水力論文發(fā)表飲用水鋁安全問題概述

　　1.1 課題背景與意義

　　飲水安全對(duì)居民的生產(chǎn)和生活具有重要影響，近年來各類突發(fā)性水污染事件頻頻發(fā)生。因此，建立合理有效的防御體系，已成為世界各國共同關(guān)注的問題。

　　在1968年，美國自來水廠協(xié)會(huì)已經(jīng)意識(shí)到管網(wǎng)水中的殘鋁問題并給出了相應(yīng)的控制參考濃度為0.05mg/L[[1]]。許多國家和組織制定了飲用水中鋁的限制指標(biāo)，我國也明確規(guī)定飲用水中鋁含量不得高于0.2mg/L[[2],[3]]。我國“生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”(GB/T5749-2006)規(guī)定飲用水中總鋁濃度不得超過0.2mg/L。

　　在飲用水處理過程中，投加鋁鹽類混凝劑是飲用水中含鋁的主要原因。同時(shí)，隨著環(huán)境酸化現(xiàn)象的日趨嚴(yán)重，飲用水水源中的總鋁濃度不斷升高，也將造成出廠水總鋁含量的大幅上升[[4],[5]]。通過對(duì)我國40個(gè)城市飲用水水質(zhì)的調(diào)查結(jié)果表明，有32.5%的城市飲用水中總鋁含量存在超標(biāo)現(xiàn)象[[6]];其中，東北地區(qū)飲用水鋁濃度普遍偏高，超標(biāo)率在90%以上;其他地區(qū)的鋁含量則相對(duì)較低，超標(biāo)率在15 %左右。2008年，課題組對(duì)東北某市兩個(gè)采用鋁鹽混凝劑的水廠進(jìn)行了為期10個(gè)月的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)除了個(gè)別月份外，兩水廠出廠水的總鋁含量均高于0.2mg/L。我國部分城市飲用水殘鋁濃度調(diào)查結(jié)果如表1.1所示[4]。

　　Perl等研究表明Al有很高的神經(jīng)毒害作用，能夠造成急性神經(jīng)器官損傷[[7],[8]，[9]]，Deloncle等發(fā)現(xiàn)隨著生理衰老的進(jìn)程，大腦中鋁濃度會(huì)持續(xù)增加[[10]]，Guo C等通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)鋁還具有遺傳學(xué)毒性[[11]]。除了與人體健康有關(guān)外，飲用水中鋁含量過高還將對(duì)水質(zhì)和管網(wǎng)的輸配水能力產(chǎn)生不利影響[3]。管網(wǎng)中的含鋁沉積物作為各種污染物的龐大儲(chǔ)庫，水力和水質(zhì)條件的變化將引起污染物的突發(fā)性釋放，進(jìn)而導(dǎo)致供水水質(zhì)二次污染現(xiàn)象的發(fā)生。

　　目前，飲用水出水殘鋁的問題已經(jīng)引起了普遍的重視，并得到了深入的研究。人們采取了許多措施來降低殘余鋁，但目前我國飲用水中鋁超標(biāo)的現(xiàn)象仍較嚴(yán)重。因此，研究供水系統(tǒng)中鋁的影響因素和控制措施，保障飲水安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　1.2 飲用水中鋁的性質(zhì)、來源與危害

　　1.2.1鋁的化合物及其性質(zhì)

　　鋁是一種自然界中普遍存在的元素，但在天然水體中的含量一般不超過100 μg/L[1]，且鋁的主要存在形式為水合離子態(tài)、水解聚合態(tài)、與各種配位體的結(jié)合態(tài)、以膠體等形式存在于水體中的黏土顆粒以及通過吸附等形式結(jié)合在膠體或顆粒上的鋁離子[1,[12]]。雖然環(huán)境中的鋁含量很高，但是天然水體中可直接參與化學(xué)反應(yīng)或被生物利用的溶解態(tài)鋁含量則很低，鋁在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化特性如圖1.1所示[[13]]。

　　影響鋁溶解度的因素有很多，包括pH、溫度、氟化物、硫酸鹽、磷酸鹽、天然有機(jī)物(NOM) [[14]]。25℃時(shí)，非晶態(tài)[Al(OH)3]和晶態(tài)氫氧化鋁的溶解度如表1.2所示。單核鋁的主要形式有鋁離子[Al3+,Al(OH)2+]，鋁酸鹽[Al(OH)4-]，鋁的水化學(xué)反應(yīng)主要是高價(jià)金屬離子在水中發(fā)生的水解反應(yīng)，最終生成Al(OH)3沉淀。Al(III)水解產(chǎn)物中的單體態(tài)有Al3+，Al(OH)2+，Al(OH)2+，Al(OH)4-，聚合物態(tài)有：Al2(OH)42+、Al2(OH)24+、Al3(OH)45+、Al3(OH)8+、Al4(OH)84+、Al6(OH)153+、Al7(OH)165+、Al8(OH)204+、Al10(OH)264+、Al13(OH)327+及Al13O4(OH)247+等等[[15]]，此外還有[Al(OH)3]n氫氧化鋁溶膠或沉淀。

　　1.2.2飲用水中鋁的來源

　　造成飲用水中鋁超標(biāo)的原因很多，大多數(shù)研究者將其原因歸于在混凝沉淀過程中使用了鋁鹽混凝劑，但也有研究者認(rèn)為合理使用鋁鹽混凝劑不但不會(huì)引入鋁，而且還具有一定的除鋁作用。同時(shí)，隨著環(huán)境酸化現(xiàn)象的日趨嚴(yán)重，飲用水水源中的總鋁濃度不斷升高，也將造成出廠水總鋁含量的大幅上升[1,4]。

　　鋁鹽作為混凝劑廣泛的應(yīng)用于飲用水處理。在水處理過程中，混凝劑能夠與懸浮顆粒碰撞產(chǎn)生絮體。雖然混凝劑的使用能有效的去除濁度，但鋁鹽混凝劑會(huì)提高處理出水中的殘鋁含量。Driscoll和Letterman的研究表明投加的鋁超過11%會(huì)殘留于出水中[[16]]。Kopp對(duì)380個(gè)水廠的調(diào)查結(jié)果表明處理出水的總鋁濃度為0.003~1.6 mg/L[[17]]，Zimmerman的調(diào)查結(jié)果為0.014~2.670 mg/L[[18]]。中國、美國以及歐洲的調(diào)查均表明使用鋁鹽混凝劑的水廠處理出水中鋁含量明顯偏高[1,4,[19],[20]]。

　　1.2.3飲用水中鋁的危害

　　(1) 鋁的生物毒性

　　飲用水中鋁含量過高將對(duì)居民的身體健康產(chǎn)生不利影響。有關(guān)人類健康的研究表明，目前人類疾病的主要根源之一仍是由于非安全飲水造成的[[21],[22]]。20世紀(jì)70年代以來，鋁的生物毒性逐漸引起人們的重視[[23],[24],[25],[26]]。鋁對(duì)腦組織中脂質(zhì)過氧化的促進(jìn)作用是鋁作為慢性蓄積性神經(jīng)毒素發(fā)揮其致毒作用的重要機(jī)制[[27]]。鋁也能直接損害成骨細(xì)胞的活性，從而抑制骨的基質(zhì)合成。同時(shí)，消化系統(tǒng)對(duì)鋁的吸收將導(dǎo)致尿鈣排泄量的增加及人體內(nèi)含鈣量的不足[3]。同時(shí)研究表明，鋁對(duì)人體健康的影響也與鋁的形態(tài)有關(guān)系。鋁的無機(jī)配合物中單核鋁(如Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2+)是致毒形態(tài)，而聚合(羥基)鋁可能是無毒或低毒的[[28]]。然而現(xiàn)有研究缺乏相應(yīng)的形態(tài)分析方法，對(duì)飲用水中鋁形態(tài)的變化規(guī)律缺少系統(tǒng)研究。

　　(2) 輸配水系統(tǒng)中鋁的影響

　　除了與人體健康有關(guān)外，飲用水中鋁含量過高還將對(duì)水質(zhì)和管網(wǎng)的輸配水能力產(chǎn)生不利影響。管網(wǎng)中的含鋁沉積物作為各種污染物的龐大儲(chǔ)庫，水力和水質(zhì)條件的變化將引起污染物的突發(fā)性釋放，進(jìn)而導(dǎo)致供水水質(zhì)二次污染現(xiàn)象的發(fā)生。Cooper等發(fā)現(xiàn)由于含鋁沉積物的存在使得倫敦市的供水系統(tǒng)在使用5年后便出現(xiàn)輸水能力大幅下降現(xiàn)象，其中C因子不足新管的60%[[29]]。Mcginn等通過對(duì)比沉積物出現(xiàn)前后管道沿線的水頭損失變化發(fā)現(xiàn)，額外的水頭損失在整個(gè)管段中是均勻分布的，且鋁在沉積物中的含量高達(dá)80%~90%[[30]]。由于技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐方面的原因，鋁鹽混凝劑的使用在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變;因此，如何減少鋁鹽混凝劑在飲用水中的殘留，已成為亟待解決的問題。

　　1.3 飲用水鋁控制措施研究現(xiàn)狀

　　1.3.1分析方法研究現(xiàn)狀

　　由于飲用水中鋁含量較低，常規(guī)分析方法無法對(duì)其準(zhǔn)確定量。目前使用較多的測(cè)定方法有分光光度法、無火焰原子吸收分光光度法(ET-AAS)、電化學(xué)法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES) 、離子交換色譜法(IEC)、反相高效液相色譜法(RP-HPLC)等[[31]]。其中，分光光度法具有儀器價(jià)廉、操作簡單、快速等優(yōu)點(diǎn)，但是試劑配制繁瑣，緩沖液的配制麻煩，而且穩(wěn)定性欠佳，尋找新顯色劑、篩選表面活性劑與之形成多元配合物，從而建立新的鋁光度分析體系是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。潘心紅等探討用鈹試劑Ⅲ分光光度法測(cè)定水中鋁的含量，線性范圍為0～0.02 mg/L，回收率為80.0%～96.0%，具有良好的準(zhǔn)確度、重現(xiàn)性，操作簡便、靈敏度高，適合水中鋁含量的測(cè)定[[32]]。張加玲等采用鉻天青S 配以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，與A13+形成藍(lán)色穩(wěn)定多元膠束配合物，使測(cè)定的靈敏度得到較大提高[[33],[34]]。

　　微量鋁的測(cè)定大多仍然以分光光度法和無火焰原子吸收分光光度法為主要的檢測(cè)手段，主要測(cè)定水中的總鋁。對(duì)造成人體危害的不同形態(tài)的鋁的測(cè)定工作，由于受儀器設(shè)備條件限制尚難以開展。Al-Ferron逐時(shí)絡(luò)合比色法是研究聚合鋁溶液中鋁的形態(tài)分布及其轉(zhuǎn)化規(guī)律的基本方法。但在具體操作過程中，由于單核鋁Ala、聚合鋁Alb和凝膠鋁Alc三種鋁形態(tài)時(shí)間界限劃分的隨意性和武斷性，使得許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以重復(fù)[[35],[36]]。有效的分離方法和檢測(cè)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合是形態(tài)分析的關(guān)鍵，聯(lián)用技術(shù)是形態(tài)分析發(fā)展的方向。因此，需要開發(fā)更適合基層實(shí)際操作的檢驗(yàn)方法，建立更快速、準(zhǔn)確和簡便測(cè)定鋁含量和形態(tài)的檢測(cè)方法。

　　1.3.2飲用水中鋁控制措施研究現(xiàn)狀

　　Goold通過試驗(yàn)提出了用鐵鹽混凝劑或高分子混凝劑來取代鋁鹽混凝劑以降低出水殘鋁的觀點(diǎn)[[37]]。為了降低鋁含量，Letterman和Driscoll建議在混凝-沉淀過程中將溶液的pH控制在6.5-7.0之間，并取得了良好的控制效果[1];然而，Pommerenk等的研究結(jié)果表明，當(dāng)原水中氟離子含量較高時(shí)，即便在上述pH范圍內(nèi)出廠水中的殘鋁含量仍存在超標(biāo)的可能[26]。同時(shí)，在偏酸性環(huán)境中，腐殖酸、富里酸等溶解性有機(jī)物與鋁有較強(qiáng)的結(jié)合能力，使其在水中的溶解性大幅上升。因此，對(duì)于污染程度日趨嚴(yán)重的各種水源水體，單靠調(diào)節(jié)溶液pH值已很難達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。Frommell等的研究表明，在混凝處理過程中，通過向溶液中投加磷酸鹽可有效地提高含鋁沉淀的沉降速率，防止過飽和現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而降低出廠水中的殘鋁含量[[38]]。目前，這一控制措施已經(jīng)得到美國環(huán)保署的認(rèn)可，具體的控制方案仍在進(jìn)一步的研究中。然而，當(dāng)溶液pH>7.0時(shí)，磷酸鹽對(duì)殘鋁的控制效果將顯著下降，這主要與二者的反應(yīng)特點(diǎn)有關(guān)[[39]]。此外，由于活性硅酸可有效地提高混凝效果，多數(shù)研究者認(rèn)為混凝過程中活性硅酸的使用將有利于降低出廠水中的殘鋁含量，但對(duì)其作用機(jī)理仍缺乏系統(tǒng)研究。同時(shí)在中性或偏酸性環(huán)境中，硅酸與溶液中的鋁離子發(fā)生配合反應(yīng)生成溶解性硅鋁酸鹽，使得鋁的生物毒性大大降低[[40]]。劉睿倩等對(duì)新型混凝劑處理后的水樣殘余鋁含量進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚合硅酸鋁鐵(PAFSC)和聚硅氯化鋁(PASC)處理水后的水樣具有更低的殘余鋁含量[[41]]。有研究都對(duì)聚硅硫酸鋁(PASS)的混凝性能與其對(duì)水中殘留鋁的影響進(jìn)行了研究，處理后水中殘鋁量與余濁有較大關(guān)系，低濁時(shí)殘鋁量與所用混凝劑有關(guān)[[42]]。

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