常規(guī)水處理混凝沉淀工藝中除濁與除鋁的相關(guān)性研究
1 鋁的危害及來源
鋁是地殼中分布廣含量多的金屬元素之一。鋁由于其特殊的性質(zhì)及豐富的含量在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，給我們帶來了方便。但是，隨著科技的進(jìn)步，鋁對自然、對人類不利的一面也逐漸引起了人們的注意和研究，特別是鋁對人體健康的影響問題越來越引起人們的關(guān)注。近代醫(yī)學(xué)表明，過量攝入鋁會引起如下疾。豪夏晷园V呆癥，記憶力減退；使骨質(zhì)變得疏松軟化：腎功能失調(diào)，腎衰竭及尿毒癥；使血液和心血管發(fā)生疾病；對體細(xì)胞及生殖細(xì)胞有致突變的作用。此外，鋁對動(dòng)植物及工業(yè)等方面也存在不同程度的危害[1]。
人體攝入鋁的主要途徑之一便是飲用水。飲用水中鋁的來源比較復(fù)雜，主要有以下幾個(gè)途徑：①．土壤中的鋁溶解進(jìn)入天然水體；②．給水處理中鋁鹽混凝劑的使用是出水殘余鋁升高的直接原因；③．含鋁工業(yè)廢水不合理排放也會增加接納水體的含鋁量。
歐美許多發(fā)達(dá)國家制定了飲用水中鋁的限制指標(biāo)。在我國衛(wèi)生部即將頒發(fā)的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中也將鋁列為飲用水水質(zhì)控制指標(biāo)之一，并明確規(guī)定飲用水中鋁含量不得高于0.2mg/l。然而，飲用水中鋁濃度超標(biāo)問題在我國十分嚴(yán)重。筆者曾進(jìn)行過專門的調(diào)查，在全國范圍內(nèi)的40個(gè)城市中，飲用水中鋁濃度超過0.2mg/l的占32.5%，在東北地區(qū)更高達(dá)76.9%[2]。顯然研究降低飲用水中鋁濃度的問題十分迫切。針對我國水廠基本上以常規(guī)水處理工藝為主的現(xiàn)狀，研究常規(guī)水處理工藝的除鋁性能是有實(shí)際意義的。
2 常規(guī)水處理工藝除鋁的可能性
如果以物理存在形態(tài)劃分，水中的鋁以兩種狀態(tài)存在，即顆粒鋁(以固態(tài)存在的鋁)和溶解態(tài)鋁。鋁化合物的溶解度較小，據(jù)文獻(xiàn)介紹，在pH值為6～7時(shí)，溶液中溶解態(tài)總鋁量理論計(jì)算值僅為0.001-0.004mg/l[3]。鋁在水中主要以顆粒鋁的形式存在，構(gòu)成水中膠體成分的一部分。根據(jù)混凝的基本理論，在鋁鹽水解絮凝過程中，既有出現(xiàn)鋁鹽混凝劑的水解、產(chǎn)生大量氫氧化物的過程，同時(shí)也有實(shí)現(xiàn)膠體脫穩(wěn)、“碰撞絮凝”的過程。在此過程中，通過絮凝體的形成及大顆粒對微細(xì)顆粒及鋁離子和其絡(luò)合離子的吸附，在去除水中的微細(xì)顆粒的同時(shí)，也大幅度地降低了水中殘余鋁。因此絕大部分的顆粒鋁有可能通過混凝、沉淀、過濾等常規(guī)處理工藝去除。
筆者對此也進(jìn)行了專門的實(shí)驗(yàn)。取原水濁度102NTU、含鋁量0.65mg/l的水進(jìn)行混凝沉淀，沉后水含鋁量0.141mg/l-0.322mg/l。采用孔徑為0.451μm的混合纖維素膜對此沉后水進(jìn)行過濾，考查濾后水的濁度與殘余鋁，如圖1。
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由圖可見，經(jīng)過0.45μm的濾膜過濾后，濾后水的濁度基本上都降低到0.5NTU以下、殘余鋁降低到0.09mg/l以下。一般認(rèn)為，該尺寸的濾膜基本代表了常規(guī)水處理工藝的澄清處理能力。所以上述實(shí)驗(yàn)證明了在常規(guī)的水處理工藝中可以通過去除濁度來達(dá)到降低水中余鋁的目的，通過優(yōu)化水處理工藝，使出水余鋁達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求是可能的。
3 常規(guī)混凝沉淀工藝除濁與除鋁的相關(guān)性
通過優(yōu)化常規(guī)水處理工藝條件，使得鋁能在除濁的同時(shí)也得到去除，達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，是簡便易行的措施。為了研究在常規(guī)水處理的混凝沉淀工藝中除鋁與除濁的關(guān)系，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，分別考察了混凝劑的種類與投加量、pH值、水溫、濁度等參數(shù)的影響。
3.1 混凝劑種類及投藥量
實(shí)驗(yàn)選用5種混凝劑進(jìn)行對比：不同廠家生產(chǎn)的聚合氯化鋁1和聚合氯化鋁2、硫酸鋁、聚合硅酸鋁、硫酸鐵。實(shí)驗(yàn)主要考察各種混凝劑在不同商品投加量時(shí)的除濁及除鋁能力。實(shí)驗(yàn)原水濁度301NTU，鋁含量2.3mg/l，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3。
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由圖2和圖3得到，使用不同混凝劑的除濁和除鋁效果是有差異的：1)硫酸鋁無論是除濁還是除鋁的效果都較差；2)聚合硅酸鋁、聚合鋁等高分子類混凝劑都具有較好的除濁和除鋁效果：3)硫酸鐵除濁效果較差，對除鋁而言，其效果要略優(yōu)于鋁鹽，這主要是因?yàn)樵摶炷齽┳陨砦聪蛩幸敫嗟匿X。分析上述結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：1)對于原水中含有的鋁，使用鐵鹽也不能使之完全被去除，因此避免使用鋁鹽混凝劑并不是解決鋁問題的根本性辦法；2)使用同一種混凝劑除濁和除鋁所對應(yīng)的最佳投藥量有共同范圍段，這既說明鋁主要是伴隨濁度的去除而去除的，同時(shí)也為選擇工藝條件時(shí)兼顧除濁與除鋁提供了可能；3)一般除濁對應(yīng)的最佳投藥量范圍較寬，而除鋁對應(yīng)的范圍則較窄，要兼顧二者的去除，就應(yīng)更準(zhǔn)確地控制投藥量，給棍凝投藥過程控制提出了更高的要求。
3.2 pH值
pH值直接影響到鋁在水中的溶解度，是重要的影響因素。為了考察PH值的影響，設(shè)計(jì)了一組混凝實(shí)驗(yàn)，條件如表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。
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由實(shí)驗(yàn)可以得到，1)隨著原水濁度的變化，最佳pH值的改變并不十分明顯；2)對于除濁，混凝的最佳pH值范圍較寬，大約在6～7.5之間：對于除鋁，該范圍較窄，大約在7.0～7.5之間。該結(jié)果同樣說明除濁與除鋁可以兼顧，但除鋁對pH值的要求更加嚴(yán)格。同時(shí)從圖中還能看到，對于鋁鹽混凝劑，當(dāng)pH值小于6.0或大于8.0時(shí)，無論是除濁還是除鋁，其效果都比較差。
3.3 水溫
實(shí)驗(yàn)時(shí)配制濁度為20．6NTU、含鋁量0．446mg／L的原水，改變水溫分別進(jìn)行二組實(shí)驗(yàn)：第一組水溫為6.3℃，第二組水溫為14.3℃，考察在相同投藥量(聚合氯化鋁1)的情況下，兩種不同溫度原水中濁度、鋁的去除效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。
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由圖5得到，在水溫較高時(shí)，最佳投藥量小，沉后水濁度、余鋁都較低；而當(dāng)水溫降低時(shí)，最佳投藥量大，對應(yīng)于最佳投藥量的沉后水濁度和鋁的去除率都較低，特別是鋁的去除率僅為20～30%，在投藥量過大或過小時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)沉后水中的含鋁量大于原水中的含鋁量。這種情況的出現(xiàn)是由于混凝狀況不好，鋁鹽的投入增加了水中鋁的濃度，盡管低溫時(shí)鋁的溶解度降低、溶解鋁占的比重較小，但是相當(dāng)多的顆粒鋁伴隨較多的殘留濁度成分而留在了水中。而且低溫情況下最佳投藥量的范圍較窄，對投藥的準(zhǔn)確性要求增加。所以對于含鋁量較高的低溫原水，對鋁的去除難度較高，很容易超標(biāo)，應(yīng)引起注意。
3.4 沉后水濁度與余鋁的關(guān)系
在圖6中，僅改變沉淀時(shí)間，保持其他韻實(shí)驗(yàn)條件(混凝劑采用聚合氯化鋁1)均相同，得到一系列的沉后水，測定其濁度和殘余鋁，得到二者的對應(yīng)關(guān)系。可見，沉后水殘余鋁在總體上的變化趨勢隨沉后水濁度的升高而增加，進(jìn)一步說明鋁是伴隨濁度的去除而去除的。因此合理地降低沉后水濁度，一般也會減少出水中的殘余鋁量。
4 結(jié) 論
研究結(jié)果表明，水體中的鋁絕大多數(shù)以顆粒狀存在，利用常規(guī)水處理除濁工藝除鋁是可行的；混凝劑品種對減少余鋁有重要影響，應(yīng)兼顧除濁與除鋁特性來選擇混凝劑；出水余鋁與出水濁度具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，隨混凝劑、pH值、水溫等因素改變而變化的趨勢基本一致；但一般除鋁較除濁要求的工藝條件更嚴(yán)格，難度更大，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)對生產(chǎn)過程的有效監(jiān)控調(diào)節(jié)。
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