残余铝浓度作为研究指标，采用HACH2100Q便携式浊度仪测定浊度、TU-1810紫外可见分光度计测定UV254和铝浓度。

1.3 试验方案及流程

根据水厂工艺实际情况，小试试验以聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铝铁（PAFC）为混凝剂，研究有效控制南水北调滤后水残余铝浓度的最佳混凝剂种类及投加量；以活化硅酸为助凝剂，根据水厂运行经验，活化硅酸按混凝剂与助凝剂之比为3：1、4：1、5：1投加，研究最佳助凝剂投加比例；以先加混凝剂和助凝剂再调PH值及先调PH值再加混凝剂和助凝剂两种方法，研究pH调节方法及pH值对滤后水残余铝浓度的影响。

利用医用针管将混凝剂和助凝剂注入盛有原水水样的1L圆形烧杯内，立即开启JJ-4D六联搅拌机进行搅拌（搅拌机转速与时间设置见表2），使混凝剂和助凝剂与原水快速混合、絮凝。混凝后沉淀30min，取烧杯上层液50mL测定各项水质指标。

在小试试验的基础上，进行中试试验，验证pH值对滤后水残余铝浓度的影响；改变混凝沉淀时间，研究沉淀时间对滤后水残余铝浓度的影响，验证小试试验沉淀时间30min的合理性。

混凝剂和助凝剂经加药泵输送至混合池，经充分搅拌混合后快速进入石英砂滤池内，取滤后水测定浊度，UV254、残余铝浓度，由此来研究各种因素对滤后水残余铝浓度的影响。王志红等[10]研究表明：随着残余铝浓度的降低，浊度也降低。

2 小试试验结果与分析

2.1 混凝剂种类及投加量对残余铝的影响

图1～图3为南水北调水在不同混凝剂投加下的浊度去除率，UV254去除率以及滤后水残余铝浓度。由图1和图2可知，随着混凝剂投加量的增加，浊度去除率和UV254去除率逐渐增大，原因是混凝剂投加量增大，絮体变大、沉降加快；PFS对浊度和UV254的去除效果明显劣于PAC和PAFC ；投加量达到25mg/L后，PAC和PAFC的除浊效果和对UVZ54的去除效果提升空间不大，成本增加；投加量为25mg/L时，PAC的除浊效果好于PAFC，除浊率达到80.93%，对UV254的去除效果二者相当，分别为45.10%和44.93%。综合考虑混凝剂成本、除浊率和UV254去除率，选择PAC作为混凝剂，投加量为25mg/L。

由图3可知，混凝剂投加量为25mg/L时，PAC和PAFC作为混凝剂的滤后水残余铝浓度分别为0.19、0.20mg/L，基本相当，且不高于限值0.20mg/L；投加量从25mg/L增至40mg/L，两种混凝剂投加下的残余铝浓度明显增大，高于限值0.20mg/L，原因是随着投加量的增加，混凝剂有效利用率降低，水的铝浓度增大[3]，而PFC作为混凝剂的残余铝浓度明显低于其他两种混凝剂的，原因是PFS本身不属铝化合物。综上所述，PFS作为混凝剂的滤后水残余铝浓度不超标，但其对浊度和UV254的去除效果劣于PAC和PAFC混凝剂，水厂运行应兼顾浊度、UV254、残余铝3个指标，选PAC作为混凝剂，最佳投加量为25 mg/L。

2.2 助凝剂投加比例对残余铝的影响

图4～图6为南水北调水在PAC与活化硅酸不同比例（3：1、4：1、5：1）联用下浊度去除率，UV254去除率以及滤后水残余铝浓度。由图4可知，当PAC投加量为25mg/L时，活化硅酸按5：1（5mg/L）投加时除浊效果最好，浊度去除率可达82.87%；随着PAC投加量的增加，不同比例下的活化硅酸投加量也增加，浊度去除效果反而变差，说明当活化硅酸投加量过大时会形成胶体保护，阻碍活化硅酸的助凝作用。由图5可知，随着PAC投加量的增大，活化硅酸按不同比例投加对UV254的去除率逐渐增大；当混凝剂投加量大于25mg/L时，对UV2M的去除效果增加缓慢，而成本增加；当混凝剂投加量为25mg/L时，活化硅酸按5：1（5mg/L）投加时对UV254的去除效果最好，去除率为41.23%。

由图6可知，混凝剂投加量小于25mg/L时，活化硅酸按5：1和3：1的比例投加的滤后水残余铝浓度均低于0.2mg/L，且按5：1投加的残余铝浓度最低；当混凝剂投加量大于25mg/L时，活化硅酸按不同比例投加下的残余铝浓度均高于0.2mg/L，故活化硅酸应按5：1投加。

综合考虑浊度去除率，UV254去除率以及滤后水残余铝浓度这3项指标，选择活化硅酸按5：1投加，即PAC投加量为25mg/L，活化硅酸投加量为5mg/L。

2.3 pH值调节方法对残余铝的影响

南水北调原水pH值为7.9～8.5，经常规工艺处理后，pH值为7.8～8.3。为研究pH值对出水铝浓度的影响，同时观察偏酸或偏碱性的水质环境对出水铝浓度的影响，进而提出有效控制残余铝浓度的pH值，小试试验pH值定为5.5～9.5，其涵盖了南水北调原水和滤后出水的pH值。在投加量不变（PAC 25mg/L、活化硅酸5mg/L）的情况下，采用先调节pH值再加混凝剂和助凝剂（方法1）和先加混凝剂和助凝剂再调pH值（方法2）两种方法，观察滤后水浊度、UVz1和残余铝浓度与pH值的关系，确定pH值的调节方法和控制残余铝浓度低于0.2mg/L的pH值。

图7～图9为南水北调水在两种方法调节pH值下的滤后水浊度，UV254以及残余铝浓度。当采用PAC作为混凝剂、活化硅酸为助凝剂时，加酸适当降低pH值，保持原水酸碱度在合适的pH值范围，对于保证混凝效果、降低净化水中残余铝含量是非常必要的。通过分析图7～图9可知，在PH值处于7.0～7.5范围内时，对浊度的去除而言，方法1和方法2基本相当；对UV254的去除而言，方法1优于方法2；对出水残余铝浓度而言，两种方法差别不大。当pH值高于7.5时，两种方法的残余铝浓度都升高，原因是pH值升高后，形成了较多的溶解态的铝化合物，使残余铝浓度升高。综上所述，建议采用方法1（先调节pH值，再投加混凝剂PAC）。

针对方法1，分析图7和图8可知，滤后水浊度和UV254随着pH值的升高先降低后升高，原因可能是酸性或碱性条件不利于絮体的形成，同时影响混凝剂的水解，进而影响混凝沉淀效果。pH值为7.5时，滤后水浊度和UV254浓度最低，分别为0.483 NTU和0.021AU/cm，此时残余铝浓度为0.083mg/L，低于限值（0.2mg/L）。

综合考虑浊度、UV254及残余铝浓度3个指标，同时为了试验操作方便及更有效地调节pH值，可采用方法1进行中试试验，调节pH值至7.5。

3 中试试验结果与分析

3.1 pH值对残余铝浓度的影响

要将南水北调原水pH值调节到7.5，需加入适量硫酸。中试试验采用隔膜式计量泵投加0.18mol/L的硫酸，加酸速度为2.0L/h，加酸点设在原水泵之前，这样有利于硫酸与原水充分混合，保证后续的混凝沉淀在稳定的 pH值条件下进行。

由表3～表4可知，调节原水pH值和不调节原水pH值两种方法对比，滤池出水浊度差别不大，而调节原水pH值情况下UV254的去除率大于不调节pH值的。不调节原水pH值时，两次观测的滤后水残余铝浓度分别为0.210、0.208mg/L（见表4），已超过国家生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）的限值（0.2mg/L）。先调节原水的pH值到7.5，再加入混凝剂和助凝剂时，南水北调滤后水残余铝浓度和原水接近，即铝含量基本不增加，低于0.2mg/L。调节pH值至7.5时，可以有效降低滤后水残余铝浓度，与小试试验结论一致。

3.2 混凝沉淀时间对残余铝的影响

小试试验选取的沉淀时间均为30min，中试在混凝剂和助凝剂投加量不变（PAC 25mg/L、活化硅酸5mg/L）、pH值为7.5的条件下，针对沉淀时间对浊度、UV254及滤后水残余铝浓度的影响进行研究，验证小试试验选取沉淀时间30min的合理性。圖10～图11为南水北调水不同沉淀时间对滤后水浊度、UV254以及残余铝浓度的影响。

由图10和图11可知，随着沉淀时间的增加，残余铝浓度、浊度及UV254含量都逐渐下降；沉淀时间较短时，水中絮体较多、浊度较大。沉淀时间超过30min后，这3项水质指标减幅变小，反而延长了水处理时间，在实际生产中过长的沉淀时间也不现实，故试验选取沉淀时间30min是可行的，此时余浊为0.604 NTU，残余铝浓度为0.030mg/L，残留的UV254为0.021 AU/cm，均低于国家限值。综合考虑水厂实际运行情况，将沉淀时间定为30min是合理的。

4 结语

选择合适的混凝剂、助凝剂及其投加量、调节pH值及控制沉淀时间能够有效降低滤后水残余铝浓度。试验结果表明：铁盐作为混凝剂的滤后水残余铝浓度不超标，但对浊度和UV254的去除效果劣于铝盐混凝剂；活化硅酸作为助凝剂能提高絮凝效果，浊度和UV264的去除效果优于不加助凝剂；达到较好除铝效果并节省成本的活化硅酸与混凝剂的最佳投加比例为5：1；pH值影响浊度UV254的去除效果及残余铝浓度，将原水pH值调节至7.5后，南水北调滤后水不会出现铝超标现象，先加酸调节pH值至7.5，对残余铝的去除效果更好；沉淀时间同样影响残余铝浓度，随着沉淀时间的延长，残余铝浓度逐渐降低，但在实际生产中沉淀时间过长不现实，故水厂运行的沉淀时间一般可选为30min。南水北调水的处理过程中，选择混凝劑PAC的投加量为25mg/L，助凝剂活化硅酸的投加量为5mg/L，沉淀时间为30min，并调节原水的pH值至7.5，可以达到较好的浊度、UV254去除效果，此时滤后水浊度为0.345NTU，UV254浓度为0.016AU/cm，并可保证残余铝浓度为0.025mg/L，低于国标规定的浓度限值（0.2mg/L）。

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