王志紅¹，崔福義²
（1．廣東工業大學建設學院，廣東 廣州 510643；2．哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090）

　　摘　要：通過飲用水除鋁的生產實驗，研究了水溫、pH值對殘余鋁的影響。提出了殘余鋁隨水溫升高呈增加趨勢、最佳混凝pH值隨水溫的升高而降低的觀點。當水溫14℃時，在使用減式氯化鋁時，混凝反應的最佳pH值為7.5。通過調整水的pH值，可以改變溶解鋁和顆粒鋁的比例，從而改善殘余鋁的去除中。
　　關鍵詞：飲用水；鋁離子；給水處理
　　中圖分類號：TU991.22；TU991.23
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　建設部頒布的《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》中首次將鋁列為飲用水水質控制指標之一^[1]。在我國新的生活飲用水衛生標準（2001年)中，也已明確將鋁作為其中一項水質指標，規定一、二類水的飲用水中鋁的質量濃度不得高于0．2mg／L。
　　對全國部分城市的飲用水水質調查結果表明：一以用的質量濃度不超過0．2mg/L為標準，所調查的全國40座城市中有32．5％的城市飲用水鋁濃度超標，東北地區超標的城市則高達76．9％^[2]。同時，我國的鋁濃度控制指標還遠低于發達國家的水平，如美國和歐共體等通行的指標是飲用水中鋁的質量濃度不超過0．05mg／L^[3]。因此，研究飲用水中鋁的去除是亟待解決的有普遍意義的課題。
　　在實驗室小試的基礎上，在黑龍江賓縣自來水廠進行了生產性實驗，就確定水廠最優的水力和化學條件、選擇合適的工藝參數等內容進行了研究，重點探討了水溫、pH值對殘余鋁的影響。

1 實驗設計

　　為考察水溫變化的影響，實驗安排在兩個時期：6－7月份和10－11月份，6－7月份的水溫在 8－18℃之間，10－11月份的水溫在 0－2℃左右。以沉淀池水溫值表示。
　　根據原水的水質情況，通過SC－3000A型單因子混凝投藥控制系統自動調節投藥量，保證沉定池的出水濁度滿足實驗要求。
　　取總沉水和濾后水為研究水樣，隔1．5－2h取一次樣，測其濁度、鋁含量、pH值等水質參數；原水的濁度、鋁離子、pH值、水溫等，每天測一次。
　　用分光光度法測濁度。鋁試劑分光度法測鋁。

2 實驗結果和討論

2.1 pH值的影響
　　由于水中顆粒鋁主要以兩性氫氧化物的形式存在，因此，pH值對顆粒鋁的水解和溶解有著重要的影響。顆粒鋁溶解后轉化成溶解鋁，在混凝澄清工藝中較難去除，但顆粒鋁可以通過除濁取得較好的去除效果。當沉淀水殘余鋁的質量濃度在0.15mg／L以下時，通過過濾工藝可使出水殘余鋁的質量濃度控制在0.05mg／L以下[4]。作者認為pH值對余鋁的重要影響主要表現在：①影響鋁鹽混凝劑的水解程度，從而影響除濁的效果；②混凝劑水解形態的不同，顆粒鋁與溶解鋁的比例也不相同，從而影響水中鋁的去除難易程度；③影響溶解鋁的含量（在出水濁度較低時，也就一定程度上反映了出水余鋁的含量）。
　　由于水廠整個流程基本不進行pH調節，這部分實驗采用如下方法進行：選擇原水水樣進行燒杯實驗，先固定一些參數，如原水濁度18NTU（±0.5NTU），水溫14℃，堿式氯化鋁投藥量保持不變，考慮到水廠的pH值全年變化范圍為7．0－8．5，相應調節水樣的pH值，測沉淀后水樣的濁度、余鋁和pH值。取濁度值7．0±0.1NTU的沉淀水水樣分析余鋁和PH值的關系，可認為余鋁的變化是由pH值的變化造成，結果如圖1所示。

　　圖1表明：在水溫14℃時除濁的最佳PH值為7．5左右，所對應的余鋁的質量濃度為0.12－0．13mg／L。以0.15mg／L作為界限值，則表現為：在PH值7.06－7.88范圍內，殘余鋁的質量濃度基本保持在0.15mg／L以下；pH值超出此范圍殘余鋁的質量濃度高于0.15mg／L的界限值，增加了后續過濾工藝的負荷。
　　產生以上現象的原因是：在總沉水的pH值環境（7.0－8.5）下，鋁在水中形態主要有4種^[5]：Al（OH）₃（s），Al₁₃（OH）34⁵⁺，Al（OH）₄^-，Al3+。平衡方程式如下：

　　　　　　　

　　考慮到PH值呈略堿條件下，［Al3+]的量很低，可以忽略不計，溶解鋁的含量主要取決于［Al（OH）₄^-］和［Al₁₃（OH）₃₄⁵⁺］。筆者試圖從溶度積的角度計算出該最佳pH值，查閱資料后發現不同資料提供的溶度積常數不同，這反映出溶解鋁的存在形態很復雜，至今并沒有一個很準確的描述，比較難以進行定量推導，只能作一定的預測。方程式（2）說明［Al（OH）4-］與[H+］呈反比關
系，則pH值升高，[Al（OH）4-］也增加。方程式（3）顯示［Al13（OH）345+］正比于[H+]的五次方；即［Al13（OH）345+］隨pH值的升高而降低，因此作如下推導：

　　　　　　　　

　　又有d²S／dC²=2A／C³+20BC³＞0，所以S存在一個最小值，對應的pH值為除鋁的最佳pH值。
　　以上分析說明，水廠若在混凝沉淀過程中將PH值調節為相應水溫下的最佳PH值，能夠降低水中溶解鋁量，有助于飲用水的除鋁。
2．2 水溫對余鋁的影響
　　因為鋁鹽混凝劑的水解反應是一個吸熱反應，水溫變化直接影響鋁鹽的水解程度，另一方面顆粒鋁的溶解度和最佳pH值與水溫也有著密切的聯系^[6-7]，所以有必要進一步探討水溫對余鋁的影響，尋找不同水溫下降低溶解鋁含量的方法。在自動投加鋁鹽混凝劑，沉淀水的濁度保持在7.0±0．1NTU的條件下，總沉水中余鋁與水溫的關系如圖2所示。

　　由于實驗是分階段進行的，數據點分為三段：0－2，8.5－10.5和14－16℃。但數據點依然反映了一定的規律，隨水溫升高，殘余鋁表現為增長趨勢，水溫16℃時的余鋁的質量濃度為0.18mg／L，是0．5℃時的2倍。這是由于溫度升高，顆粒鋁的溶解度增加，而導致余鋁增加。當水溫高于15℃，殘余鋁的質量濃度相應高于0.15mg／L，由前述鋁鹽的離子平衡知，溫度升高，平衡向右移動，Al（OH）4-和Al13（OH）345+的含量增加，導致沉淀水的殘余鋁增加。這意味著夏季的高溫季節，要采取—定的措施控制出水殘余鋁的含量。
2．3 水溫與最佳州值的相關性
　　圖3反映的是水溫與最佳pH值的關系。圖中可以看出：當水溫升高，最佳pH值降低。如當水溫1℃時，最佳pH值為7.95；當水溫為16℃時，對應的最佳pH值降為7.40。按2.1節中的平衡方程式分析，當溫度升高，平衡有向右移動增大溶解度的趨勢，此時著力圖降低溶解鋁讓平衡左移，則需增加H+，降低pH值。因此溫度升高，相對應的最佳pH值降低。在水廠生產過程中，可根據水溫變化進行相應pH值的調整，可以有效降低出水殘余鋁含量。

　　實驗中一個值得注意的問題是當水溫較低時（5℃以下時），雖然溶解鋁含量有所降低，但由于混凝沉淀的效果較差，總沉水的濁度較高，顆粒鋁含量大大增加，總的余鋁值則表現為略有增加，如圖4所示。

3 結論和建議

　　①在相同濁度時，存在最佳PH值使溶解鋁含量最小，此時鋁的去除率增加。本實驗中水溫14℃時，pH值為7．5。
　　②不同水溫對應有不同除鋁最佳pH值。在水廠弱堿性的水環境中，水溫升高，最佳pH值降低。水廠運行中的pH值應根據水溫進行調節。
　　③水溫升高，顆粒鋁的溶解度增加，在相同濁度條件下，余鋁增加，給除鋁帶來更大的困難。水廠在水溫升高時可以適當調節沉淀水濁度值、改變投藥量等，以保證除鋁的效果。

參考文獻：

　　[1] 汪光燾．城市供水行業2000年技術進步發展規劃[M]．北京：中國建筑工業出版社，1999
　　[2］崔福義，胡明成，張燕，等．我國部分城市飲用水中鋁濃度的調查研究[J]．中國給水排水，2002，18 （1）：5－8．
　　[3]崔福義，李名銳，王志紅，等．飲用水中鋁的危害、來源及現狀[J]．哈爾濱建筑大學學報，1997，30（6）：51－54．
　　[4] 王志紅，崔福義，張霄宇．飲用水過濾中的除鋁實驗研究[J]．工業用水與廢水，2001，32（5）：7－9．
　　[5] 朱志平．鋁鹽混凝劑最佳pH值預測［J］．水處理技術，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．

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　　作者簡介：王志紅（1975－），女，江西贛州人，講師，哈爾濱工業大學博士生，研究水處理，廣東工業大學教師新村34棟5梯
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