一、引言

新疆地区拥有丰富的陶瓷原料资源，近年来瓷器制造业逐渐兴起并发展成为当地重要的产业之一。然而，瓷器制造过程中会产生大量的污水废水，其中含有多种重金属离子，如铅、镉、铬等。这些重金属离子若未经有效处理直接排放，将对周边土壤、水体环境造成严重污染，并通过食物链富集危害人类健康与生态安全。因此，寻求一种高效、经济且适合新疆地区特点的污水废水处理方法迫在眉睫。聚合氯化铝作为一种常用的无机高分子絮凝剂，具有絮凝效果好、适用范围广、成本低等优点，在污水处理领域得到了广泛应用。探索其在新疆地区瓷器制造污水废水处理重金属离子方面的应用，对于解决当地工业污染问题具有重要的现实意义。

二、新疆地区瓷器制造业污水废水特点与重金属污染现状

新疆地区的瓷器制造工艺涵盖了原料开采、粉碎、成型、烧制等多个环节。在生产过程中，会产生大量含有泥沙、黏土颗粒、有机物以及重金属离子的污水废水。由于新疆地区气候干燥，水资源相对匮乏，使得污水废水的排放处理面临更大压力。这些污水废水中的重金属离子主要来源于陶瓷原料本身所含的微量重金属元素以及在烧制过程中添加的颜料、助剂等。例如，一些陶瓷颜料中可能含有铅、镉等重金属，在高温烧制过程中部分重金属会挥发并随废气排放，同时也有部分进入污水废水体系。此外，陶瓷设备的腐蚀也会带入少量重金属离子。据统计，新疆部分地区瓷器制造企业排放的污水废水中重金属离子浓度超标，严重威胁了当地脆弱的生态环境。

三、聚合氯化铝的基本特性与作用原理

聚合氯化铝（PAC）是一种无机高分子混凝剂，其化学式为[Al₂(OH)ₙCl₆₋ₙ]ₘ，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，形成的矾花大而密实，沉降性能好，能够有效降低水中悬浮物含量；二是适应性强，对不同水质的污水都有较好的处理效果，尤其是在处理高浊度、高色度以及含有一定量重金属离子的污水时表现出色；三是成本相对较低，生产工艺简单，易于储存和运输。

在处理瓷器制造污水废水中的重金属离子时，聚合氯化铝的作用原理主要包括以下几个方面：首先，PAC 在水中会发生水解反应生成一系列氢氧化铝聚合物和羟基配合物。这些水解产物带有正电荷，能够与污水中带负电荷的重金属离子发生电中和作用，降低重金属离子的电位，使其稳定性下降，从而更易于形成沉淀。其次，PAC 的水解产物还可以作为吸附核心，将水中的重金属离子吸附在其表面，通过络合反应形成稳定的复合物沉淀。例如，铝的羟基配合物可以与铅离子形成铅铝羟基配合物沉淀，与镉离子形成镉铝羟基配合物沉淀等，从而实现对重金属离子的去除。

四、实验研究

（一）实验材料与仪器

1. 实验材料：采集新疆某瓷器制造企业的污水废水样品，经过滤去除大颗粒杂质后备用。聚合氯化铝（工业级，纯度≥95%），重金属离子标准溶液（铅、镉、铬等），氢氧化钠、盐酸等酸碱调节试剂（均为分析纯）。

2. 实验仪器：电子天平（精度 0.0001g）、pH 计、磁力搅拌器、六联电动搅拌器、离心机、原子吸收光谱仪、紫外可见分光光度计等。

（二）实验方法

1. 单一因素实验

- 投加量实验：设置不同的聚合氯化铝投加量（0 - 100mg/L），在其他条件相同（pH 值约为 7、搅拌时间 10min 等）的情况下，向一定体积的污水废水样品中加入 PAC 溶液，搅拌均匀后静置沉淀，取上清液用原子吸收光谱仪测定重金属离子浓度，计算去除率，确定最佳投加量范围。

- pH 值实验：调节污水废水样品的 pH 值在 3 - 10 之间，固定聚合氯化铝投加量为上述实验确定的最佳值，进行絮凝沉淀实验，测定不同 pH 值下重金属离子的去除率，找出适宜的 pH 值范围。

- 搅拌时间实验：在固定 PAC 投加量和 pH 值的条件下，改变搅拌时间（0 - 30min），观察絮凝沉淀效果，测定重金属离子去除率，确定最佳搅拌时间。

2. 正交实验：根据单一因素实验结果，选取投加量、pH 值、搅拌时间三个因素，每个因素选取三个水平，进行正交实验设计。通过正交实验进一步优化聚合氯化铝处理瓷器制造污水废水中重金属离子的工艺参数组合，分析各因素对重金属离子去除率的影响顺序。

（三）实验结果与讨论

1. 投加量对重金属离子去除率的影响：实验结果表明，随着聚合氯化铝投加量的增加，重金属离子去除率逐渐提高。当投加量达到一定值时，去除率趋于稳定。例如，对于铅离子，当投加量从 0mg/L 增加到 50mg/L 时，去除率从 20%左右提高到 80%以上；继续增加投加量至 100mg/L，去除率基本保持在 80% - 85%之间。这是因为在一定范围内，随着 PAC 投加量的增加，其水解产物与重金属离子的作用机会增多，絮凝沉淀效果增强。但当投加量过大时，可能会导致水解产物的团聚结构发生变化，反而使部分重金属离子重新溶解，去除率不再显著提高。

2. pH 值对重金属离子去除率的影响：pH 值对聚合氯化铝处理效果影响显著。一般来说，在酸性条件下，PAC 的水解程度较低，主要以单体形式存在，对重金属离子的絮凝作用较弱；随着 pH 值升高，水解反应加剧，生成的氢氧化铝聚合物增多，絮凝效果增强。但当 pH 值过高时，氢氧化铝可能会溶解，导致重金属离子去除率下降。在本实验中，对于不同的重金属离子，适宜的 pH 值范围略有差异。例如，铅离子在 pH 值 6 - 8 时去除率较高，镉离子在 pH 值 7 - 9 时去除效果较好。这可能与不同重金属离子与氢氧化铝聚合物的络合能力以及其氢氧化物的溶度积有关。

3. 搅拌时间对重金属离子去除率的影响：搅拌时间不足，PAC 不能充分与污水废水中的重金属离子混合反应，絮凝效果不佳；搅拌时间过长，可能会破坏已经形成的絮凝体，导致重金属离子去除率降低。实验发现，搅拌时间在 10 - 15min 时，多数重金属离子的去除率达到较高水平。在此时间内，PAC 能够快速水解并与重金属离子充分作用形成絮凝体，然后通过静置沉淀实现较好的分离效果。

4. 正交实验结果：通过正交实验分析可知，三个因素对重金属离子去除率的影响顺序依次为：投加量>pH 值>搅拌时间。这表明在聚合氯化铝处理瓷器制造污水废水重金属离子的过程中，投加量的控制至关重要，其次是 pH 值的调节，而搅拌时间的影响相对较小但仍需控制在合适范围内。根据正交实验确定的最优工艺参数组合，进行验证实验，结果显示重金属离子去除率能够满足预期要求，进一步证明了该工艺参数的可靠性。

五、实际应用案例分析

选取新疆某中型瓷器制造企业进行聚合氯化铝处理污水废水重金属离子的实际应用试点。该企业每日排放污水废水约 500m³，重金属离子浓度超标。按照实验研究确定的最佳工艺参数，在污水处理站投加聚合氯化铝进行处理。经过连续一个月的运行监测，结果表明：污水废水中的铅离子浓度从原来的平均 2.5mg/L 降至 0.5mg/L 以下，镉离子浓度从平均 1.8mg/L 降至 0.2mg/L 以下，铬离子浓度从平均 3.0mg/L 降至 0.8mg/L 以下，均达到了国家排放标准。同时，处理后的水质在浊度、色度等方面也有明显改善，出水清澈透明。在实际应用过程中，还发现聚合氯化铝对该企业污水废水中的悬浮物去除效果良好，大大降低了后续处理工序的负担。而且，由于聚合氯化铝成本较低，该