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一、引言

新疆地區(qū)擁有豐富的陶瓷原料資源，近年來瓷器制造業(yè)逐漸興起并發(fā)展成為當?shù)刂匾漠a(chǎn)業(yè)之一。然而，瓷器制造過程中會產(chǎn)生大量的污水廢水，其中含有多種重金屬離子，如鉛、鎘、鉻等。這些重金屬離子若未經(jīng)有效處理直接排放，將對周邊土壤、水體環(huán)境造成嚴重污染，并通過食物鏈富集危害人類健康與生態(tài)安全。因此，尋求一種高效、經(jīng)濟且適合新疆地區(qū)特點的污水廢水處理方法迫在眉睫。聚合氯化鋁作為一種常用的無機高分子絮凝劑，具有絮凝效果好、適用范圍廣、成本低等優(yōu)點，在污水處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。探索其在新疆地區(qū)瓷器制造污水廢水處理重金屬離子方面的應(yīng)用，對于解決當?shù)毓I(yè)污染問題具有重要的現(xiàn)實意義。

二、新疆地區(qū)瓷器制造業(yè)污水廢水特點與重金屬污染現(xiàn)狀

新疆地區(qū)的瓷器制造工藝涵蓋了原料開采、粉碎、成型、燒制等多個環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量含有泥沙、黏土顆粒、有機物以及重金屬離子的污水廢水。由于新疆地區(qū)氣候干燥，水資源相對匱乏，使得污水廢水的排放處理面臨更大壓力。這些污水廢水中的重金屬離子主要來源于陶瓷原料本身所含的微量重金屬元素以及在燒制過程中添加的顏料、助劑等。例如，一些陶瓷顏料中可能含有鉛、鎘等重金屬，在高溫?zé)七^程中部分重金屬會揮發(fā)并隨廢氣排放，同時也有部分進入污水廢水體系。此外，陶瓷設(shè)備的腐蝕也會帶入少量重金屬離子。據(jù)統(tǒng)計，新疆部分地區(qū)瓷器制造企業(yè)排放的污水廢水中重金屬離子濃度超標，嚴重威脅了當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境。

三、聚合氯化鋁的基本特性與作用原理

聚合氯化鋁（PAC）是一種無機高分子混凝劑，其化學(xué)式為[Al?(OH)?Cl???]?，其中 n 代表聚合程度，m 表示聚合度。它具有以下特性：一是水解速度快，形成的礬花大而密實，沉降性能好，能夠有效降低水中懸浮物含量；二是適應(yīng)性強，對不同水質(zhì)的污水都有較好的處理效果，尤其是在處理高濁度、高色度以及含有一定量重金屬離子的污水時表現(xiàn)出色；三是成本相對較低，生產(chǎn)工藝簡單，易于儲存和運輸。

在處理瓷器制造污水廢水中的重金屬離子時，聚合氯化鋁的作用原理主要包括以下幾個方面：首先，PAC 在水中會發(fā)生水解反應(yīng)生成一系列氫氧化鋁聚合物和羥基配合物。這些水解產(chǎn)物帶有正電荷，能夠與污水中帶負電荷的重金屬離子發(fā)生電中和作用，降低重金屬離子的電位，使其穩(wěn)定性下降，從而更易于形成沉淀。其次，PAC 的水解產(chǎn)物還可以作為吸附核心，將水中的重金屬離子吸附在其表面，通過絡(luò)合反應(yīng)形成穩(wěn)定的復(fù)合物沉淀。例如，鋁的羥基配合物可以與鉛離子形成鉛鋁羥基配合物沉淀，與鎘離子形成鎘鋁羥基配合物沉淀等，從而實現(xiàn)對重金屬離子的去除。

四、實驗研究

（一）實驗材料與儀器

1. 實驗材料：采集新疆某瓷器制造企業(yè)的污水廢水樣品，經(jīng)過濾去除大顆粒雜質(zhì)后備用。聚合氯化鋁（工業(yè)級，純度≥95%），重金屬離子標準溶液（鉛、鎘、鉻等），氫氧化鈉、鹽酸等酸堿調(diào)節(jié)試劑（均為分析純）。

2. 實驗儀器：電子天平（精度 0.0001g）、pH 計、磁力攪拌器、六聯(lián)電動攪拌器、離心機、原子吸收光譜儀、紫外可見分光光度計等。

（二）實驗方法

1. 單一因素實驗

- 投加量實驗：設(shè)置不同的聚合氯化鋁投加量（0 - 100mg/L），在其他條件相同（pH 值約為 7、攪拌時間 10min 等）的情況下，向一定體積的污水廢水樣品中加入 PAC 溶液，攪拌均勻后靜置沉淀，取上清液用原子吸收光譜儀測定重金屬離子濃度，計算去除率，確定最佳投加量范圍。

- pH 值實驗：調(diào)節(jié)污水廢水樣品的 pH 值在 3 - 10 之間，固定聚合氯化鋁投加量為上述實驗確定的最佳值，進行絮凝沉淀實驗，測定不同 pH 值下重金屬離子的去除率，找出適宜的 pH 值范圍。

- 攪拌時間實驗：在固定 PAC 投加量和 pH 值的條件下，改變攪拌時間（0 - 30min），觀察絮凝沉淀效果，測定重金屬離子去除率，確定最佳攪拌時間。

2. 正交實驗：根據(jù)單一因素實驗結(jié)果，選取投加量、pH 值、攪拌時間三個因素，每個因素選取三個水平，進行正交實驗設(shè)計。通過正交實驗進一步優(yōu)化聚合氯化鋁處理瓷器制造污水廢水中重金屬離子的工藝參數(shù)組合，分析各因素對重金屬離子去除率的影響順序。

（三）實驗結(jié)果與討論

1. 投加量對重金屬離子去除率的影響：實驗結(jié)果表明，隨著聚合氯化鋁投加量的增加，重金屬離子去除率逐漸提高。當投加量達到一定值時，去除率趨于穩(wěn)定。例如，對于鉛離子，當投加量從 0mg/L 增加到 50mg/L 時，去除率從 20%左右提高到 80%以上；繼續(xù)增加投加量至 100mg/L，去除率基本保持在 80% - 85%之間。這是因為在一定范圍內(nèi)，隨著 PAC 投加量的增加，其水解產(chǎn)物與重金屬離子的作用機會增多，絮凝沉淀效果增強。但當投加量過大時，可能會導(dǎo)致水解產(chǎn)物的團聚結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，反而使部分重金屬離子重新溶解，去除率不再顯著提高。

2. pH 值對重金屬離子去除率的影響：pH 值對聚合氯化鋁處理效果影響顯著。一般來說，在酸性條件下，PAC 的水解程度較低，主要以單體形式存在，對重金屬離子的絮凝作用較弱；隨著 pH 值升高，水解反應(yīng)加劇，生成的氫氧化鋁聚合物增多，絮凝效果增強。但當 pH 值過高時，氫氧化鋁可能會溶解，導(dǎo)致重金屬離子去除率下降。在本實驗中，對于不同的重金屬離子，適宜的 pH 值范圍略有差異。例如，鉛離子在 pH 值 6 - 8 時去除率較高，鎘離子在 pH 值 7 - 9 時去除效果較好。這可能與不同重金屬離子與氫氧化鋁聚合物的絡(luò)合能力以及其氫氧化物的溶度積有關(guān)。

3. 攪拌時間對重金屬離子去除率的影響：攪拌時間不足，PAC 不能充分與污水廢水中的重金屬離子混合反應(yīng)，絮凝效果不佳；攪拌時間過長，可能會破壞已經(jīng)形成的絮凝體，導(dǎo)致重金屬離子去除率降低。實驗發(fā)現(xiàn)，攪拌時間在 10 - 15min 時，多數(shù)重金屬離子的去除率達到較高水平。在此時間內(nèi)，PAC 能夠快速水解并與重金屬離子充分作用形成絮凝體，然后通過靜置沉淀實現(xiàn)較好的分離效果。

4. 正交實驗結(jié)果：通過正交實驗分析可知，三個因素對重金屬離子去除率的影響順序依次為：投加量>pH 值>攪拌時間。這表明在聚合氯化鋁處理瓷器制造污水廢水重金屬離子的過程中，投加量的控制至關(guān)重要，其次是 pH 值的調(diào)節(jié)，而攪拌時間的影響相對較小但仍需控制在合適范圍內(nèi)。根據(jù)正交實驗確定的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，進行驗證實驗，結(jié)果顯示重金屬離子去除率能夠滿足預(yù)期要求，進一步證明了該工藝參數(shù)的可靠性。

五、實際應(yīng)用案例分析

選取新疆某中型瓷器制造企業(yè)進行聚合氯化鋁處理污水廢水重金屬離子的實際應(yīng)用試點。該企業(yè)每日排放污水廢水約 500m³，重金屬離子濃度超標。按照實驗研究確定的最佳工藝參數(shù)，在污水處理站投加聚合氯化鋁進行處理。經(jīng)過連續(xù)一個月的運行監(jiān)測，結(jié)果表明：污水廢水中的鉛離子濃度從原來的平均 2.5mg/L 降至 0.5mg/L 以下，鎘離子濃度從平均 1.8mg/L 降至 0.2mg/L 以下，鉻離子濃度從平均 3.0mg/L 降至 0.8mg/L 以下，均達到了國家排放標準。同時，處理后的水質(zhì)在濁度、色度等方面也有明顯改善，出水清澈透明。在實際應(yīng)用過程中，還發(fā)現(xiàn)聚合氯化鋁對該企業(yè)污水廢水中的懸浮物去除效果良好，大大降低了后續(xù)處理工序的負擔。而且，由于聚合氯化鋁成本較低，該