鐵鹽助凝作用在水廠降鋁中的運用

施學峰，孫 沛，狄春華

(1.江蘇中法水務股份有限公司，江蘇常熟 215500；2.中法水務有限公司，澳門 999078)

鋁是自然界中的豐量元素，在食物、飲用水和抗酸制劑中普遍存在。研究表明，鋁與老年性癡呆有關[1]。鋁在飲用水中的濃度主要取決于原水中的濃度以及是否使用鋁絮凝劑[1]。我國《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)中規定,鋁的限值為0.20 mg/L，而國內部分水務企業將出廠水鋁的內控限值定為0.10 mg/L。

研究顯示，原水pH和水溫是影響水中鋁含量的重要因素。當pH值基本穩定在8.0時，由于鋁鹽的水解反應是吸熱反應，水溫越高，鋁含量也越高[1]。因此，每年夏季，部分水廠出水鋁易接近內控限值。目前，國內普遍應用的控鋁措施如原水加酸工藝、聚硫酸鋁制水工藝、高鹽基度聚氯化鋁制水工藝等，可以基本保證出水鋁濃度在內控限值以內。但是，上述措施也存在一些不足之處，如原水加酸工藝僅適宜在小型水廠使用，聚硫酸鋁工藝會大幅增加制水藥劑成本，高鹽基度聚氯化鋁工藝對高溫條件下出水鋁的降幅仍不夠。

本文結合小試，發現在一次投加聚氯化鋁混凝試驗中，殘余鋁并未隨著聚氯化鋁投加量的增加而呈線性增加趨勢，而二次投加聚氯化鋁時，出水殘余鋁的含量要略小于一次投加生成量，說明第二次投加聚氯化鋁對降低殘余鋁略有影響，為此提出“二次投加鐵鹽工藝來實現控鋁”的工藝設想并進行生產性驗證。該工藝基于鐵離子跟溶解性鋁離子之間可能存在相互結合的機理，工藝簡單、現場實用、降鋁顯著，為水廠降鋁提供了一個有效方案。

1 試驗方案和設備

1.1 試驗總路線圖

從該工藝實際運用場景安全性出發，試驗總路線包括：制定方案、開展實驗室小試、水廠中試、正式投用和工作總結等環節，確保該新工藝的可行性和安全性。

1.2 小樣試驗工作方案

實驗室小試環節的試驗和結論是該項目取得效果的前提和關鍵，為此項目組制定了詳細的實驗室小試工作方案。首先，需初證鐵鹽降鋁工藝的可行性，在確認可行的前提下，再依次開展二次投加時間、不同藥劑、不同鋁含量、不同水溫、不同pH等試驗，并驗證二次投加混凝劑對pH降低的影響試驗。

可行性試驗：在一次投加20 mg/L聚氯化鋁的前提下，通過二次投加10 mg/L三氯化鐵，評估其對水中殘余鋁的去除率。

可行性判斷標準：去除率在60%以上，可行且效果顯著；去除率在40%以上，可行且效果較好；去除率在20%以上，可行但效果一般；去除率低于20%，不可行。

1.3 小試設備及檢測要求

1.3.1 小試設備

ZR4-6六聯混凝試驗攪拌儀、HACH 2100Q便攜式濁度儀、T6紫外可見光分光光度計。

1.3.2 小試參數

燒杯攪拌參數：快混3 min，轉速為200 r/min；慢混17 min，轉速為50 r/min；靜置20 min。

1.3.3 檢測要求

渾濁度：取小樣試驗后沉淀上清液，檢測渾濁度，檢測方法為GB/T 5750.4—2006 2.1散射法-福爾馬肼標準。

pH：取小樣試驗后沉淀上清液，檢測pH，檢測方法為GB/T 5750.4—2006 5.1玻璃電極法。

殘余鋁：取小樣試驗后沉淀上清液，并經0.45 μm濾膜過濾后檢測鋁，檢測方法為GB/T 5750.6—2006 1.1鉻天青S分光光度法。

1.3.4 其他要求

三氯化鐵：采用化學藥劑配置，稱量200 g六水合三氯化鐵藥劑，用純水定容至100 mL，此時濃度為40%，模擬實際三氯化鐵凈水劑。

2 小試結果和討論

2.1 鐵鹽降鋁可行性試驗

分別向1#～4#燒杯加入1 L試驗用水，再依次加入20 mg/L聚氯化鋁凈水劑，1 min后再向后3個燒杯繼續加入10 mg/L三氯化鐵凈水劑。試驗結束后，檢測上清液渾濁度和鋁含量，如表1所示。

表1 鐵鹽降鋁可行性試驗Tab.1 Feasibility Experiment of Aluminum Reduction by Polymer Ferric Salt

結果表明：二次投加10 mg/L三氯化鐵對鋁的去除率達80%左右，確認了二次投加鐵鹽對降鋁效果是可行且效果顯著的。

2.2 二次投加三氯化鐵不同時間間隔試驗

分別向1#～5#燒杯加入1 L試驗用水，再向1#燒杯加入30 mg/L聚氯化鋁凈水劑，2#～5#燒杯加入20 mg/L聚氯化鋁凈水劑；然后，在0～5 min，依次向2#～5#燒杯加入10 mg/L三氯化鐵凈水劑。試驗結束后，檢測上清液渾濁度和鋁含量，如表2所示。

表2 二次投加三氯化鐵不同時間間隔試驗Tab.2 Secondary Dosing Experiment of Ferric Trichloride at Different Time

結果表明：二次投加三氯化鐵間隔時間在0.5～5 min時，出水渾濁度和鋁的去除率變化不大。因此，下面的試驗均以二次投加間隔為5 min進行。

2.3 二次投加不同凈水劑的降鋁效果試驗

分別向1#～8#燒杯加入1 L試驗用水，再向1#燒杯加入30 mg/L聚氯化鋁凈水劑，2#～8#燒杯加入20 mg/L聚氯化鋁凈水劑；間隔5 min后，依次向2#～3#燒杯加入5、10 mg/L聚氯化鋁凈水劑，向4#～5#燒杯加入5、10 mg/L三氯化鐵凈水劑，向6#～8#燒杯加入5、8、10 mg/L聚硫酸鐵凈水劑。試驗結束后，檢測上清液渾濁度和鋁含量，如表3所示。

表3 二次投加不同凈水劑的降鋁效果Tab.3 Aluminum Reduction Effect of Secondary Dosing with Different Water Purifying Agents

結果表明：二次投加對降鋁的效果依次為三氯化鐵>聚硫酸鐵>聚氯化鋁，5 mg/L三氯化鐵的降鋁效果和10 mg/L聚硫酸鐵相當，此時，可實現鋁降幅在40%～50%。

考慮到周邊凈水劑供應商目前只能提供聚硫酸鐵藥劑，以下試驗將圍繞聚硫酸鐵開展。

2.4 不同鋁含量下二次投加不同劑量聚硫酸鐵的降鋁效果試驗

本試驗通過控制聚氯化鋁投加量、水溫和pH等方式，開展3組不同鋁生成量試驗。

分別向1#～6#燒杯加入1 L試驗用水，再向其加入一定量的聚氯化鋁凈水劑；然后，在5 min間隔后，依次向1#～6#燒杯加入0～12 mg/L不等的聚硫酸鐵凈水劑。試驗結束后，檢測上清液渾濁度和鋁含量，如表4所示。

結果表明：不同鋁含量下，二次投加聚硫酸鐵對鋁的降幅隨著投加量的上升呈線性上升趨勢，10 mg/L聚硫酸鐵的降幅約為40%。

表4 不同鋁含量下二次投加不同劑量聚硫酸鐵的降鋁效果Tab.4 Aluminum Reduction Effect of Secondary Dosing with Different Polyferric Sulfate Dosages under Different Aluminum Contents

2.5 不同水溫下二次投加不同劑量聚硫酸鐵的降鋁效果試驗

分別向1#～4#燒杯加入1 L試驗用水，再向其加入30 mg/L聚氯化鋁凈水劑；然后，在5 min間隔后，依次向1#～4#燒杯加入0～10 mg/L不等的聚硫酸鐵凈水劑，共試驗26、28、30 ℃這3個不同水溫。試驗結束后，檢測上清液渾濁度和鋁含量，如表5所示。

表5 不同水溫下二次投加不同劑量聚硫酸鐵的降鋁效果試驗Tab.5 Aluminum Reduction Effect of Secondary Dosing with Different Polyferric Sulfate Dosages under Different Temperatures

結果表明：二次投加聚硫酸鐵在不同水溫下，其降鋁效果大致相當，未出現水溫變化導致降鋁效果明顯變化，說明二次投加聚硫酸鐵降鋁工藝不受水溫變化影響。

2.6 不同pH下二次投加不同劑量聚硫酸鐵的降鋁效果試驗

分別向1#～4#燒杯加入1 L試驗用水，再向其加入30 mg/L聚氯化鋁凈水劑；然后，在5 min間隔后，依次向1#～4#燒杯加入0～10 mg/L不等的聚硫酸鐵凈水劑，共試驗pH值為7.5、8.3、8.6、9.0這4個條件。試驗結束后，檢測上清液渾濁度和鋁含量，如表6所示。

表6 不同pH下二次投加不同劑量聚硫酸鐵的降鋁效果試驗Tab.6 Aluminum Reduction Effect of Secondary Dosing with Different Polyferric Sulfate Dosages under Different pH Values

結果表明：二次投加聚硫酸鐵在不同pH原水下，當pH值低于8時，其對鋁的降幅略大，可能與其本底含量低有關；當pH值接近9時，其對鋁的降幅大幅下降。

2.7 二次投加混凝劑與投加鹽酸的效果比較試驗

分別向1#～6#燒杯加入1 L試驗用水，再向其加入30 mg/L聚氯化鋁凈水劑；然后，在5 min間隔后，依次向1#～6#燒杯加入濃度不等的聚硫酸鐵和鹽酸溶液(前者投加量按原液計，后者投加劑量按31%的濃鹽酸計)，試驗結束后，檢測上清液渾濁度和鋁含量，如表7所示。

表7 二次投加混凝劑與投加鹽酸的效果比較試驗Tab.7 Effect Comparison of Secondary Dosing with Coagulant and Hydrochloric Acid

結果表明：聚硫酸鐵降鋁效果明顯優于鹽酸。聚硫酸鐵中的酸度所起的作用是有限的，主要是混凝作用的貢獻。

2.8 小試總結

上述小試結果表明：二次投加鐵鹽降鋁主要是鐵鹽的再次混凝作用所致；兩次投加間隔時間在0.5～5 min對出水渾濁度和鋁的去除率變化影響不大；二次投加鐵鹽的降鋁優于鋁鹽，三氯化鐵的降鋁效果優于聚硫酸鐵；降鋁效果會隨著二次投加鐵鹽量的上升呈線性上升，投加10 mg/L聚硫酸鐵可實現40%以上的降幅；二次投加鐵鹽工藝不受原水水溫變化的影響。

3 水廠中試結果和討論

3.1 水廠中試方案

采購符合測試要求的聚硫酸鐵藥劑約1 t，經加藥計量泵及管道，將藥劑輸送至某組沉淀池集水槽出口處，出口離水面約20 cm。中試要求：原液投加，單組沉淀池兩點投加，投加量在6～10 mg/L。

效果監控：選取測試沉淀池對應的1組濾池出水管為水質采樣點(現場隨機選定2個濾池8#和10#出水管為水質采樣點)。取樣時間：投加前、投加后0.5 h，之后每隔1 h取樣，檢測指標為鋁、渾濁度(必要時)、耗氧量(必要時)；同時，要求水廠關注濾池在線渾濁度變化及濾池堵塞情況，保證濾池運行效率不變，如表8和表9所示。

表8 二次投加聚硫酸鐵降鋁工藝生產中試降鋁結果Tab.8 Pilot Test Results of Secondary Dosing with Polyferric Sulfate on Aluminum Reduction

表9 二次投加聚硫酸鐵降鋁工藝生產中試渾濁度、耗氧量、鐵含量結果Tab.9 Pilot Test Results of Turbidity, CODMn and Iron of Secondary Dosing with Polyferric Sulfate

3.2 水廠中試總結

由表8～表9可知：二次投加8～10 mg/L聚硫酸鐵，出水鋁的降幅在40%～60%；中試期間，所在濾池的過濾效率及反沖洗周期沒有變化，濾后水的渾濁度穩定在0.10 NTU左右，濾后水中的鐵始終未檢出，耗氧量總體變化不大；同時，考慮到鐵鹽易沉降的特性，在現場缺乏必要混合裝置的前提下，不建議投加稀釋液。

4 水廠生產運用結果

4.1 水廠實施方案

前期完成200 t聚硫酸鐵的采購及質量驗收工作，開展投加泵、管路及自控系統等的安裝及調試工作。

工藝及水質要求：每組沉淀池投加點為2個；聚硫酸鐵投加量控制在8 mg/L左右；做好濾池運行效率監測和評估；水質采樣點設置為二泵房出水。對鋁的檢測要求：自運行之日起，第1 d每小時取樣檢測，第2 d每2 h取樣檢測，此后每天2次取樣檢測。對鐵的檢測要求：自運行之日起，第1 d每2 h取樣檢測，此后一周每天取樣檢測，之后每周2次取樣檢測。

該水廠水源水水質特征(8月—10月)：水溫為16.8～34.1 ℃，渾濁度為13～142 NTU，pH值為7.91～8.14，堿度為89～98 mg/L。

4.2 實際運行效果

根據要求，本次現場試驗從2020年8月13日15點開始。工藝運行后，出廠鋁、濾池渾濁度變化趨勢如圖1～圖2所示，水廠濾池反沖洗周期未改變，出廠鐵始終未檢出。

圖1 二次投加聚硫酸鐵工藝的出水鋁Fig.1 Aluminum of Treated Water of Secondary Dosing with Polyferric Sulfate

圖2 二次投加聚硫酸鐵工藝濾池出水在線渾濁度變化Fig.2 Turbidity of Filter Tank of Secondary Dosing with Polyferric Sulfate

4.3 水廠正式運用總結

上述結果表明：在連續投加3 h后，出水鋁含量開始呈現下降趨勢；在24 h后，出水鋁基本降至0.050 mg/L左右，且保持穩定，其降鋁幅度在40%～50%，與實驗室小試試驗和水廠中試基本吻合；二次投加聚硫酸鐵工藝后，出廠水鐵含量始終未檢出，也未見砂濾池過濾效率下降、渾濁度明顯上升。綜上，二次投加聚硫酸鐵降鋁工藝運行穩定、濾池運行穩定、出水水質穩定，降鋁效果顯著，達到預期目標。

5 結論

(1)該工藝在聚合氯化鋁投加情況下，采用濾前投加少量鐵鹽的方法，實現水中殘余鋁明顯下降，且該工藝不受原水水溫變化的影響，目前還未見國內供水同行公開報道。

(2)二次投加三氯化鐵和聚硫酸鐵對降鋁均有效果，其中，三氯化鐵效果更佳；相同投加量的情況下，聚硫酸鐵的降鋁效果約為三氯化鐵的一半。

(3)聚硫酸鐵投加8 mg/L時，其出水殘余鋁從0.09 mg/L降低至0.05 mg/L，降幅在40%～50%，而濾池運行周期未受影響，出水渾濁度穩定。該工藝在控鋁效果方面顯著，且對制水工藝不會帶來不利影響。

(4)該投加工藝具有操作簡單、投資較小、降鋁效果顯著等特點，具有較好的推廣價值。