自来水中残余铝的影响因素研究

【摘要】本文通过自来水中铝去除的一系列实验，研究了原水pH值、混凝剂的投加量及滤料的选择对自来水残余铝的影响。实验结果表明，当原水温度为20C°时，调节原水pH值为7.33左右时对降低自来水残余铝的浓度最有利。调节絮凝剂的投加量及滤料的种类也可以降低自来水残余铝的浓度。

【关键词】自来水；残余铝；聚氯化铝；混凝

引言

铝是人类生活中最为常见的金属之一。过量摄入铝会引发老年性痴呆症、肾衰竭、心血管疾病等，对人体机能可能会产生不利的影响。铝的毒性效应是与其形态密不可分的，不同形态的残余铝具有不同的毒性效应，其中尤其以溶解性单体铝的毒性最大[1][2][3]。世界卫生组织 （ WHO ） 及西方发达国家颁布了净水中总残余铝浓度指标，我国《生活饮用水卫生标准》（ GB5749—2006）中也明确规定，水中总残余铝浓度不高于0.2mg/L。

自来水中铝的存在除了水源中自然存在的铝组分外，在水处理过程中诸如硫酸铝、聚氯化铝（PAC）等铝盐混凝剂的广泛使用也会造成自来水中铝含量的升高[4][5]。由于我国自来水净化主要采用铝盐混凝剂，自来水残余铝的控制显得尤为重要。本研究针对自来水使用国内最常用的聚氯化铝混凝剂的情况，研究不同因素对混凝剂投加后残余铝的影响情况，探讨对自来水残余铝的控制技术，以期对国内自来水处理提供切实可行的技术方案。

1、实验部分

1.1仪器和药剂

本实验所用主要仪器有DK-98-Ⅱ电热恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器有限公司），DF-101集热式恒温加热磁力搅拌器（巩义市科瑞仪器有限公司），LT502精密电子天平（常熟市天量仪器有限责任公司），ZR4-6混凝实验搅拌仪（深圳市中润水工业技术发展有限公司），pHS-3C型精密pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司），HACH便携式浊度仪（美国哈希公司），TU-1901紫外可见光分光光度计（北京普析通用仪器责任有限公司）等。

本实验所用的主要药剂有商品聚氯化铝、分析纯铬天青S、分析纯CPB、分析纯OP、铝标准溶液、优级纯盐酸等。

1.2实验水样

本实验水样采用成都市某河流天然水，水温约20℃，浊度约35NTU，pH7.84，铝背景值0.15mg/L。

1.3实验方法

本实验均采用烧杯混凝实验进行，共分三个阶段。第一阶段保持水样温度、浊度不变，通过0.1mol/L优级纯稀盐酸精密调节水样pH，投加同等量的聚氯化铝（以Al计，下同）进行实验，考察pH的变化对残余铝的影响。第二阶段保持水样的所有原水参数不变，改变聚氯化铝的投加量，考察投加量的变化对残余铝的影响。第三阶段保持所有原水参数及聚氯化铝的投加量不变，考察滤膜孔径的变化对残余铝的影响。

混凝实验按《生活饮用水用聚氯化铝》GB 15892-2009附录A进行，残余铝铝采用《生活饮用水标准检验方法 金属指标 铝 铬天青S分光光度法》GB/T5750.6-2006测定，浊度的测量采用哈希便携式浊度仪直接测定。

2、结果与讨论

2.1实验结果

2.1.1pH变化的实验结果

《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006要求饮用水pH值不小于6.5，不大于8.5。考虑到投加PAC后，水的pH值会略有降低，本实验考察了原水pH从7.0～8.8范围内变化，浊度、水温保持不变，PAC投加量保持1.0mg/L（以Al计）的残余铝变化情况。

以试验后水样的残余铝浓度为纵坐标，以pH为横坐标，绘制不同pH对残余铝的影响趋势图。从表1和图1可以看出，水中的残余铝随原水的pH值升高先降低而后增加，残余铝的数据出现高-低-高的规律，在原水pH值为7.33左右时达到最低。在原水pH值小于7.33时，残余铝浓度随pH值降低而增加的速度较快，在原水pH值大于7.33时，残余铝浓度随pH值升高而增加的速度较慢。

2.1.2混凝剂投加量变化的实验结果

保持原水所有参数不变，过滤采用孔径45μm滤膜，通过改变聚氯化铝的投加量（以Al计），考察其滤前水余浊度、滤后水余浊度及滤后水残余铝变化情况。试验结果见表2。

以试验后水样的残余铝浓度为纵坐标，以PAC投加量为横坐标，绘制不同投加量对残余铝的影响趋势图。从试验现象看，从2号实验杯开始出现絮体，但絮体小而细密。从2号实验杯开始，随着混凝剂投加量的增大，絮体越来越多，体积也越来越大。到7号实验杯以后，实验杯表面有少量絮体上浮现象。从试验数据看，在投加混凝剂后，处理后水样的残余铝均有不同程度增大，残余铝的数据出现高-低-高的规律。其中，5号实验杯的残余铝数值最低，此时的混凝剂投加量为1.2mg/L。滤前水、滤后水的浊度也遵循高-低-高的规律，但其最低值出现在7号实验杯，此时的混凝剂投加量为1.6mg/L。

2.1.3滤膜孔径变化的实验结果

由于常规砂滤池的截留能力与孔径为45μm的滤膜基本相当，本实验着重考察滤膜孔径为45μm和低于45μm的情况（孔径增大，滤后水浊度不能满足自来水出厂要求）。保持原水参数不变，改变滤膜孔径和混凝剂的投加量，考察滤膜孔径对残余铝的影响。试验结果见表3。

从试验数据看，孔径为22μm的滤膜过滤后水样的残余铝都明显低于孔径为45μm的滤膜。滤后水残余铝同样遵循高-低-高的规律。滤后水浊度的最小值同样出现在7号实验杯。

2.2讨论与分析

2.2.1pH变化对残余铝的影响

从表1和图1可以看出，在原水pH值为7.33左右时，处理后水样的残余铝达到最低值，说明为了尽量降低自来水的残余铝浓度，控制原水的pH值为7.33左右最合适。

2.2.2混凝剂投加量变化对残余铝的影响

对于随着混凝剂投加量变化残余铝呈现出高-低-高的规律，可以用混凝剂的混凝特性来解释。对于低温低浊原水，当混凝剂PAC投加量较少时，混凝效果不显著，矾花颗粒较小且不密实，沉降性能较差，矾花悬浮在液体中的数量较多，导致残余铝含量相对较高；随着PAC投加量的增加，混凝形成的矾花大且密实，更容易沉降，残余铝也随之降低；当PAC用量进一步增大时，PAC会出现参与混凝作用不完全的情况，此时，部分PAC会以溶解态的形式存在于水样中，造成残余铝的升高。从5号实验杯开始，残余铝随着混凝剂投加量的增大而增大，这一实验正好验证了上述推理。

从表2还可以看出，残余铝出现最低值与滤前水浊度出现最低值的时间并不一致，而是稍微提前，即残余铝出现最低值时混凝剂的投加量应比混凝效果出现最佳值时略小。这说明自来水厂从残余铝的控制的角度来说，不能以混凝效果最佳点来确定混凝剂的投加量，而应根据残余铝出现最低值的最佳点来确定混凝剂的投加量。

2.2.3滤膜孔径变化对残余铝的影响

实验结果中，残余铝同样呈现出高-低-高的规律。但从实验结果可以明显看出，经孔径22μm的滤膜过滤后水样的残余铝浓度明显低于经孔径45μm的滤膜过滤后的水样。这说明在铝盐混凝剂混凝的过程中，既有因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、“吸附架桥”增大絮体颗粒的过程。随着混凝剂投加量的增大，后一过程逐渐占据优势，但当投加量太大时又会出现反作用。总体来说，减小滤膜孔径均能有效降低残余铝浓度，自来水厂可通过减小滤料的孔径来达到降低残余铝浓度的目的。

3结论和建议

（1）水中的残余铝浓度随原水的pH值升高表现出高-低-高的规律，在原水pH值为7.33左右时达到最低值。为了尽量降低自来水的残余铝浓度，自来水厂控制原水的pH值为7.33左右是合适的。

（2）随着混凝剂投加量逐渐增大，残余铝呈现出高-低-高的变化规律，混凝剂的最佳投加量为1.2mg/L（以铝计）。同时，残余铝出现最低值时混凝剂的投加量比混凝效果出现最佳值时略小。自来水厂应根据实际情况同时考虑除浊效果和对残余铝的影响来确定混凝剂的投加量。

（3）在其它条件不变的情况下，减小滤膜孔径均能有效降低残余铝浓度，自来水厂可通过减小滤料的孔径来达到降低残余铝浓度的目的。

参考文献：

[1] Drabek O，Boruvka L，Mladkova L，et al.Possible method of aluminum speciation in forest soils[J].J Inorg Biochem，2003，97：8-15.

[2] Guy B.Aluminum speciation in relation to aluminum bioavailability，metabolism and toxicity[J].Coord Chem Rev，2002，228： 319-341.

[3] 吴彦瑜，陈文纳. 聚合硫酸铝铁处理水后残留铝量的测定[J].广西师范学院学报： 自然科学版，2008，25（ 1） ： 46-49.

[4] 练鸿振，康玉芬，艾尔肯·牙森，等. 荧光分光光度法分析天然水中铝形态的研究[J]. 光谱学与光谱分析，2004，24（ 11） ：1391-1394.

[5] 赵华章，杨宏伟，蒋展鹏，等. 利用凝胶层析分离测定胶体态铝和溶解态铝的研究[J].环境科学学报，2006，26（ 10） ： 1683-1687.

[6] Matú P，Kubová J.Complexation of labile aluminium species by chelating resins Iontosorb-a new method for Al environmental risk assessment[J].J Inorg Biochem，2005，99： 1769-1778.

[7] Gauthier E，Fortier I，Courchesne F.et al.Aluminum forms in drinking water and risk of Al zheimer's disease[J].Environ Res，2000，84： 234-246.

[8] Srinivasan P T，Viraraghavan T，Surbramanian K S.Alumnium in drinking water： An overview[J].Water SA，1999，25（ 1） ： 47-6.