常规水处理混凝沉淀工艺中除浊与除铝的相关性研究

1 铝的危害及来源
铝是地壳中分布广含量多的金属元素之一。铝由于其特殊的性质及丰富的含量在现代科学技术和工业中被广泛应用，给我们带来了方便。但是，随着科技的进步，铝对自然、对人类不利的一面也逐渐引起了人们的注意和研究，特别是铝对人体健康的影响问题越来越引起人们的关注。近代医学表明，过量摄入铝会引起如下疾病：老年性痴呆症，记忆力减退；使骨质变得疏松软化：肾功能失调，肾衰竭及尿毒症；使血液和心血管发生疾病；对体细胞及生殖细胞有致突变的作用。此外，铝对动植物及工业等方面也存在不同程度的危害。
人体摄入铝的主要途径之一便是饮用水。饮用水中铝的来源比较复杂，主要有以下几个途径：①.土壤中的铝溶解进入天然水体；②.给水处理中铝盐混凝剂的使用是出水残余铝升高的直接原因；③.含铝工业废水不合理排放也会增加接纳水体的含铝量。
欧美许多发达国家制定了饮用水中铝的限制指标。在我国卫生部即将颁发的《生活饮用水卫生标准》中也将铝列为饮用水水质控制指标之一，并明确规定饮用水中铝含量不得高于0.2mg/l。然而，饮用水中铝浓度超标问题在我国十分严重。笔者曾进行过专门的调查，在全国范围内的40个城市中，饮用水中铝浓度超过0.2mg/l的占32.5%，在东北地区更高达76.9%。显然研究降低饮用水中铝浓度的问题十分迫切。针对我国水厂基本上以常规水处理工艺为主的现状，研究常规水处理工艺的除铝性能是有实际意义的。
2 常规水处理工艺除铝的可能性
如果以物理存在形态划分，水中的铝以两种状态存在，即颗粒铝(以固态存在的铝)和溶解态铝。铝化合物的溶解度较小，据文献介绍，在pH值为6～7时，溶液中溶解态总铝量理论计算值仅为0.001-0.004mg/l。铝在水中主要以颗粒铝的形式存在，构成水中胶体成分的一部分。根据混凝的基本理论，在铝盐水解絮凝过程中，既有出现铝盐混凝剂的水解、产生大量氢氧化物的过程，同时也有实现胶体脱稳、“碰撞絮凝"的过程。在此过程中，通过絮凝体的形成及大颗粒对微细颗粒及铝离子和其络合离子的吸附，在去除水中的微细颗粒的同时，也大幅度地降低了水中残余铝。因此绝大部分的颗粒铝有可能通过混凝、沉淀、过滤等常规处理工艺去除。
笔者对此也进行了专门的实验。取原水浊度102NTU、含铝量0.65mg/l的水进行混凝沉淀，沉后水含铝量0.141mg/l-0.322mg/l。采用孔径为0.451μm的混合纤维素膜对此沉后水进行过滤，考查滤后水的浊度与残余铝，如图1。
由图可见，经过0.45μm的滤膜过滤后，滤后水的浊度基本上都降低到0.5NTU以下、残余铝降低到0.09mg/l以下。一般认为，该尺寸的滤膜基本代表了常规水处理工艺的澄清处理能力。所以上述实验证明了在常规的水处理工艺中可以通过去除浊度来达到降低水中余铝的目的，通过优化水处理工艺，使出水余铝达到水质标准的要求是可能的。
3 常规混凝沉淀工艺除浊与除铝的相关性
通过优化常规水处理工艺条件，使得铝能在除浊的同时也得到去除，达到水质标准的要求，是简便易行的措施。为了研究在常规水处理的混凝沉淀工艺中除铝与除浊的关系，进行了实验室研究，分别考察了混凝剂的种类与投加量、pH值、水温、浊度等参数的影响。
3.1 混凝剂种类及投药量
实验选用5种混凝剂进行对比：不同厂家生产的聚合氯化铝1和聚合氯化铝2、硫酸铝、聚合硅酸铝、硫酸铁。实验主要考察各种混凝剂在不同商品投加量时的除浊及除铝能力。实验原水浊度301NTU，铝含量2.3mg/l，实验结果如图2、图3。
由图2和图3得到，使用不同混凝剂的除浊和除铝效果是有差异的：1)硫酸铝无论是除浊还是除铝的效果都较差；2)聚合硅酸铝、聚合铝等高分子类混凝剂都具有较好的除浊和除铝效果：3)硫酸铁除浊效果较差，对除铝而言，其效果要略优于铝盐，这主要是因为该混凝剂自身未向水中引入更多的铝。分析上述结果，可以发现：1)对于原水中含有的铝，使用铁盐也不能使之完全被去除，因此避免使用铝盐混凝剂并不是解决铝问题的根本性办法；2)使用同一种混凝剂除浊和除铝所对应的最佳投药量有共同范围段，这既说明铝主要是伴随浊度的去除而去除的，同时也为选择工艺条件时兼顾除浊与除铝提供了可能；3)一般除浊对应的最佳投药量范围较宽，而除铝对应的范围则较窄，要兼顾二者的去除，就应更准确地控制投药量，给棍凝投药过程控制提出了更高的要求。
3.2 pH值
pH值直接影响到铝在水中的溶解度，是重要的影响因素。为了考察PH值的影响，设计了一组混凝实验，条件如表1，实验结果如图4。
由实验可以得到，1)随着原水浊度的变化，最佳pH值的改变并不十分明显；2)对于除浊，混凝的最佳pH值范围较宽，大约在6～7.5之间：对于除铝，该范围较窄，大约在7.0～7.5之间。该结果同样说明除浊与除铝可以兼顾，但除铝对pH值的要求更加严格。同时从图中还能看到，对于铝盐混凝剂，当pH值小于6.0或大于8.0时，无论是除浊还是除铝，其效果都比较差。
3.3 水温
实验时配制浊度为20.6NTU、含铝量0.446mg/L的原水，改变水温分别进行二组实验：第一组水温为6.3℃，第二组水温为14.3℃，考察在相同投药量(聚合氯化铝1)的情况下，两种不同温度原水中浊度、铝的去除效果。实验结果如图5。
由图5得到，在水温较高时，最佳投药量小，沉后水浊度、余铝都较低；而当水温降低时，最佳投药量大，对应于最佳投药量的沉后水浊度和铝的去除率都较低，特别是铝的去除率仅为20～30%，在投药量过大或过小时，甚至会出现沉后水中的含铝量大于原水中的含铝量。这种情况的出现是由于混凝状况不好，铝盐的投入增加了水中铝的浓度，尽管低温时铝的溶解度降低、溶解铝占的比重较小，但是相当多的颗粒铝伴随较多的残留浊度成分而留在了水中。而且低温情况下最佳投药量的范围较窄，对投药的准确性要求增加。所以对于含铝量较高的低温原水，对铝的去除难度较高，很容易超标，应引起注意。
3.4 沉后水浊度与余铝的关系
在图6中，仅改变沉淀时间，保持其他韵实验条件(混凝剂采用聚合氯化铝1)均相同，得到一系列的沉后水，测定其浊度和残余铝，得到二者的对应关系。可见，沉后水残余铝在总体上的变化趋势随沉后水浊度的升高而增加，进一步说明铝是伴随浊度的去除而去除的。因此合理地降低沉后水浊度，一般也会减少出水中的残余铝量。
4 结 论
研究结果表明，水体中的铝绝大多数以颗粒状存在，利用常规水处理除浊工艺除铝是可行的；混凝剂品种对减少余铝有重要影响，应兼顾除浊与除铝特性来选择混凝剂；出水余铝与出水浊度具有较强的正相关性，随混凝剂、pH值、水温等因素改变而变化的趋势基本一致；但一般除铝较除浊要求的工艺条件更严格，难度更大，更应强调对生产过程的有效监控调节。