碱度对混凝效果影响及调节方式浅析

胡世义 王晓军

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】混凝是净水工艺的重要环节，对提高污水处理厂出水水质有重要意义。碱度是影响铝盐混凝剂混凝效果和出水余铝含量的重要因素，合理的碱度调节方式可以在提高混凝效果、减少出水余铝的同时节省经济成本，为实际的工程应用提供参考。

【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.

【关键词】碱度;混凝;铝盐混凝剂

【Keywords】 alkalinity; coagulation; aluminum salt coagulant

【中图分类号】X703                              【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）03-0176-02

1 引言

社会经济在快速发展，环境恶化也愈加严重。水环境作为整个环境系统不可或缺的部分，其污染也尤为突出[1]。污水处理厂面临着原水水质越来越差和出水水质要求越来越高的的矛盾，因此，污水处理厂急需提高污水处理能力及处理效率。混凝是提高出水水质的强有力手段，但是，中国北方水体具有较高的碱度，而且受工业污染较严重，传统混凝工艺对有机物的去除效率较低。在水处理过程中，碱度是影响混凝效果的重要因素之一，因此，研究碱度对混凝的影响以及探析碱度调节方式设置对高碱度废水的处理十分有利[2]。铝系混凝剂作为应用最为广泛的混凝剂之一，本研究以铝盐混凝剂为研究对象，对此问题进行探究。

2 碱度对铝盐混凝剂的影响

2.1 碱度对铝盐混凝剂混凝效果的影响

铝是一种被广泛用于制备各种工程材料和化学试剂的元素，同时，铝也是地壳中含量最多的金属元素，铝及其氧化物常被应用于各个方向的基础性研究。其中，铝溶液化学经历了一个多世纪的发展，已成为一门涵盖范围非常广的学科，包括电镀、催化、环境、农药、微生物、土壤科学等[3]。铝是一种典型的两性金属，在不同的pH条件下，铝离子会产生不同的水解形态，与污染物发生复杂多变的化学反应，经历典型的水解—聚合—结晶—沉淀过程去除有机物。铝系混凝剂主要是利用铝盐在水中的水解形成的不同形态的阳离子发生作用，利用阳离子的电中和作用、原位水解形态的架桥吸附作用以及网捕卷扫作用，使水体颗粒物失稳聚集，最终沉降去除[4]。

碱度主要通过影响铝盐的水解而对混凝过程产生影响。王东升[5]等人通过研究给出了方程式（1）、（2）所示的铝盐水解过程：

不难看出，碱度是铝盐水解的重要影响因素。不同碱度条件下，铝盐水解生成各种羟基铝形态，主要为低聚态铝和不稳定的高聚态铝，这是一个快速反应阶段，受控于碱化的速度和碱液扩散速度[5]。而这些不同的前体铝形态决定了铝盐的最终转化形态，若碱度过高，反应（1）进行的过快，铝盐将直接完成向Al（OH）3的转变，混凝效果相对会较差。控制反应的碱度，使反应体系尽量均一化则可以使前体铝形态向Al13、Al30等充分转化，从而提高混凝效果[6]。

2.2 碱度对铝盐混凝剂混凝后残留铝的影响

由于铝系混凝剂的加入，不可避免地会导致水中残留铝含量的升高。医学专家指出，铝可积蓄于人体脑细胞及神经元细胞内，其含量过高时会损害人的记忆，使人思维迟钝，判断能力衰退，甚至致神经麻痹[7， 8]。1984年，世界衛生组织指出，铝与阿茨海默氏病之间有一定的联系。当铝取代钙进入骨质中，可引起骨质软化疏松变形。

碱度是影响饮用水中残留铝浓度的最主要因素之一。王志红[9]等人的研究认为碱度对铝盐的水解有重要的影响，研究表明pH值对余铝的影响主要体现在影响pH值影响铝盐混凝剂的水解程度，从而影响混凝的效果;混凝剂水解形态不同，混凝后产生的络合铝与自由铝的比例也会不相同，从而影响混凝剂的去除效果和净化水中不同组分残留铝的含量[10]。碱度对水中残留铝浓度的影响主要是通过两方面的作用实现的：一是碱度会影响铝盐混凝剂的水解形态，不同水解形态的铝与有机物络合能力不同;二是碱度可以直接影响有有机物与混凝剂的结合，不同pH条件下，水体中自由形态铝与结合形态铝的比例不同，从而造成出水中残留铝含量的不同[11， 12]。

3 碱度调节方式探讨

通过上述讨论可以看出碱度会影响铝盐的水解过程，甚至决定铝盐的最终水解形态，对混凝效果会产生重大影响。因此在混凝工艺中，碱度的调节对于混凝结果极为重要。碱度的调节方式主要有混凝工艺前调节碱度、与混凝工艺同步降低碱度以及在混凝工艺后降低碱度三种方式。笔者认为与混凝工艺同步降低碱度的碱度调节方式较为合适，具体原因如下。

铝盐混凝剂水解时会降低碱度，因此一般在弱碱性条件下进行混凝实验。在混凝前调节碱度，虽然可以增强混凝效果，但也存在增加处理成本的问题，除了新增构筑物或延长搅拌时间的成本，此外，由于混凝过程中铝盐的水解也会消耗碱度[9]，在混凝前降低碱度会增大降碱度的费用。若在混凝工艺后降低碱度，混凝效果必然会因为碱度过高而变差，混凝剂投加量也必然会增大，出水质量无法保证。此外，在混凝工艺后降碱度，不可避免地也要新增构筑物或延长搅拌时间，增加处理成本的同时也无法保证混凝效果。混凝的同时降低碱度，混凝前期较高碱度的情况下，铝盐水解成Al（OH）等凝胶氢氧化物沉淀，同时有利于高聚物的生成，这些生成的难溶凝胶氢氧化物主要通过网布卷扫的作用使胶体粘结从而产生沉淀分离的作用;随着混凝的进行与碱度的降低，铝盐水解会出现各种形态的中间产物，如Al13、Al30等，通过电性中和及压缩双电层的作用使胶体脱稳去除[12]。混凝的同时降低碱度，有利于形成碱度梯度，从而生成不同的水解产物，通过不同的方式对胶体进行脱稳去除，相互耦合，混凝效果可能会更好，同时也不会存在因新增构筑物或延长搅拌时间而带来的成本增加，此外，一定碱度的存在还有利于降低混凝后残余铝的含量。

4 结论

第一，对于铝盐混凝剂，碱度会影响铝盐的水解形态从而影响混凝效果，同时还会对残余铝含量造成影响;第二，从经济性、对混凝的影响等方面进行分析，笔者认为在混凝的同时降低碱度较为合适，但具体应用还需进行相应的小试实验，以详实的数据作为支撑。第三，对于其他类型的混凝剂，碱度对混凝的影响需要通过具体的混凝效果及混凝机理进行分析，确定碱度的调节方式。

【参考文献】

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【4】Jina S， Pengkang J， Xin J， et al. Synergistic effects of various in situ hydrolyzed aluminum species for the removal of humic acid.[J]. Water research， 2019（1）：48.

【5】王东升，安广宇，刘丽冰，等.Al_（13）的分子学及其在环境工程中的应用[J].环境工程学报，2018，12（06）：1565-1584.

【6】雷国元，徐桂芹，马军.聚合氯化铝铁的形态分布对微污染源水混凝效果的影响[J].环境污染与防治，2007（08）：565-570.

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【9】王志红崔福义.自来水中残余铝去除的影响因素[J].工业用水与废水，2003（02）：15-17.

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【11】Sivaiah M V， Petit S， Brendlé J， et al. Rapid synthesis of aluminium polycations by microwave assisted hydrolysis of aluminium via decomposition of urea and preparation of Al-pillared montmorillonite[J]. Applied Clay Science， 2009，48（1）：256.

【12】宋吉娜.腐殖酸質子化基团与铝离子在水中的迁变及凝聚行为表征[D].西安：西安建筑科技大学，2018.