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一、引言

隨著甘肅省工業(yè)化進程的加速和城市人口的增長，城市生活廢水的排放量日益增加，其中含有的重金屬離子對環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅。重金屬離子具有毒性、持久性和生物累積性，可通過食物鏈進入人體，危害人體健康。因此，有效地去除城市生活廢水中的重金屬離子至關(guān)重要。聚合氯化鋁作為一種常用的無機高分子絮凝劑，在水處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在重金屬離子去除方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。

二、甘肅省重金屬污染現(xiàn)狀及危害

（一）污染現(xiàn)狀

甘肅省部分地區(qū)因工業(yè)布局和礦產(chǎn)資源開發(fā)等因素，重金屬污染問題較為突出。一些工業(yè)廢水未經(jīng)有效處理直接排入城市污水管網(wǎng)，與生活污水混合后，導(dǎo)致城市生活廢水中重金屬離子含量超標(biāo)。例如，某些有色金屬冶煉企業(yè)周邊城市的廢水中，鉛、鎘、鉻等重金屬離子濃度較高，給城市水環(huán)境帶來了巨大壓力。

（二）危害

1. 生態(tài)危害

重金屬離子進入水體后，會對水生生物產(chǎn)生毒害作用，影響水生生物的生長、繁殖和生存。例如，汞離子可在水生生物體內(nèi)富集，通過食物鏈傳遞，最終威脅人類健康。同時，重金屬污染還會導(dǎo)致水體生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞，生物多樣性減少。

2. 人體健康危害

人體長期攝入含有重金屬離子的水，會引發(fā)各種疾病。如鉛中毒可影響神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)和腎臟功能；鎘中毒會導(dǎo)致骨骼病變和腎損傷；鉻中毒可引起皮膚過敏、呼吸道疾病和致癌風(fēng)險增加等。

三、聚合氯化鋁的性質(zhì)與作用機制

（一）性質(zhì)

聚合氯化鋁（PAC）是一種無機高分子混凝劑，化學(xué)式為[Al?(OH)?Cl???]?，其中 n 代表聚合程度，m 表示聚合度。它具有以下特點：

1. 高效性：對水中的懸浮物、膠體和溶解性物質(zhì)有優(yōu)良的混凝效果，能快速形成較大的礬花，提高沉淀效率。

2. 適應(yīng)性強：適用于不同水質(zhì)的處理，在較寬的溫度、pH 值范圍內(nèi)均能發(fā)揮良好的混凝作用。

3. 無毒無害：處理后的水中殘留鋁量相對較低，不會對水體造成二次污染。

（二）作用機制

1. 壓縮雙電層作用：聚合氯化鋁在水中水解生成 Al(OH)? 膠體，膠體帶有正電荷，可吸附水中帶負(fù)電荷的膠體顆粒和懸浮物，使它們的雙電層被壓縮，從而降低 ζ 電位，使膠體顆粒和懸浮物失去穩(wěn)定性，相互聚集形成較大的絮體。

2. 吸附電中和作用：Al(OH)? 膠體可與水中重金屬離子發(fā)生吸附電中和反應(yīng)，重金屬離子被吸附在膠體表面，中和了膠體的電荷，同時膠體也吸附了重金屬離子，使其從水中脫穩(wěn)而沉淀。

3. 網(wǎng)捕卷掃作用：聚合氯化鋁水解形成的 Al(OH)? 絮體具有較大的比表面積和孔隙率，在沉淀過程中，像一張大網(wǎng)一樣將水中的重金屬離子和其他微小顆粒網(wǎng)捕卷掃下來，共同沉淀去除。

四、實驗部分

（一）實驗材料

1. 廢水樣品：取自甘肅省某城市生活污水處理廠的進水口，經(jīng)過濾去除較大雜質(zhì)后備用。

2. 聚合氯化鋁：分析純，配制成一定濃度的溶液備用。

3. 重金屬離子標(biāo)準(zhǔn)溶液：用于加標(biāo)回收實驗，測定重金屬離子的初始濃度。

4. 其他試劑：如硝酸、鹽酸、氫氧化鈉等，用于調(diào)節(jié) pH 值和樣品消解。

（二）實驗方法

1. 重金屬離子濃度測定：采用原子吸收光譜法測定廢水中重金屬離子（如銅、鋅、鉛、鎘、鉻等）的濃度。

2. 混凝實驗：取若干份 500mL 廢水樣品于燒杯中，分別加入不同量的聚合氯化鋁溶液，在磁力攪拌器上先快速攪拌（200r/min）1min，使藥劑迅速分散均勻，然后慢速攪拌（50r/min）10min，促進絮體成長和沉淀。攪拌結(jié)束后，靜置沉淀 30min，取上清液測定重金屬離子濃度。

3. 單因素實驗：改變聚合氯化鋁投加量、pH 值、攪拌速度和時間等單一因素，考察其對重金屬離子去除效果的影響，確定各因素的最佳范圍。

4. 正交實驗：在單因素實驗基礎(chǔ)上，選取對重金屬離子去除效果影響顯著的因素進行正交實驗，進一步優(yōu)化工藝參數(shù)。

（三）實驗結(jié)果與討論

1. 聚合氯化鋁投加量對去除效果的影響

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，但當(dāng)投加量超過一定值后，去除率增加緩慢甚至有所下降。這是因為適量的聚合氯化鋁能有效壓縮雙電層、吸附電中和和網(wǎng)捕卷掃重金屬離子，但過量投加會導(dǎo)致水體中鋁離子濃度過高，反而影響絮體的形成和沉淀效果。通過實驗確定，對于該城市生活廢水，聚合氯化鋁的最佳投加量范圍為[X]mg/L。

2. pH 值對去除效果的影響

pH 值對聚合氯化鋁的混凝效果和重金屬離子的存在形態(tài)有重要影響。在較低 pH 值下，聚合氯化鋁水解不完全，混凝效果較差；而在較高 pH 值時，重金屬離子可能形成氫氧化物沉淀，但同時也會使聚合氯化鋁形成 Al(OH)? 沉淀過快，影響其吸附和網(wǎng)捕作用。實驗表明，當(dāng) pH 值在[X - X]范圍內(nèi)時，重金屬離子去除效果較好。

3. 攪拌速度和時間對去除效果的影響

快速攪拌可使聚合氯化鋁迅速分散并與廢水充分接觸，但攪拌速度過快或時間過長會導(dǎo)致絮體破碎。慢速攪拌有利于絮體成長和沉淀，但攪拌時間不足則絮體不夠密實，沉淀效果差。通過實驗優(yōu)化，確定快速攪拌速度為 200r/min，時間為 1min；慢速攪拌速度為 50r/min，時間為 10min。

4. 正交實驗結(jié)果

通過正交實驗確定了各因素對重金屬離子去除效果的影響順序為：聚合氯化鋁投加量 > pH 值 > 攪拌時間 > 攪拌速度。最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：聚合氯化鋁投加量[X]mg/L、pH 值[X]、攪拌時間[X]min、攪拌速度（快速 200r/min，慢速 50r/min）。在此條件下，廢水中重金屬離子去除率達到較高水平，滿足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

五、影響因素分析

（一）水溫

水溫會影響聚合氯化鋁的水解速度和絮體的形成。水溫較低時，水解反應(yīng)速率減慢，絮體形成較小且松散，沉淀效果變差；水溫較高時，水解反應(yīng)加快，但絮體容易老化破碎。因此，在實際處理過程中，需要根據(jù)水溫調(diào)整聚合氯化鋁的投加量和攪拌條件。

（二）水質(zhì)成分

城市生活廢水中含有各種有機物、無機物和微生物等，這些物質(zhì)會與重金屬離子競爭吸附位點，影響聚合氯化鋁對重金屬離子的去除效果。例如，水中的腐殖酸等有機物會與重金屬離子形成絡(luò)合物，降低重金屬離子的游離濃度，使聚合氯化鋁的去除難度增加。此外，水中的鈣、鎂等離子也會影響聚合氯化鋁的水解和混凝過程。

（三）水力條件

水力條件包括水流速度、停留時間等。在混凝沉淀過程中，合適的水力條件有助于絮體的成長和沉淀。如果水流速度過大或停留時間過短，絮體來不及長大和沉淀就被帶走，導(dǎo)致去除效果下降；反之，水流速度過小或停留時間過長，會造成處理設(shè)施利用率降低，增加運行成本。

六、應(yīng)用前景與建議

（一）應(yīng)用前景

聚合氯化鋁在甘肅省城市生活廢水中重金屬離子去除方面具有良好的應(yīng)用前景。它具有高效、適應(yīng)性強、成本低等優(yōu)點，能夠滿足甘肅省城市污水處理的實際需求。隨著甘肅省對環(huán)境保護要求的不斷提高和污水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，聚合氯化鋁在該領(lǐng)域的應(yīng)用將會更加廣泛。

（二）建議

1. 加強監(jiān)測與管理：建立健全城市生活廢水重金屬離子監(jiān)測體系，加強對污染源的監(jiān)管，確保廢水達標(biāo)排放。同時，定期對聚合氯化鋁處理效果進行監(jiān)測和評估，及時調(diào)整工藝參數(shù)。

2. 優(yōu)化工藝組合：聚合氯化鋁可與其他污水處理技術(shù)（如生物處理、膜分離技術(shù)等