经给水厂处理后的出厂水需要经过管网系统输送到用户, 达标的出厂水在长距离的管网输配过程中会发生复杂的物理、化学和生物变化, 这些变化直接影响用户端的水质^[1]。长距离管网输配过程中最易发生用户端龙头水浊度与色度的升高的水质恶化现象, 这是导致消费者投诉最多的水质问题^[2]。而混凝工艺作为饮用水常规处理工艺中不可或缺的环节, 可有效地去除原水中的浊度、细菌和部分有机物, 但同时会造成处理后水中混凝剂组分的残留。水处理过程中投加的铝盐或铁盐类混凝剂是出厂水残留颗粒物的组成部分, 并且残留的铝、铁即使在出厂水中是以溶解态存在的, 在输配过程中仍可继续水解聚合而不断析出, 并在管壁上沉淀、累积^[3,4]。

目前, 我国80%以上的给水厂在混凝工艺中使用铝盐混凝剂。铝盐混凝剂的使用所造成的饮用水残留铝对人体健康和生态系统的毒性效应目前已经引起人们的高度重视^[5], 人体过量摄入铝会引起老年性痴呆症、肾衰竭、心血管疾病等。崔福义等^[6]对我国40座城市饮用水水质的初步调查显示, 32.5%的城市饮用水中铝浓度超出国家标准限值, 以东北地区为甚;张玥等^[7]对我国北方和南方2个城市实际管道中的沉积物调查发现, 沉积物中铝的含量高达94 400μg/g (干重) ;Wang等^[8]对我国东北某城市管网铝形态的研究中发现, 悬浮颗粒铝占总铝的比例高达40%以上, 在水源切换时会导致悬浮颗粒态铝突发性释放。这些研究表明管网中存在较严重的铝沉积现象且在水质变化时沉积的铝会释放造成管网的二次污染。

本次调研选择较早实施城乡一体化供水且模式比较成熟的4个城市给水管网为研究对象, 在调查城乡一体化供水模式下农村用户端残留铝含量及存在形态基础上, 分析饮用水中铝的来源和超标的原因, 同时研究不同形态铝与浊度的相关性, 探讨残余铝随距离的变化规律, 最终提出保障供水水质安全的可行性建议。

此次调查主要在2017年5月～2018年4月间进行, 涉及中国东部地区GY、SY、YZ和YX等4个城市, 调研采集水源水、出厂水及用户端龙头水3类水样。采集的3种类型的水样总共239个, GY、SY、YZ和YX采集水样数分别为63、61、34和81个。农村人口居住较分散, 采样点的设置主要依据主管网及支管网分布特征。

根据《生活饮用水标准检验方法水样的采集和保存》对水样进行采样与保存, 测试水质指标包括pH、浊度、硬度、总有机碳 (TOC) 、氟化物等。水质指标按照《水和废水检测分析方法》 (第四版) 进行分析, pH和浊度在现场进行测定, 其余指标及铝形态的分析在实验室进行。

测定总铝和溶解铝含量前需要对水样进行预处理。原水样用浓硝酸调节pH=1.0, 消解24h, 用于测定总铝;原水样以0.22μm滤膜过滤, 用浓硝酸调节pH≤1.0, 消解24h, 用于测定溶解铝。依据《生活饮用水标准检验方法金属指标》中规定的电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 测定总铝与溶解铝含量。每个水样重复测试3次, 取平均值, 加标回收率控制在80%～120%。

本研究调研的4个地区集中式给水厂出厂水的主要水质参数见表1。

4个地区的农村用户端龙头水总铝浓度和浊度分布及达标情况如图1所示。由图1可知, GY、SY和YX 3地均不同程度的存在总铝超标 (标准限值为0.2mg/L) 。由表1可知, 上述3地出厂水的总铝均低于200μg/L, 因此在出厂水达标的情况下管网输配水过程中存在沉积铝释放的现象。其中SY采用平流沉淀池, 存在沉淀池、滤池老化等现象, 同时由于原水浊度 (60NTU) 较大, 该厂通过增加铝盐混凝剂用量来降低浊度, 使得出厂水残余铝浓度较高, 导致SY地区龙头水残余铝容易超标, 因此建议给水厂要严格控制铝盐投加量, 在水厂运行时, 确定最佳投加量时要兼顾余铝和余浊的情况。

GY和YX地区集中式供水厂出厂水总铝低于70μg/L, 用户端龙头水总铝在0～100μg/L的比例均高达77%以上, 总铝超标率分别为3%和1%。SY地区农村出厂水总铝在100μg/L以上, 用户端龙头水总铝在100～200μg/L的比例达到76%, 龙头水总铝超标率高达14%。因此可见, 在出厂水总铝超过100μg/L时, 用户端可能面临较高的残余铝超标风险。这一结论可为水厂运行提供重要的参考依据, 在实际应用中, 要重点关注超过100μg/L的出厂水残余铝浓度可能带来的风险。

GY和SY地区龙头水总铝超标的情况下浊度也出现了超标现象, 浊度超标率分别为18%和5%, 说明总铝和浊度有一定关系, 但并不是总铝超标率越高, 浊度超标率就越高, 需进一步分析龙头水中残余铝的主要存在形态。

为了明确龙头水中残余铝的超标原因及来源, 有必要对水源到龙头残余铝的存在形态进行分析。图2为4个地区的农村水源水、出厂水和龙头水铝形态分布情况, 由图2a可知, 4个地区的集中式给水厂进厂水源水中溶解铝在3～12μg/L, 平均为8μg/L, 颗粒铝在38～680μg/L, 平均为335μg/L。因此, 农村用户供水水源中铝主要以颗粒态形式存在, 这些颗粒铝主要以铝土矿 (Al₂O₃·nH₂O) 、长石 (KAlSi₃O₈) 、黏土 (H₂Al₂ (SiO₄) ₂·2H₂O) 等稳定的矿物形态存在, 不会转化为溶解态铝^[9], 并且颗粒态铝是较容易通过给水厂的常规处理工艺去除掉的。

由图2b可知, 4个地区集中式给水厂出厂水中溶解铝在20～107μg/L, 平均为53μg/L, 与进厂水源水相比, 各个给水厂出厂水溶解铝平均浓度由8μg/L增加到53μg/L, 溶解铝浓度明显增加。分析原因是调研的4个地区均使用聚合氯化铝为混凝剂, 出厂水中的溶解铝浓度的增加主要是由于铝盐混凝剂在水处理过程中的残留。4个地区的集中式供水厂出厂水中颗粒铝在11～69μg/L, 平均为32μg/L, 说明水源水中的颗粒铝基本被截留去除, 未被去除的颗粒铝被带入出厂水。

由图2c可知, 4个地区的农村用户端龙头水中颗粒铝在31～57μg/L, 溶解铝在25～112μg/L, 与出厂水对比, GY、SY和YX地区龙头水中的颗粒铝和溶解铝浓度都有增加, 导致农村用户端龙头水总铝浓度升高。龙头水颗粒铝的升高说明管网输配过程中存在沉积铝释放的现象。由图1可知, GY、SY和YX 3地农村龙头水均存在不同程度的总铝超标的情况, 且总铝超标率为4.8%。在出厂水达标的情况下, 超标的残余铝主要来源于管网沉积物中沉积铝的释放^[10]。因此, 由水源到龙头残余铝的形态解析可知, 饮用水中的残余铝主要来源于铝盐混凝剂在水处理过程中的残留和管网沉积物中沉积铝的释放。

同时, 不同地区农村用户端龙头水中残余铝形态存在差异性, GY和YZ农村用户端龙头水残余铝主要以颗粒态的形式存在, YX和SY农村用户端龙头水残余铝主要以溶解态形式存在。龙头水中铝和出厂水中铝的主要存在形态基本一致。YZ地区龙头水和出厂水中溶解铝的浓度基本不变, 与出厂水相比, 龙头水中颗粒铝浓度下降导致总铝浓度下降, 说明YZ地区管网输配过程存在颗粒铝沉积现象, 在特定条件下, 这些沉积铝会再次释放到饮用水中, 引起管网中铝的升高。

用户端龙头水浊度超标问题比较常见, 出厂水中的残余铝颗粒物以及溶解铝在进入管网后继续反应生成的颗粒物均会使水中的颗粒数和浓度增加^[11], 管网水浊度的变化与水中积聚的颗粒物质密切相关^[12,13]。因此, 浊度与铝浓度之间可能存在一定的关系, 分别对总铝、颗粒铝与浊度进行相关性研究, 结果如表2所示。

由表2可知:GY及SY两地中, 龙头水水样的总铝及颗粒铝均与浊度存在显著的正相关性 (P<0.01) , 在YX地区, 只有颗粒铝与浊度存在显著的正相关性 (P<0.01) , 这表明浊度在一定程度上反映了颗粒铝的含量^[14]。GY和SY地区龙头水总铝与浊度有显著相关性, 由图2可知, GY地区龙头水铝主要以颗粒铝为主, 总铝主要是由颗粒铝贡献, 而SY地区龙头水铝主要以溶解态为主, 总铝主要是由溶解铝贡献, 因此不能以总铝与浊度的相关性来确定铝的主要存在形态。YZ地区龙头水样中的总铝、颗粒铝均与浊度没有明显的相关性, 可能原因是YZ地区存在颗粒铝沉积现象, 同时实际的管网输配系统较复杂, 浊度是多种颗粒物共同作用的结果, 有待进一步深入研究。

GY地区龙头水残余铝浓度和浊度较高, 存在总铝与浊度超标的现象, 因此选取GY地区为研究对象, 重点分析GY农村用户端长距离输水条件下残余铝随输水距离变化规律。GY地区龙头水中的残余铝主要以颗粒态的形式存在 (颗粒态占总铝的比例为53%～84%) , 颗粒铝随距离的变化一定程度上反映残余铝随距离的变化, 因此重点分析颗粒铝随距离的变化。GY地区农村供水管网主要为枝状管网, 采样点分布情况见图3a。1号采样点为出厂水, 2号～12号采样点位于主管网, 13号～15号采样点位于支管网, 采样点随距离间隔设置, 2号和3号采样点在公路附近, 人口分布较稀疏, 采样点设置较少, 3～12号采样点人口分布较密, 采样点设置较多。

图3b和图3c为2条主要管网沿途采样龙头水颗粒铝的变化规律。可以看出2条管网采样点颗粒铝浓度均高于出厂水的颗粒铝浓度。2号点位于距离给水厂较近的区域, 由于水流速度快, 颗粒铝的沉积条件不佳, 铝的沉积和释放并不明显, 因此颗粒铝浓度均接近出厂水的水平。在主管网与支管网距离水厂较远的管线, 由于流量的减小, 水力条件较适宜颗粒铝的沉积, 而在检测时突然大量放水的条件下, 形成的水力扰动又会导致原本累积的颗粒铝重新释放到水体中, 因此出现了这些采样点的颗粒铝浓度超过甚至远高于出厂水的现象。主管网与支管网末端龙头水中颗粒铝浓度略高于出厂水, 低于管网线中部水样中残余铝的浓度, 推测原因可能是残余铝在管网输配过程中已逐渐沉积, 管网末端沉积现象有所缓解。主管网在距离给水厂较近及管网末端区域, 浊度集中在0.6NTU附近, 在管网线中部浊度明显增高, 与颗粒铝的变化趋势表现出正相关关系。支管网所取的3个点浊度和颗粒铝浓度变化不大。因此, GY地区农村用户端残余铝随输水距离呈现先逐渐升高再降低的规律, 残余铝易在输配水管网中部沉积, 沉积物在水力扰动下易发生释放现象。

本文针对城乡一体化供水模式下水源-出厂水-管网水中铝的存在状况调研发现, 出厂水总铝达标的情况下用户端残余铝仍有超标的风险。同时, 残余铝易在管网输配过程发生累积与释放现象。因此, 建议供水企业从以下几个方面采取措施, 以保障用户端铝的稳定达标:一方面加强水源水质保护, 从源头上减少污染, 降低给水厂处理对混凝剂的需求量;另一方面, 优化给水厂处理工艺, 提高混凝和过滤效果, 降低出厂水混凝剂残留。此外, 制定适合特定管网状况的运行维护措施 (如不同方式的管道冲洗) 也是必要的。

(1) 城乡一体化供水模式下, 4个地区农村出厂水残余铝均满足《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 的要求, 但农村用户端龙头水残余铝超标率仍可达4.8%。饮用水中残余铝主要来源于管网沉积物的释放与铝盐混凝剂的残留。所以, 给水厂应及时维护、更新处理工艺设备, 改进给水厂工艺, 降低出厂水中残余铝的浓度, 减少残余铝形成颗粒物并沉积的风险。

(2) 颗粒铝与浊度存在显著的相关性, 说明残余铝是龙头水浊度升高的一个重要因素。长距离供水易造成颗粒铝在管网输配过程的沉积, 并且在水力扰动下易发生释放现象, 引起龙头水总铝与浊度升高。建议加强对供水管网的维护工作, 提高对管网的冲洗频率, 减少管网沉积物的存量。