水厂出水中余铝含量的控制

祖文华

（合肥供水集团有限公司，安徽 合肥 230022）

铝在地壳中的含量占第四位，正常摄入量的铝对人体无害，但过量摄入铝易造成记忆力衰退，影响骨的吸收和贫血等[1]。卫生部和国家标准化管理委员会制定颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）规定，铝的含量最高不得超过0.20 mg/L，而美国和欧盟的限值更低，为0.05 mg/L[2]。饮用水是铝进入人体的主要来源。目前，大多数净水厂都以铝盐作为净水剂，这就导致普遍存在出厂水中铝元素含量过高的问题。水中铝一般以颗粒铝和溶解态铝两种状态存在，其中，颗粒铝通常以胶体形式存在，其浊度可在一定程度上反映颗粒铝的含量；而溶解态铝则与水中的天然有机物、氢氧根离子、硫酸根离子等形成络合物，在水流缓慢的区域容易与水中的有机物、微生物和铁锰等发生沉淀，当流速发生变化时，沉淀被搅动翻出底层，随水流入户。当前，饮用水中铝元素的去除是一项亟需解决的有意义的课题。

1 实验部分

1.1 主要仪器

ZR4-6型混凝试验搅拌器，深圳市中润水工业技术发展有限公司；TSZ 型台式浊度仪，杭州飞华环保器材厂；PHSJ-3F型pH计，上海精科实业有限公司；V-5800可见分光光度计，上海元析仪器有限公司。

1.2 实验原理

水中铝一般以颗粒铝和溶解态铝两种状态存在，pH 为7.0~8.5 时，水中铝的形态主要有四种[3]，分别为Al3+，Al（OH）3（s），Al（OH）4-和Al13（OH）345+。水解方程式如下：

其中，颗粒铝主要是 Al（OH）3（s）胶体以及 Al3+和各种有机物形成的络合物，可通过过滤、降低水的浊度去除。在弱碱条件下，Al3+含量可以忽略不计。Al（OH）4-和 Al13（OH）345+是水中主要的溶解态铝。当水呈碱性时，平衡向右进行，水中溶解态铝含量增大。

1.3 实验方法

实验原水取自合肥大房郢水库，浊度为3.90 NTU，pH 为8.15，水温13℃，铝含量0.221 mg/L。

用混凝搅拌器进行烧杯混凝实验，以聚合氯化铝铁（PAFC）为混凝剂。余铝的测定采用铬天青分光光度法，用紫外可见分光光度计测定。

2 结果与讨论

2.1 聚合氯化铝铁（PAFC）投加量对沉淀水余铝含量的影响

取6 份1 L 原水，分别加入18 mg、20 mg、22 mg、24 mg、26 mg、28 mg聚合氯化铝铁（PAFC）和10 mg次氯酸钠，以250 r/min 高速搅拌2.5 min，中速搅拌210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min 各 10 s，最后加入 30 mL 底泥与0.10 mg 聚丙烯酰胺，慢速絮凝阶段以80 r/min 转速搅拌10 min，静置20 min，取上清液，测浊度与pH，用0.45 μm 滤膜过滤后测水中余铝的含量。

图1 聚合氯化铝铁（PAFC）投加量与pH和余铝的关系

聚合氯化铝铁（PAFC）是由铝盐和铁盐混凝水解而成的一种高分子混凝剂，当pH 为6.8～8.2时，水解产物主要是氢氧化铝和氢氧化铁胶体，通过吸附电中和机理和吸附架桥作用吸附水中的悬浮物形成沉淀。如图1所示，随着聚合氯化铝铁（PAFC）投加量的增加，pH和余铝含量都在逐渐减小。当聚合氯化铝铁（PAFC）投加量从18 mg/L增大至26 mg/L时，水中余铝含量从0.172 mg/L降低至0.158 mg/L，此时水中余铝含量下降主要是因为沉降作用。原水中的铝一般以络合物形式悬浮于水中或者吸附于水中的颗粒物表面，通过聚合氯化铝铁（PAFC）作用，形成矾花沉降下来，从而降低水中铝元素含量；当投加量增至28 mg/L时，水中余铝含量略有上升；当聚合氯化铝铁（PAFC）投加量过大时，会形成胶体保护作用，这时，水中的铝元素含量不仅不会降低，反而会增大。

2.2 三氯化铁和次氯酸钠投加量对沉淀水余铝含量的影响

取6份1 L原水，以200 r/min转速搅拌1 min，分别投加三氯化铁0 mg、0 mg、0 mg、2.5 mg、5 mg、10 mg，以100 r/min 转速持续搅拌10 min，然后加入聚合氯化铝铁（PAFC）26 mg，次氯酸钠投加量分别为5 mg、10 mg、15 mg、10 mg、10 mg、10 mg，以 250 r/min 高速搅拌2.5 min，以210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min中速搅拌各10 s，最后加入30 mL 底泥与0.10 mg 聚丙烯酰胺。慢速絮凝阶段以80 r/min 转速搅拌10 min，静置20 min，取上清液，测其浊度与pH值，用0.45 μm滤膜过滤后测水中余铝含量。

表1 三氯化铁和次氯酸钠投加量对沉淀水余铝含量的影响

实验结果如表1，从1、2、3组可以看出，次氯酸钠对水中铝含量几乎没有影响，浊度和pH也没有大的变化；而4、5、6 组可以明显看出，随着三氯化铁投加量的增大，沉淀水的pH 和余铝含量逐渐降低。三氯化铁除了具有降低pH作用外，还有强化混凝的作用，其投加量越大，混凝强化效果越好，水中铝混凝沉淀也越多。未投加三氯化铁时，沉淀水pH 在8.0 左右，水中余铝含量大于0.200 mg/L。投加三氯化铁明显降低了沉淀水中的余铝含量。当投加量仅为2.5 mg/L 时，pH 降低至7.84，余铝含量直接减少至0.122 mg/L，但是仍然大于0.100 mg/L；当三氯化铁投加量达到5 mg/L 时，pH 降低至7.64，水中余铝含量更是仅有0.070 mg/L，这是因为三氯化铁水解生成H+，抑制了铝盐的水解，水中的溶解态铝含量大幅减少。三氯化铁的水解方程式如下：

2.3 高锰酸钾投加量和快速混凝时间对沉淀水余铝含量的影响

取6份1 L原水，投加0.30 mg高锰酸钾，以200 r/min转速搅拌1 min，分别投加三氯化铁2.5 mg、5 mg、2.5 mg、5 mg、2.5 mg、2.5 mg，以100 r/min转速持续搅拌10 min，然后加入聚合氯化铝铁（PAFC）26 mg，高锰酸钾投加量分别为0.30 mg、0.30 mg、0.30 mg、0.30 mg、0.40 mg、0.60 mg，1、2 两组以 250 r/min 高速搅拌 1.5 min，3~6 组以250 r/min 高速搅拌2.5 min，以210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min 中速搅拌各 10 s，最后加入 30 mL底泥与0.10 mg 聚丙烯酰胺。慢速絮凝阶段以80 r/min转速搅拌10 min，静置20 min，取上清液，测浊度与pH，用0.45 μm滤膜过滤后测水中余铝含量。

表2 高锰酸钾投加量和快速混凝时间对沉淀水余铝含量的影响

实验结果如表 2，由1、3 和 2、4 两个对照组可以看出，快速混凝时间对降低水中余铝含量没有明显作用；从3、5、6组可以看出，高锰酸钾对降低水中余铝含量没有明显作用。

2.4 快速混凝强度对沉淀水余铝含量的影响

取 6 份 1 L 原水，以 200 r/min 转速搅拌 1 min，分别投加三氯化铁0 mg、2.5 mg、5 mg、0 mg、2.5 mg、5 mg，以100 r/min 转速持续搅拌10 min，然后加入聚合氯化铝铁（PAFC）26 mg，1、2、3 组在快速混凝阶段以250 r/min 搅拌2.5 min，4、5、6 组在快速混凝阶段以350 r/min搅拌2.5 min，以210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min中速搅拌各10 s，最后加入30 mL 底泥与0.10 mg 聚丙烯酰胺，慢速絮凝阶段以80 r/min 转速搅拌10 min，静置20 min，取上清液，测浊度与pH，用0.45 μm滤膜过滤后测水中余铝含量。

表3 快速混凝强度对沉淀水余铝含量的影响

实验结果如表3,在相同条件下对比可以发现，随着混凝搅拌强度的增加，沉淀水中余铝含量反而增大了。当搅拌强度过大，水的剪切力会相应变大，在聚合氯化铝铁（PAFC）和水中杂质形成矾花并逐渐变大时，所受到水的剪切力会越来越大，大矾花被打碎成小矾花，已经沉降的铝重新溶解于水中，增加了水中的余铝含量。结合表1和表2可以看出，对水中余铝含量影响最大的因素为三氯化铁。当三氯化铁投加量为2.5 mg/L时，水中余铝含量在0.100 mg/L 左右，虽然满足国标要求，但在部分水务公司已经超出内部标准。因此，考虑到成本和余铝含量问题，三氯化铁投加量以5 mg/L 为宜，同时快速混凝阶段混凝强度不要超过250 r/min。

2.5 固/液态聚合氯化铝铁（PAFC）对沉淀水余铝含量的影响

取 6 份 1 L 原水，以 200 r/min 转速搅拌 1 min，投加三氯化铁2.5 mg，以100 r/min 转速持续搅拌10 min，然后分别加入聚合氯化铝铁（PAFC）18 mg、22 mg、26 mg、18 mg、22 mg、26 mg，以250 r/min 高速搅拌2.5 min，以210 r/min、170 r/min、140 r/min、110 r/min 中速搅拌各10 s，最后加入30 mL 底泥与0.10 mg 聚丙烯酰胺，慢速絮凝阶段以80 r/min 转速搅拌10 min，静置20 min，取上清液，测浊度与pH，用0.45 μm 滤膜过滤后测水中余铝含量。

表4 固/液态聚合氯化铝铁（PAFC）对沉淀水余铝含量的影响

实验结果如表4，1～3组混凝剂为液态聚合氯化铝铁（PAFC），4～6 组混凝剂为固态聚合氯化铝铁（PAFC）。由表4 可以看出，无论投加固态聚合氯化铝铁（PAFC）还是液态聚合氯化铝铁（PAFC），对沉淀水浊度和pH 的影响都差不多，但投加液态聚合氯化铝铁（PAFC）的沉淀水中余铝含量最低为0.103 mg/L，投加固态聚合氯化铝铁（PAFC）沉淀水中余铝含量最低为0.020 mg/L。这是由于液态聚合氯化铝铁（PAFC）由于放置时间过长，导致铝铁发生水解，水中溶解态铝含量增大，难以去除，而固态聚合氯化铝铁（PAFC）溶解后水解的铝铁少，颗粒铝易随着混凝絮凝经沉降过滤去除。

3 结论

由于夏季原水水质较差，pH值较高，随着聚合氯化铝铁（PAFC）投加量的增加，出厂水中余铝含量也随之上升，易出现出厂水铝超标问题。现通过搅拌实验对影响沉淀水余铝含量因素进行研究，发现控制次氯酸钠、高锰酸钾投加量、混凝搅拌时间均不能有效降低出水余铝含量，而混凝搅拌强度对水中余铝含量具有一定影响。投加三氯化铁可以降低水的pH 值，具有显著除铝效果，同时也会进一步降低出水浊度。三氯化铁投加量为5 mg/L比较合适，同时快速混凝阶段混凝强度不要超过250 r/min。将液态聚合氯化铝铁（PAFC）改为固态聚合氯化铝铁（PAFC）也是一种合适的降低水中余铝含量的方法。目前，各供水集团和水务公司均制定了自己的内控水质标准，其中对出厂水余铝的含量有了更严格的要求，还需要更多的实验来验证制水生产中铝的去除。