堿度對混凝效果影響及調節方式淺析

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節，對提高污水處理廠出水水質有重要意義。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，合理的堿度調節方式可以在提高混凝效果、減少出水余鋁的同時節省經濟成本，為實際的工程應用提供參考。

【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.

【關鍵詞】堿度;混凝;鋁鹽混凝劑

【Keywords】 alkalinity; coagulation; aluminum salt coagulant

【中圖分類號】X703? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）03-0176-02

1 引言

社會經濟在快速發展，環境惡化也愈加嚴重。水環境作為整個環境系統不可或缺的部分，其污染也尤為突出[1]。污水處理廠面臨著原水水質越來越差和出水水質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。混凝是提高出水水質的強有力手段，但是，中國北方水體具有較高的堿度，而且受工業污染較嚴重，傳統混凝工藝對有機物的去除效率較低。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，研究堿度對混凝的影響以及探析堿度調節方式設置對高堿度廢水的處理十分有利[2]。鋁系混凝劑作為應用最為廣泛的混凝劑之一，本研究以鋁鹽混凝劑為研究對象，對此問題進行探究。

2 堿度對鋁鹽混凝劑的影響

2.1 堿度對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試劑的元素，同時，鋁也是地殼中含量最多的金屬元素，鋁及其氧化物常被應用于各個方向的基礎性研究。其中，鋁溶液化學經歷了一個多世紀的發展，已成為一門涵蓋范圍非常廣的學科，包括電鍍、催化、環境、農藥、微生物、土壤科學等[3]。鋁是一種典型的兩性金屬，在不同的pH條件下，鋁離子會產生不同的水解形態，與污染物發生復雜多變的化學反應，經歷典型的水解—聚合—結晶—沉淀過程去除有機物。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的陽離子發生作用，利用陽離子的電中和作用、原位水解形態的架橋吸附作用以及網捕卷掃作用，使水體顆粒物失穩聚集，最終沉降去除[4]。

堿度主要通過影響鋁鹽的水解而對混凝過程產生影響。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，主要為低聚態鋁和不穩定的高聚態鋁，這是一個快速反應階段，受控于堿化的速度和堿液擴散速度[5]。而這些不同的前體鋁形態決定了鋁鹽的最終轉化形態，若堿度過高，反應（1）進行的過快，鋁鹽將直接完成向Al（OH）3的轉變，混凝效果相對會較差。控制反應的堿度，使反應體系盡量均一化則可以使前體鋁形態向Al13、Al30等充分轉化，從而提高混凝效果[6]。

2.2 堿度對鋁鹽混凝劑混凝后殘留鋁的影響

由于鋁系混凝劑的加入，不可避免地會導致水中殘留鋁含量的升高。醫學專家指出，鋁可積蓄于人體腦細胞及神經元細胞內，其含量過高時會損害人的記憶，使人思維遲鈍，判斷能力衰退，甚至致神經麻痹[7， 8]。1984年，世界衛生組織指出，鋁與阿茨海默氏病之間有一定的聯系。當鋁取代鈣進入骨質中，可引起骨質軟化疏松變形。

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]等人的研究認為堿度對鋁鹽的水解有重要的影響，研究表明pH值對余鋁的影響主要體現在影響pH值影響鋁鹽混凝劑的水解程度，從而影響混凝的效果;混凝劑水解形態不同，混凝后產生的絡合鋁與自由鋁的比例也會不相同，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]。堿度對水中殘留鋁濃度的影響主要是通過兩方面的作用實現的：一是堿度會影響鋁鹽混凝劑的水解形態，不同水解形態的鋁與有機物絡合能力不同;二是堿度可以直接影響有有機物與混凝劑的結合，不同pH條件下，水體中自由形態鋁與結合形態鋁的比例不同，從而造成出水中殘留鋁含量的不同[11， 12]。

3 堿度調節方式探討

通過上述討論可以看出堿度會影響鋁鹽的水解過程，甚至決定鋁鹽的最終水解形態，對混凝效果會產生重大影響。因此在混凝工藝中，堿度的調節對于混凝結果極為重要。堿度的調節方式主要有混凝工藝前調節堿度、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。筆者認為與混凝工藝同步降低堿度的堿度調節方式較為合適，具體原因如下。

鋁鹽混凝劑水解時會降低堿度，因此一般在弱堿性條件下進行混凝實驗。在混凝前調節堿度，雖然可以增強混凝效果，但也存在增加處理成本的問題，除了新增構筑物或延長攪拌時間的成本，此外，由于混凝過程中鋁鹽的水解也會消耗堿度[9]，在混凝前降低堿度會增大降堿度的費用。若在混凝工藝后降低堿度，混凝效果必然會因為堿度過高而變差，混凝劑投加量也必然會增大，出水質量無法保證。此外，在混凝工藝后降堿度，不可避免地也要新增構筑物或延長攪拌時間，增加處理成本的同時也無法保證混凝效果。混凝的同時降低堿度，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布卷掃的作用使膠體粘結從而產生沉淀分離的作用;隨著混凝的進行與堿度的降低，鋁鹽水解會出現各種形態的中間產物，如Al13、Al30等，通過電性中和及壓縮雙電層的作用使膠體脫穩去除[12]。混凝的同時降低堿度，有利于形成堿度梯度，從而生成不同的水解產物，通過不同的方式對膠體進行脫穩去除，相互耦合，混凝效果可能會更好，同時也不會存在因新增構筑物或延長攪拌時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 結論

第一，對于鋁鹽混凝劑，堿度會影響鋁鹽的水解形態從而影響混凝效果，同時還會對殘余鋁含量造成影響;第二，從經濟性、對混凝的影響等方面進行分析，筆者認為在混凝的同時降低堿度較為合適，但具體應用還需進行相應的小試實驗，以詳實的數據作為支撐。第三，對于其他類型的混凝劑，堿度對混凝的影響需要通過具體的混凝效果及混凝機理進行分析，確定堿度的調節方式。

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