王志紅^1* 崔福義¹ 鄭學書² 車振啟²
1- 哈爾濱工業大學（哈爾濱工業大學2區601信箱，150090）
2-賓縣自來水公司（黑龍江省賓縣賓州鎮，150000）

　　提要：本文通過飲用水除鋁的一系列生產實驗，主要研究混凝沉淀過程中濁度、水溫、pH值等因素對沉淀水余鋁的影響。提出除鋁可以分為降低溶解鋁和去除顆粒鋁兩種途徑。余濁和余鋁在一定范圍內呈線性相關關系，此時除濁能同時有效去除顆粒鋁。而在不同溫度有不同的最佳pH值，調節pH值有利于降低溶解鋁，增加鋁的可去除性。在此基礎上對水廠生產運行提出了一些建議。
　　關鍵詞：飲用水 鋁 生產實驗

0 前言

　　鋁是人類生活中最為常見的金屬之一，但醫學報告表明攝入鋁量過多對人體健康大為不利，許多國家和衛生組織對飲用水中鋁含量有著嚴格的控制指標。在我國，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，規定一、二類水司的飲用水中鋁含量不得高于0.2mg/L^[1]。正在制訂的我國新的生活飲用水衛生標準中，也已明確將鋁作為其中一項水質指標。
　　我國飲用水中鋁濃度的現狀是不容樂觀的。對全國部分城市的飲用水水質調查結果表明：以鋁不超過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]。更進一步，我國的鋁濃度控制指標還遠劣于發達國家的水平，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。
　　作者曾專門研究了混凝劑對水中余鋁的影響問題^[4]。在此基礎上，又在黑龍江賓縣自來水廠進行了生產性實驗研究，就如何確定水廠最優的水力和化學條件、選擇合適的構筑物型式和工藝參數，降低鋁含量，進行了研究。作為該研究的一部分，本文重點探討混凝沉淀流程中濁度、水溫、pH值等因素對除鋁的影響。該水廠是混凝澄清工藝的典型代表，因此研究結論對類似水廠有普遍參考價值。

1 鋁的形態與去除

　　水中的鋁可分為溶解鋁和懸浮顆粒鋁兩種形態，其中溶解鋁包括鋁與天然有機物、氟化物、磷酸鹽（脂）、硫酸鹽（脂）和OH-等形成的絡合物。在常溫（18～25℃）下，水中Al（OH）3的溶解度很低，KSP為1.3×10-33，正常時鋁絡合物的含量也不多，水中的鋁主要是顆粒鋁。因此對可能影響水中鋁含量的因素可以作如下分析：1）溶解度。很明顯，Al（OH）3溶解度增加會導致溶解鋁增多，總的余鋁也會增加。影響溶解度的因素主要有水溫和pH值。2）水中共存物的種類和含量。例如低pH值高濃度氟化物的水中，能生成可溶的氟化鋁，增加了溶解鋁的濃度。3）濁度。懸浮顆粒鋁主要以膠體的形式存在于水中，膠體的多少表現為濁度的高低，因此濁度在一定程度上反映了顆粒鋁的含量。
　　水廠出水中的鋁有兩個主要來源：1）天然原水中的鋁。鋁含量的多少是不可調的，主要受流域地質條件、環境條件等因素的影響；2）水廠投加鋁鹽混凝劑引入的鋁。該引入鋁的總含量取決于投藥量，是可調的，而引入水中顆粒鋁和溶解鋁的比例主要取決于鋁鹽混凝劑的水解反應及產物生成情況，受水溫和pH值等因素的影響。
　　根據水處理澄清工藝基本原理，在水處理流程中，通過去除濁度可以有效去除顆粒鋁，同時由于共存物的去除或降低也可以部分去除溶解鋁。特別是在混凝沉淀過程中，混凝劑的水解反應程度影響顆粒鋁和溶解鋁的比例，除濁能反映除顆粒鋁的效果，因此混凝沉淀過程對飲用水除鋁有著重要的作用。顯然，為了降低水中鋁濃度，研究水處理澄清工藝過程條件對余鋁的影響是很有必要的。

2 生產性實驗設計

2.1水廠介紹
　　賓縣自來水廠日產水量為4000噸，原水引自附近的二龍湖水庫，采用常規的水處理流程：原水→沉砂池→混合→隔板反應池→沉淀池→普通快濾池→加氯消毒→清水池→出水。
　　原水水質變化不大：濁度20～100NTU，鋁含量0.1～0.2mg/L。其中11月平均水溫0℃，平均濁度80NTU，平均鋁含量0.20mg/L。6月平均水溫15℃，平均濁度20NTU，平均鋁含量0.12mg/L。原水中鋁含量與濁度的變化基本一致，隨濁度的升高降低相應升高降低。
　　水廠的沉淀池分為兩組，分別采用斜管和小間距斜板，正常運行時混凝沉淀流程處理效果穩定，總沉水（即兩組沉淀池處理后的混合水）余濁一般在5NTU以下。以聚合氯化鋁作為混凝劑，投藥泵投藥，投藥量用SC-3000A型單因子混凝投藥測控系統自動控制。
2.2實驗方法
　　為考察水溫變化的影響，實驗主要安排在兩個時期：6-7月份和10-11月份，6-7月份的水溫基本在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，改變自動控制系統的設定值，通過SC-3000A型單因子混凝投藥控制系統自動調節投藥量，保證沉淀池的出水濁度滿足實驗要求。
　　因水廠的產水量較小，夜間一般都停止生產，用清水池的貯存水供給用戶。在水廠的日間生產期間進行實驗，取總沉水和濾后水為主要研究水樣，隔1.5～2h取一次樣，測其濁度、鋁含量、pH值等水質參數；原水的主要水質參數，包括濁度、鋁含量、pH值、水溫等，每天測一次。

3 實驗結果

3.1余濁的影響
　　由于鋁在水中的溶解度較低，大部分以顆粒鋁的形式存在，因此在很大程度上鋁會伴隨濁度的去除而去除。經過混凝沉淀之后，水的余濁與余鋁之間應存在一定的相關性。
　　在生產沉淀池末端取總沉水水樣，研究余濁對余鋁的影響，得到圖1中的曲線。由圖1可以看出，經沉淀以后，余濁與余鋁大致呈現這樣的相關關系：（1）隨著余濁的減少余鋁也減少；（2）當余濁低于7NTU時余鋁隨余濁降低的幅度較小，余鋁含量比較穩定，為0.15mg/L左右。可以作如下解釋：水中的溶解鋁難以隨濁度物質去除；顆粒鋁的去除與濁度的去除密切相關，隨著濁度的降低，顆粒鋁不斷被去除，因此總的余鋁減少；當濁度降低到7NTU時，剩余的顆粒鋁較少而細小，已難以沉淀去除，因此余濁進一步降低對余鋁的影響不大。

　　上述分析說明：飲用水除鋁，可以從降低顆粒鋁和降低溶解鋁兩方面入手。顆粒鋁基本上可以通過除濁來解決。本實驗中當總沉水余濁為≤7NTU時，認為顆粒鋁大部分被去除，余鋁主要是溶解鋁和部分細小的顆粒鋁。溶解鋁和細小的顆粒鋁是可以在一定的水質條件下轉化為可去除的顆粒鋁的。以下的實驗將致力于考察溶解鋁與水溫、pH值的關系，尋求降低溶解鋁的方法。為數據的可比性，基本控制總沉水樣的余濁都在7NTU左右，顆粒鋁含量不高而且基本相同，此時余鋁值可在一定程度上基本反映溶解鋁的多少。
3.2 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。而顆粒鋁溶解后轉化成溶解鋁，由2.1中的分析可以知道，在混凝澄清工藝中溶解鋁較難去除，顆粒鋁卻可以通過除濁取得較好的去除效果。筆者認為：pH值對余鋁的重要影響主要表現在：1）影響鋁鹽的水解程度，從而影響混凝的效果；2）影響顆粒鋁與溶解鋁的比例，從而影響水中鋁的去除難易程度；3）影響溶解鋁的含量（在余濁較低時，也就基本上反映了出水余鋁的含量）。
　　在水溫14℃進行實驗，結果如圖2所示。由圖中可以看到：余鋁先是隨pH值的增加而減少，當pH值增加到一定值后，余鋁反而隨pH值的增加而增加；即存在一最佳pH值使余鋁最小。圖中的趨勢線表明：水溫14℃時的最佳pH值為7.5左右，所對應的余鋁為0.12-0.13mg/L，而在pH值由7.5增加到8.2時，余鋁增加到0.20mg/L，增加幅度約為67﹪。其原因在于在總沉水的pH環境（7.0-8.5）下，顆粒鋁（兩性氫氧化物）的溶解主要是如下的溶解平衡過程：

　　在最佳pH值時，顆粒鋁的溶解度也最小，因為pH值的增加或降低都導致平衡移動，使溶解鋁含量增加，從而使總鋁增加。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。
　　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，例如方程式（2）的溶度積常數（18-25℃）查出有10^-32，1.3×10^-33，2×10^-33等等，這反映出溶解鋁的存在形態很復雜，比較難以進行定量推導，最佳pH值應根據原水水質因素由實驗確定。
3.3水溫的影響
　　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，所以有必要進一步探討水溫對余鋁的影響。
　　（1）在pH值為7.5條件下，根據水溫不同調節投藥量，如3.1中所述，為了增加數據的可比性，選擇余濁為7NTU時的余鋁值（此時主要為溶解鋁）作為參考量，研究水溫與余鋁的關系，得到圖3。由圖中看到，隨水溫升高余鋁呈較快的上升趨勢，水溫16℃時的余鋁量0.18mg/L，為0.5℃時的兩倍。這是由于溫度升高，顆粒鋁的溶解度增加，而導致余鋁增加。

　　（2）圖4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。出現這種現象是因為水廠處理流程中pH值環境均大于7.0，為弱堿性，顆粒鋁的溶解以Al（OH）4-+H+ ?Al（OH）3（s）+H2O為主，當溫度升高，平衡有向左移動增大溶解度的趨勢，此時若力圖降低溶解鋁讓平衡右移，則需增加H+，減少pH值。因此溫度增加，相對應的最佳pH值降低。
　　（3）實驗中一個值得注意的問題是當水溫較低時（5℃以下，原水濁度為80NTU左右），雖然溶解鋁含量有所降低，但由于混凝沉淀的效果差，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5所示。

4 結論和建議

　　（1） 飲用水處理過程中，除濁可以在一定程度上有效去除顆粒鋁。存在一個合適的沉淀水余濁值，低于此值時顆粒鋁能被大部分去除。本實驗中，該值為7NTU左右。該沉淀水余濁值應作為水廠確定鋁鹽投量的因素之一。
　　（2） 在相同余濁時，存在最佳pH值使溶解鋁含量最小，此時鋁的去除率增加。因此，建議水廠根據水溫和原水水質作燒杯實驗確定此最佳pH值，根據最佳值進行調節，有助于除鋁。實驗中水溫14℃時，該值為7.5。
　　（3） 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。水廠運行中應根據水溫進行調節。
　　（4） 水溫升高，顆粒鋁的溶解度增加，在相同余濁條件下，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余濁值、改變投藥量等，以保證除鋁的效果。實驗過程中發現若控制沉淀水余鋁低于0.2mg/L，濾后水的余鋁基本能滿足低于0.05mg/L的要求。

參考文獻

　　[1] 汪光燾主編，《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》，北京：中國建筑工業出版社。
　　[2] 崔福義等，我國部分城市飲用水中鋁濃度的調查研究，《中國給水排水》，待發表。
　　[3] 崔福義等，飲用水中鋁的危害、來源及現狀，《哈爾濱建筑大學學報》，30（6），1997。
　　[4] 王志紅等，聚合鋁類混凝劑及混凝條件對余鋁的影響實驗研究，《給水排水》，27（2），2001。

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國家自然科學基金（59778023）、黑龍江省自然科學基金（E9825）資助
* 哈爾濱工業大學博士生，現工作單位為廣東工業大學