胡世義 王曉軍

Analysis of the Influence of Alkalinity on the Coagulation Effect and Its Adjustment

—— Taking Aluminum Coagulant as the Example

HU Shi-yi， WANG Xiao-jun

（ Xi'an Polytechnic University， Xi'an 710055， China）

【摘? 要】混凝是凈水工藝的重要環(huán)節(jié)，對(duì)提高污水處理廠出水水質(zhì)有重要意義。堿度是影響鋁鹽混凝劑混凝效果和出水余鋁含量的重要因素，合理的堿度調(diào)節(jié)方式可以在提高混凝效果、減少出水余鋁的同時(shí)節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，為實(shí)際的工程應(yīng)用提供參考。

【Abstract】 Coagulation is an important part of the water purification process， which is of great significance for improving the quality of effluent water from sewage treatment plants. Alkalinity is an important factor affecting the coagulation effect of aluminum salt coagulant and the residual aluminum content in the effluent. The reasonable alkalinity adjustment method can improve the coagulation effect and reduce the residual aluminum in the water， and save economic costs， and it also can provide some reference for practical engineering applications.

【關(guān)鍵詞】堿度;混凝;鋁鹽混凝劑

【Keywords】 alkalinity; coagulation; aluminum salt coagulant

【中圖分類號(hào)】X703? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）03-0176-02

1 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，環(huán)境惡化也愈加嚴(yán)重。水環(huán)境作為整個(gè)環(huán)境系統(tǒng)不可或缺的部分，其污染也尤為突出[1]。污水處理廠面臨著原水水質(zhì)越來越差和出水水質(zhì)要求越來越高的的矛盾，因此，污水處理廠急需提高污水處理能力及處理效率?；炷翘岣叱鏊|(zhì)的強(qiáng)有力手段，但是，中國北方水體具有較高的堿度，而且受工業(yè)污染較嚴(yán)重，傳統(tǒng)混凝工藝對(duì)有機(jī)物的去除效率較低。在水處理過程中，堿度是影響混凝效果的重要因素之一，因此，研究堿度對(duì)混凝的影響以及探析堿度調(diào)節(jié)方式設(shè)置對(duì)高堿度廢水的處理十分有利[2]。鋁系混凝劑作為應(yīng)用最為廣泛的混凝劑之一，本研究以鋁鹽混凝劑為研究對(duì)象，對(duì)此問題進(jìn)行探究。

2 堿度對(duì)鋁鹽混凝劑的影響

2.1 堿度對(duì)鋁鹽混凝劑混凝效果的影響

鋁是一種被廣泛用于制備各種工程材料和化學(xué)試劑的元素，同時(shí)，鋁也是地殼中含量最多的金屬元素，鋁及其氧化物常被應(yīng)用于各個(gè)方向的基礎(chǔ)性研究。其中，鋁溶液化學(xué)經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已成為一門涵蓋范圍非常廣的學(xué)科，包括電鍍、催化、環(huán)境、農(nóng)藥、微生物、土壤科學(xué)等[3]。鋁是一種典型的兩性金屬，在不同的pH條件下，鋁離子會(huì)產(chǎn)生不同的水解形態(tài)，與污染物發(fā)生復(fù)雜多變的化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)歷典型的水解—聚合—結(jié)晶—沉淀過程去除有機(jī)物。鋁系混凝劑主要是利用鋁鹽在水中的水解形成的不同形態(tài)的陽離子發(fā)生作用，利用陽離子的電中和作用、原位水解形態(tài)的架橋吸附作用以及網(wǎng)捕卷掃作用，使水體顆粒物失穩(wěn)聚集，最終沉降去除[4]。

堿度主要通過影響鋁鹽的水解而對(duì)混凝過程產(chǎn)生影響。王東升[5]等人通過研究給出了方程式（1）、（2）所示的鋁鹽水解過程：

不難看出，堿度是鋁鹽水解的重要影響因素。不同堿度條件下，鋁鹽水解生成各種羥基鋁形態(tài)，主要為低聚態(tài)鋁和不穩(wěn)定的高聚態(tài)鋁，這是一個(gè)快速反應(yīng)階段，受控于堿化的速度和堿液擴(kuò)散速度[5]。而這些不同的前體鋁形態(tài)決定了鋁鹽的最終轉(zhuǎn)化形態(tài)，若堿度過高，反應(yīng)（1）進(jìn)行的過快，鋁鹽將直接完成向Al（OH）3的轉(zhuǎn)變，混凝效果相對(duì)會(huì)較差?？刂品磻?yīng)的堿度，使反應(yīng)體系盡量均一化則可以使前體鋁形態(tài)向Al13、Al30等充分轉(zhuǎn)化，從而提高混凝效果[6]。

2.2 堿度對(duì)鋁鹽混凝劑混凝后殘留鋁的影響

由于鋁系混凝劑的加入，不可避免地會(huì)導(dǎo)致水中殘留鋁含量的升高。醫(yī)學(xué)專家指出，鋁可積蓄于人體腦細(xì)胞及神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)，其含量過高時(shí)會(huì)損害人的記憶，使人思維遲鈍，判斷能力衰退，甚至致神經(jīng)麻痹[7， 8]。1984年，世界衛(wèi)生組織指出，鋁與阿茨海默氏病之間有一定的聯(lián)系。當(dāng)鋁取代鈣進(jìn)入骨質(zhì)中，可引起骨質(zhì)軟化疏松變形。

堿度是影響飲用水中殘留鋁濃度的最主要因素之一。王志紅[9]等人的研究認(rèn)為堿度對(duì)鋁鹽的水解有重要的影響，研究表明pH值對(duì)余鋁的影響主要體現(xiàn)在影響pH值影響鋁鹽混凝劑的水解程度，從而影響混凝的效果;混凝劑水解形態(tài)不同，混凝后產(chǎn)生的絡(luò)合鋁與自由鋁的比例也會(huì)不相同，從而影響混凝劑的去除效果和凈化水中不同組分殘留鋁的含量[10]。堿度對(duì)水中殘留鋁濃度的影響主要是通過兩方面的作用實(shí)現(xiàn)的：一是堿度會(huì)影響鋁鹽混凝劑的水解形態(tài)，不同水解形態(tài)的鋁與有機(jī)物絡(luò)合能力不同;二是堿度可以直接影響有有機(jī)物與混凝劑的結(jié)合，不同pH條件下，水體中自由形態(tài)鋁與結(jié)合形態(tài)鋁的比例不同，從而造成出水中殘留鋁含量的不同[11， 12]。

3 堿度調(diào)節(jié)方式探討

通過上述討論可以看出堿度會(huì)影響鋁鹽的水解過程，甚至決定鋁鹽的最終水解形態(tài)，對(duì)混凝效果會(huì)產(chǎn)生重大影響。因此在混凝工藝中，堿度的調(diào)節(jié)對(duì)于混凝結(jié)果極為重要。堿度的調(diào)節(jié)方式主要有混凝工藝前調(diào)節(jié)堿度、與混凝工藝同步降低堿度以及在混凝工藝后降低堿度三種方式。筆者認(rèn)為與混凝工藝同步降低堿度的堿度調(diào)節(jié)方式較為合適，具體原因如下。

鋁鹽混凝劑水解時(shí)會(huì)降低堿度，因此一般在弱堿性條件下進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)。在混凝前調(diào)節(jié)堿度，雖然可以增強(qiáng)混凝效果，但也存在增加處理成本的問題，除了新增構(gòu)筑物或延長(zhǎng)攪拌時(shí)間的成本，此外，由于混凝過程中鋁鹽的水解也會(huì)消耗堿度[9]，在混凝前降低堿度會(huì)增大降堿度的費(fèi)用。若在混凝工藝后降低堿度，混凝效果必然會(huì)因?yàn)閴A度過高而變差，混凝劑投加量也必然會(huì)增大，出水質(zhì)量無法保證。此外，在混凝工藝后降堿度，不可避免地也要新增構(gòu)筑物或延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，增加處理成本的同時(shí)也無法保證混凝效果?；炷耐瑫r(shí)降低堿度，混凝前期較高堿度的情況下，鋁鹽水解成Al（OH）等凝膠氫氧化物沉淀，同時(shí)有利于高聚物的生成，這些生成的難溶凝膠氫氧化物主要通過網(wǎng)布卷掃的作用使膠體粘結(jié)從而產(chǎn)生沉淀分離的作用;隨著混凝的進(jìn)行與堿度的降低，鋁鹽水解會(huì)出現(xiàn)各種形態(tài)的中間產(chǎn)物，如Al13、Al30等，通過電性中和及壓縮雙電層的作用使膠體脫穩(wěn)去除[12]。混凝的同時(shí)降低堿度，有利于形成堿度梯度，從而生成不同的水解產(chǎn)物，通過不同的方式對(duì)膠體進(jìn)行脫穩(wěn)去除，相互耦合，混凝效果可能會(huì)更好，同時(shí)也不會(huì)存在因新增構(gòu)筑物或延長(zhǎng)攪拌時(shí)間而帶來的成本增加，此外，一定堿度的存在還有利于降低混凝后殘余鋁的含量。

4 結(jié)論

第一，對(duì)于鋁鹽混凝劑，堿度會(huì)影響鋁鹽的水解形態(tài)從而影響混凝效果，同時(shí)還會(huì)對(duì)殘余鋁含量造成影響;第二，從經(jīng)濟(jì)性、對(duì)混凝的影響等方面進(jìn)行分析，筆者認(rèn)為在混凝的同時(shí)降低堿度較為合適，但具體應(yīng)用還需進(jìn)行相應(yīng)的小試實(shí)驗(yàn)，以詳實(shí)的數(shù)據(jù)作為支撐。第三，對(duì)于其他類型的混凝劑，堿度對(duì)混凝的影響需要通過具體的混凝效果及混凝機(jī)理進(jìn)行分析，確定堿度的調(diào)節(jié)方式。

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