水厂高pH原水应对措施的研究

2021-04-01刘晓玲

供水技术 2021年1期

赵云，张珲，丁强，刘晓玲

(徐州首创水务有限责任公司，江苏徐州221000)

某湖泊水自2020年4月起，pH持续升高至9.8。采用该湖泊水作为水源的某水厂，所投加的聚合氯化铝的絮凝效果降低，导致出厂水存在残余铝超标的风险。经调查发现，水源地及取水口水草大量生长，水中溶解氧升高，硬度呈下降趋势，较平时降低60 mg/L，总碱度由230 mg/L迅速下降至70 mg/L。初步判断，pH升高是由于水草过量繁殖引起的。对此，公司一方面协调水源地进行水草捕捞，另一方面在水厂采取一系列技术措施，将出厂水铝和pH控制在标准限范围内，避免铝含量过高危害人体健康[1-2]。

1 材料与方法

1.1 试验装置

8R4-6 混凝搅拌机、T6 普析通用分光光度计、PHS-3C pH计、Hach 21100N浊度仪、BSA22AS-CW电子天平、0.45 μm滤膜。

1.2 试剂与配制

1.2.1 试剂

聚合氯化铝(PAC)，Al2O3含量10%；硫酸铝；聚丙烯酰胺(PAM)，食用级别；盐酸、氟化钾、高锰酸钾，均为分析纯。

1.2.2 溶液的配制

PAC溶液/硫酸铝：称取1 g PAC/硫酸铝原液加入100 mL容量瓶中制得，定容至100 mL，其质量浓度为1%。

PAM溶液：称取0.5 g PAM并溶于500 mL水中制得，其质量浓度为0.1%。

高锰酸钾溶液：称取0.05 g高锰酸钾溶于500 mL水中制得，其质量浓度为0.01%。

搅拌试验：以200 r/min快速搅拌1 min，然后以60 r/min慢速搅拌20 min；静沉15 min后取上清液测定。

1.3 试验水质

以某湖泊水为试验用水，其水质见表1。

表1 水源水质Tab.1 Quality of source water

1.4 试验方案

分别采用投加常用聚合氯化铝、优化聚合氯化铝盐积度、强化混凝、调节pH以及选用其他类型净水剂等方法，进行搅拌试验后取样直接测定浊度和pH，经0.45 μm滤膜过滤后测定铝含量。最终确定pH过高时的最佳处理方案，从而将出厂水中的残留铝控制在0.2 mg/L以内。

2 试验结果与讨论

2.1 对高pH水的处理效果

PAC的絮凝效果较好，适用于低温低浊水且pH适用范围广。但当水源水pH值超过9.0时，投加PAC的絮凝效果较差。PAC不同投加量下，pH和水中残余铝的变化见图1。

图1 PAC对高pH水的处理效果Fig.1 Treatment effect of PAC on high pH water

随着PAC投加量的增大，水体pH呈现持续下降趋势，当PAC投加量为60 mg/L时，pH为8.43，浊度为0.41 NTU，但残余铝为0.401 mg/L；当PAC投加量为90 mg/L时，pH为8.18，浊度为0.39 NTU，铝含量为0.186 mg/L，均达到国标要求，但此时净水剂投加量过大，生产成本过高。

2.2 不同盐积度PAC对高pH水的处理效果

盐基度是聚合氯化铝的重要质量指标，随着盐基度的增加，聚合氯化铝的混凝除浊性能明显增强[3]。采用不同盐基度的PAC开展试验，以提高絮凝效果，使出水水质达标，当PAC投加量分别为20和30 mg/L时，出水铝和pH的变化如图2所示。

图2 不同盐基度PAC对高pH水的处理效果Fig.2 Treatment of PAC with different basicity on high pH water

试验发现，随着盐基度的增高，处理后的水pH逐渐升高且均高于8.5，絮凝效果变差，出水浊度升高。当盐基度为95%时，残余铝为0.185 mg/L，但pH超过标准限值。因此，当原水pH过高时，提高PAC的盐基度对提升絮凝效果，降低残余铝含量的效果不理想。

2.3 调节原水pH

铝在水中的形态以两性氢氧化物为主，pH对其溶解度有重要的影响[4]。利用盐酸将原水pH调节至8.5左右，然后用PAC处理，水中残余铝的含量如图3所示。

图3 调节pH对高pH水的处理效果Fig.3 Treatment effect of adjusting pH on high pH water

调节原水pH后，PAC投加量由20 mg/L上升至60 mg/L时，絮凝效果均较好，出水浊度由0.99 NTU降低至0.36 NTU；残余铝含量由0.187 mg/L降低至0.085 mg/L，pH由7.91降低至7.7，均达到国家标准要求。调节原水pH的效果较好，保证了出厂水各项水质指标合格。

但需要注意的是，在调节pH过程中，需精细控制酸的投加量，防止过量投加。此外，盐酸、硫酸等均为危险化学品，其采购、运输、储存和使用过程均应符合危险化学品管理要求。

2.4 硫酸铝对高pH水的处理效果

2.4.1 单独硫酸铝

单独投加硫酸铝，当投加量为由40 mg/L增加至65 mg/L时，矾花从细小、不易沉淀转变为大块聚团沉淀，出水浊度从1.60 NTU左右降至0.63 NTU，同时出水残余铝由0.411 mg/L降至0.131 mg/L。当硫酸铝投加量为55 mg/L时，出水铝为0.193 mg/L，出水pH由7.83降至7.50。因此，当硫酸铝投加量在55 mg/ L及以上时，絮凝效果较好，出水铝和pH符合国家标准要求。

图4 硫酸铝对高pH水的处理效果Fig.4 Treatment effect of aluminum sulfate on high pH water

2.4.2 强化絮凝

试验中对比分析了硫酸铝+PAC混合投加、高锰酸钾+硫酸铝强化混凝、硫酸铝+PAM强化混凝3种混合投加方式，对高pH水的处理效果。

① 硫酸铝+PAC

聚合铝与硫酸根的相互作用是通过离子缔合作用进行，低浓度硫酸根离子存在时，主要以外层缔合物为主，随着溶液离子强度和硫酸根离子浓度的增加，内层络合离子逐渐增多，则生成碱式羟基硫酸铝[5]。此外，投加硫酸铝可降低原水pH，提高PAC的絮凝效果。

向4个絮凝搅拌杯+中均加入45 mg/L硫酸铝，搅拌反应10 s后分别加入0，10，20和30 mg/L PAC。从图5可以看出：絮凝效果均较好，出水铝由0.325 mg/L降至0.094 mg/L。当PAC投加量为10 mg/L时，出水残余铝为0.134 mg/L，远低于国标限值；pH也符合国标要求。硫酸铝与PAC联合投加，可有效降低净水剂总用量，保证出厂水水质。

图5 硫酸铝+PAC对高pH水的处理效果Fig.5 Treatment effect of aluminum sulfate + PAC on high pH water

② 高锰酸钾+硫酸铝

向6个絮凝搅拌杯中均加入0.2 mg/L高锰酸钾，搅拌反应10 s后分别加入35，40，45，50，55和60 mg/L硫酸铝。试验结果表明：絮凝效果均较好，出水浊度在1.0 NTU左右，当硫酸铝投加量分别为35，40和45 mg/L时，出水铝均高于0.2 mg/L；当硫酸铝投加量为50 mg/L时，出水残余铝为0.16 mg/L；出水pH均符合国标标准，如图6所示。

图6 高锰酸钾+硫酸铝对高pH水的处理效果Fig.6 Treatment effect of potassium permanganate + aluminum sulfate on high pH water

③ 硫酸铝+PAM

搅拌开始后，分别在6个絮凝搅拌杯中加入35，40，45，50，55和60 mg/L硫酸铝，反应10 s后均加入0.2 mg/L PAM。从图7可以看出，该混凝剂投加方式下的絮凝效果较其他组合好，出水浊度均在0.5 NTU以下。当硫酸铝投加量为35，40和45 mg/L时，出水铝均高于0.2 mg/L，当硫酸铝投加量为50 mg/L时，出水残余铝为0.163 mg/L；出水pH均符合国标要求。