降低饮用水中残余铝的中试研究

摘 要：饮用水中铝对人体健康构成危害。该文在中试试验的基础上进行了饮用水中残余铝问题的分析探讨。结果表明：影响水中余铝浓度的四因素的主次顺序为：PAC投加量﹥pH值﹥滤速﹥活化硅酸投加量；控制余铝的最佳条件是：PAC投加量2.0mg/L，pH值7.5，活化硅酸投加量1.0mg/L，滤速cnv unitname="m" sourcevalue="8" hasspace="False" negative="False" numbertype="1" tcsc="0" w:st="on">8.0m/h。此试验结果对于降低饮用水中残余铝具有重要的参考价值。

关键词：饮用水；残余铝；混凝剂

 

0 前言

铝是人类生活中最为常见的金属之一，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^[1]。而人体摄入的铝，很大部分是通过饮用水进入人体的。因此，控制人体摄入铝量，应从降低饮用水中残余铝含量入手。我国卫生部在2001年颁布的《生活饮用水卫生规范》中将铝作为生活饮用水水质常规检测项目（其限值为0.2mg/L）^[2]。然而，我国饮用水中铝浓度超标的现象时有发生，针对我国水厂基本上以常规水处理工艺为主的现状，研究如何降低常规水处理工艺中的铝浓度是有实际意义的。

1 试验方法与装置

1.1 试验方法

铝浓度测定方法根据2001年《生活饮用水卫生规范》中的生活饮用水检验规范采用铬天青S分光光度法。

铝形态分离步骤^[3]见图1

1.2 中试试验装置

中试试验设计规模为3.0~3.5m³/h，试验过程中处理规模为2.0m³/h，原水从某水厂的进水管道引入，混合池通过管道的压力供水。工艺部分的相关尺寸和技术参数如下：

A、混合池

快速混合池为钢制结构，平面尺寸为200mm×500mm，机械搅拌采用JB90－D型强力电动搅拌机，转速为200r/min，混合时间很短，大约6.5s。

B、穿孔板式旋流反应池

钢制结构，平面尺寸为500mm×1500mm，分为六格，单格平面尺寸为500mm×500mm，高度为1.5m，有效水深分别为1.00m、0.85m、0.75m、0.70m、0.70m、0.70m，反应时间约为23min。

C、斜管沉淀池

钢制结构，斜管部分平面尺寸为500mm×1200mm，斜管内切圆直径25mm，斜管长1.00m，斜角60°。斜管内上升流速为5.76m/h，沉淀池清水区上升流速为5m/h。停留时间约为30min。采用斗形底排泥。

D、滤池

滤池采用透明有机玻璃制成，滤柱高2米，滤柱直径150mm，过滤中滤速的调节通过滤柱上部进水阀门，过滤时采用变水头等速过滤。

 

待测水样

用硝酸调pH=1，静置2h

0.22µm的滤膜过滤

用硝酸调pH=1，静置2h

CAS分光光度法测定

总铝A

溶解态铝B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A－B悬浮态铝

图1铝形态分离流程图

2 试验结果与分析

 

2.1正交试验

影响出水余铝的因素有很多，本试验要解决的是在挑选的因素中，哪些因素的影响大些，各因素影响铝浓度的主次关系如何，另外，在各因素的水平搭配中，哪个使试验效果最好，从而找出最佳控制措施。根据资料及小试试验结果选定四因素三水平正交试验表，见表1。

表1 影响因素水平表

试验时原水浊度16.9NTU，pH值7.05，铝浓度0.4498mg/L。采取L₉（3⁴）正交试验列表，中试试验结果及数据整理结果见表2~表3。

表2 沉后水铝浓度正交试验结果

 

表3 滤后水铝浓度正交试验结果

从表2~表3可知，影响水中余铝浓度的四因素的主次顺序为：PAC投加量﹥pH值﹥滤速﹥活化硅酸投加量。

对沉后水及滤后水铝浓度而言，混凝剂投加量的影响都是最大的，实际生产中要根据原水性质进行试验确定最适合的混凝剂投加量以减少水中余铝；pH值对铝浓度的影响较大，因此水厂在调节pH值时不能只看其沉后水的浊度情况，而应该同时考察其沉后水余铝情况；相对于混凝剂量及pH值而言，助凝剂投加量对铝浓度的影响比较小，水厂可在保证了混凝剂最佳剂量及最佳pH值的情况下通过投加助凝剂改善出水铝浓度；过滤阶段对铝浓度的影响相对混凝阶段要小一些，因为混凝沉淀后余下的颗粒态铝基本都能被滤层截留，而对于溶解态铝，滤层的去除效果有限。但是滤速太大时有些细小矾花可能穿透滤层，且滤层吸附溶解态铝的作用也会下降，因此水厂实际运行时应尽量采用低滤速。

       从表中也可得到控制余铝浓度的最佳条件：PAC投加量2mg/L，pH值7.5，活化硅酸投加量1.0mg/L，滤速8m/h。

由于混凝剂投加量对余铝的影响最大，为此，进行了进一步的试验研究，分析其对水中铝形态分布的影响。

2.2 混凝剂投加量对铝浓度的影响

混凝剂投加量对沉后水铝浓度及铝形态分布有重要影响。目前在国内, 聚合氯化铝仍是应用最广泛的一种混凝剂，故本试验中的混凝剂使用聚合氯化铝。试验时原水铝浓度0.3246mg/L，改变聚合氯化铝混凝剂的投加量，考察其对沉后水和滤后水铝浓度及其形态分布的影响，试验结果见图2、图3及表4。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2 混凝剂投加量对沉后水铝浓度的影响

从图2和图3中可以看到，随着混凝剂投加量的增加，余铝先减少，到一最低值后又逐渐增加，投药量的改变对总铝的影响非常大。投药量较大时溶解态铝的增加很明显，这是由于加入的混凝剂没有得到有效利用，投药量大于4mg/L时滤后水中铝浓度将超过0.2mg/L。

从表4中可以看到沉后水中的溶解态铝与滤后水中溶解态铝含量相差不大，但是颗粒态铝明显减少，可见过滤工艺对溶解态铝的去除效果不理想，对颗粒态铝有很好的去除效果。若原水中溶解态铝离子含量大时应强化混凝效果，使铝离子在混凝阶段形成沉淀而去除。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3 混凝剂投加量对滤后水铝浓度的影响

表4 混凝剂投加量对铝浓度的影响

投加量（mg/L）		1	1.5	2	2.5	3	4	6	8
沉后水	总铝	0.5885	0.3654	0.2498	0.4711	0.5068	0.5979	0.8358	1.1639
	溶解态铝	0.1495	0.1232	0.1016	0.1491	0.1574	0.1702	0.3654	0.4827
	颗粒态铝	0.4390	0.2422	0.1482	0.3220	0.3494	0.4277	0.4704	0.6812
滤后水	总铝	0.1885	0.1107	0.0931	0.1386	0.1747	0.1926	0.2879	0.3149
	溶解态铝	0.1026	0.0870	0.0792	0.0995	0.1203	0.1528	0.2614	0.2896
	颗粒态铝	0.0859	0.0237	0.0139	0.0391	0.0544	0.0398	0.0265	0.0253

3 结论

（1）正交试验表明，影响水中余铝浓度的四因素的主次顺序为：PAC投加量﹥pH值﹥滤速﹥活化硅酸投加量；本试验中控制余铝浓度的最佳条件：PAC投加量2mg/L，pH值7.5，活化硅酸投加量1.0mg/L，滤速8m/h。

（2）混凝剂投加量是影响出水铝浓度的最主要影响因素，试验所得聚合氯化铝的最佳投加量在2.0mg/L左右，生产上确定最佳投药量时应同时考虑除浊和除铝。

（3）pH值对出水铝浓度有较大影响，试验所得的混凝最佳pH值在7.5左右。pH值主要是对絮凝阶段的影响较大，沉后水的pH值对滤后水铝离子含量影响不太明显，可以不予调节。

（4）相对于混凝剂量及pH值而言，助凝剂投加量对铝浓度的影响比较小，水厂可在保证了混凝剂最佳剂量及最佳pH值的情况下通过投加助凝剂改善出水铝浓度。

（5）过滤阶段对铝浓度的影响相对混凝阶段要小一些，建议水厂实际运行时应尽量采用低滤速。

 

参考文献：

[1] 祁嘉义. 临床元素化学[M ].北京：化学工业出版社，2000: 158-176

[2] 胡克武，曾锦明，冯兆敏. 聚合氯化铝铁去除水中的铝离子[J].中国给水排水，2002，18(12): 75-76

[3] 赵华章, 杨宏伟, 蒋展鹏等. 混凝沉淀过程中铝系混凝剂的形态转化规律[J].中国环境科学, 2005, 25(2): 183-187

[4] 张霄宇. 饮用水中残余铝的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2000