饮用水铝安全问题概述

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中图分类号：P641.8文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

1.1 课题背景与意义

饮水安全对居民的生产和生活具有重要影响，近年来各类突发性水污染事件频频发生。因此，建立合理有效的防御体系，已成为世界各国共同关注的问题。

在1968年，美国自来水厂协会已经意识到管网水中的残铝问题并给出了相应的控制参考浓度为0.05mg/L邓慧萍. 对饮用水中剩余铝问题的研究和探讨[J]. 净水技术, 1995, 54(4): 11-14.]]。我国“生活饮用水水质标准”(GB/T5749-2006)规定饮用水中总铝浓度不得超过0.2mg/L。

在饮用水处理过程中，投加铝盐类混凝剂是饮用水中含铝的主要原因。同时，随着环境酸化现象的日趋严重，饮用水水源中的总铝浓度不断升高，也将造成出厂水总铝含量的大幅上升其中，东北地区饮用水铝浓度普遍偏高，超标率在90%以上；其他地区的铝含量则相对较低，超标率在15 %左右。2008年，课题组对东北某市两个采用铝盐混凝剂的水厂进行了为期10个月的调查，发现除了个别月份外，两水厂出厂水的总铝含量均高于0.2mg/L。我国部分城市饮用水残铝浓度调查结果如表1.1所示[4]。

表1.1 我国部分城市饮用水中铝含量调查

Perl等研究表明Al有很高的神经毒害作用，能够造成急性神经器官损伤，Deloncle等发现随着生理衰老的进程，大脑中铝浓度会持续增加，Guo C等通过动物实验还发现铝还具有遗传学毒性。除了与人体健康有关外，饮用水中铝含量过高还将对水质和管网的输配水能力产生不利影响[3]。管网中的含铝沉积物作为各种污染物的庞大储库，水力和水质条件的变化将引起污染物的突发性释放，进而导致供水水质二次污染现象的发生。

目前，饮用水出水残铝的问题已经引起了普遍的重视，并得到了深入的研究。人们采取了许多措施来降低残余铝，但目前我国饮用水中铝超标的现象仍较严重。因此，研究供水系统中铝的影响因素和控制措施，保障饮水安全具有重要的现实意义。

1.2 饮用水中铝的性质、来源与危害

1.2.1铝的化合物及其性质

铝是一种自然界中普遍存在的元素，但在天然水体中的含量一般不超过100 μg/L[1]，且铝的主要存在形式为水合离子态、水解聚合态、与各种配位体的结合态、以胶体等形式存在于水体中的黏土颗粒以及通过吸附等形式结合在胶体或颗粒上的铝离子。虽然环境中的铝含量很高，但是天然水体中可直接参与化学反应或被生物利用的溶解态铝含量则很低，铝在环境中的迁移转化特性如图1.1所示

图1.1 铝在环境中的迁移转化特性

影响铝溶解度的因素有很多，包括pH、温度、氟化物、硫酸盐、磷酸盐、天然有机物(NOM) 。25℃时，非晶态[Al(OH)3]和晶态氢氧化铝的溶解度如表1.2所示。单核铝的主要形式有铝离子[Al3+,Al(OH)2+]，铝酸盐[Al(OH)4-]，铝的水化学反应主要是高价金属离子在水中发生的水解反应，最终生成Al(OH)3沉淀。Al(III)水解产物中的单体态有Al3+，Al(OH)2+，Al(OH)2+，Al(OH)4-，聚合物态有：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，此外还有[Al(OH)3]n氢氧化铝溶胶或沉淀。

表1.2 铝溶解度的平衡方程和常量值

1.2.2饮用水中铝的来源

造成饮用水中铝超标的原因很多，大多数研究者将其原因归于在混凝沉淀过程中使用了铝盐混凝剂，但也有研究者认为合理使用铝盐混凝剂不但不会引入铝，而且还具有一定的除铝作用。同时，随着环境酸化现象的日趋严重，饮用水水源中的总铝浓度不断升高，也将造成出厂水总铝含量的大幅上升[1,4]。

铝盐作为混凝剂广泛的应用于饮用水处理。在水处理过程中，混凝剂能够与悬浮颗粒碰撞产生絮体。虽然混凝剂的使用能有效的去除浊度，但铝盐混凝剂会提高处理出水中的残铝含量。Driscoll和Letterman的研究表明投加的铝超过11%会残留于出水中。Kopp对380个水厂的调查结果表明处理出水的总铝浓度为0.003~1.6 mg/L，Zimmerman的调查结果为0.014~2.670 mg/L。中国、美国以及欧洲的调查均表明使用铝盐混凝剂的水厂处理出水中铝含量明显偏高

1.2.3饮用水中铝的危害

(1) 铝的生物毒性

饮用水中铝含量过高将对居民的身体健康产生不利影响。有关人类健康的研究表明，目前人类疾病的主要根源之一仍是由于非安全饮水造成的20世纪70年代以来，铝的生物毒性逐渐引起人们的重视 张本忠, 屈卫东, 吴德生. 铝盐在水溶液中的水解和聚合反应对铝致大鼠发育毒性的影响[J]. 环境与健康杂志, 铝对脑组织中脂质过氧化的促进作用是铝作为慢性蓄积性神经毒素发挥其致毒作用的重要机制。铝也能直接损害成骨细胞的活性，从而抑制骨的基质合成。同时，消化系统对铝的吸收将导致尿钙排泄量的增加及人体内含钙量的不足[3]。同时研究表明，铝对人体健康的影响也与铝的形态有关系。铝的无机配合物中单核铝(如Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2+)是致毒形态，而聚合(羟基)铝可能是无毒或低毒的。然而现有研究缺乏相应的形态分析方法，对饮用水中铝形态的变化规律缺少系统研究。

(2) 输配水系统中铝的影响

除了与人体健康有关外，饮用水中铝含量过高还将对水质和管网的输配水能力产生不利影响。管网中的含铝沉积物作为各种污染物的庞大储库，水力和水质条件的变化将引起污染物的突发性释放，进而导致供水水质二次污染现象的发生。Cooper等发现由于含铝沉积物的存在使得伦敦市的供水系统在使用5年后便出现输水能力大幅下降现象，其中C因子不足新管的60%。Mcginn等通过对比沉积物出现前后管道沿线的水头损失变化发现，额外的水头损失在整个管段中是均匀分布的，且铝在沉积物中的含量高达80%~90%。由于技术和生产实践方面的原因，铝盐混凝剂的使用在短时间内不会改变；因此，如何减少铝盐混凝剂在饮用水中的残留，已成为亟待解决的问题。

1.3 饮用水铝控制措施研究现状

1.3.1分析方法研究现状

由于饮用水中铝含量较低，常规分析方法无法对其准确定量。目前使用较多的测定方法有分光光度法、无火焰原子吸收分光光度法(ET-AAS)、电化学法、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES) 、离子交换色谱法(IEC)、反相高效液相色谱法(RP-HPLC)等。其中，分光光度法具有仪器价廉、操作简单、快速等优点，但是试剂配制繁琐，缓冲液的配制麻烦，而且稳定性欠佳，寻找新显色剂、筛选表面活性剂与之形成多元配合物，从而建立新的铝光度分析体系是当前的研究热点。潘心红等探讨用铍试剂Ⅲ分光光度法测定水中铝的含量，线性范围为0～0.02 mg/L，回收率为80.0%～96.0%，具有良好的准确度、重现性，操作简便、灵敏度高，适合水中铝含量的测定。