一、引言

随着甘肃省工业化进程的加速和城市人口的增长，城市生活废水的排放量日益增加，其中含有的重金属离子对环境造成了严重威胁。重金属离子具有毒性、持久性和生物累积性，可通过食物链进入人体，危害人体健康。因此，有效地去除城市生活废水中的重金属离子至关重要。聚合氯化铝作为一种常用的无机高分子絮凝剂，在水处理领域具有广泛的应用前景，尤其在重金属离子去除方面表现出独特的优势。

二、甘肃省重金属污染现状及危害

（一）污染现状

甘肃省部分地区因工业布局和矿产资源开发等因素，重金属污染问题较为突出。一些工业废水未经有效处理直接排入城市污水管网，与生活污水混合后，导致城市生活废水中重金属离子含量超标。例如，某些有色金属冶炼企业周边城市的废水中，铅、镉、铬等重金属离子浓度较高，给城市水环境带来了巨大压力。

（二）危害

1. 生态危害

重金属离子进入水体后，会对水生生物产生毒害作用，影响水生生物的生长、繁殖和生存。例如，汞离子可在水生生物体内富集，通过食物链传递，最终威胁人类健康。同时，重金属污染还会导致水体生态系统结构破坏，生物多样性减少。

2. 人体健康危害

人体长期摄入含有重金属离子的水，会引发各种疾病。如铅中毒可影响神经系统、造血系统和肾脏功能；镉中毒会导致骨骼病变和肾损伤；铬中毒可引起皮肤过敏、呼吸道疾病和致癌风险增加等。

三、聚合氯化铝的性质与作用机制

（一）性质

聚合氯化铝（PAC）是一种无机高分子混凝剂，化学式为[Al₂(OH)ₙCl₆₋ₙ]ₘ，其中 n 代表聚合程度，m 表示聚合度。它具有以下特点：

1. 高效性：对水中的悬浮物、胶体和溶解性物质有优良的混凝效果，能快速形成较大的矾花，提高沉淀效率。

2. 适应性强：适用于不同水质的处理，在较宽的温度、pH 值范围内均能发挥良好的混凝作用。

3. 无毒无害：处理后的水中残留铝量相对较低，不会对水体造成二次污染。

（二）作用机制

1. 压缩双电层作用：聚合氯化铝在水中水解生成 Al(OH)₃ 胶体，胶体带有正电荷，可吸附水中带负电荷的胶体颗粒和悬浮物，使它们的双电层被压缩，从而降低 ζ 电位，使胶体颗粒和悬浮物失去稳定性，相互聚集形成较大的絮体。

2. 吸附电中和作用：Al(OH)₃ 胶体可与水中重金属离子发生吸附电中和反应，重金属离子被吸附在胶体表面，中和了胶体的电荷，同时胶体也吸附了重金属离子，使其从水中脱稳而沉淀。

3. 网捕卷扫作用：聚合氯化铝水解形成的 Al(OH)₃ 絮体具有较大的比表面积和孔隙率，在沉淀过程中，像一张大网一样将水中的重金属离子和其他微小颗粒网捕卷扫下来，共同沉淀去除。

四、实验部分

（一）实验材料

1. 废水样品：取自甘肃省某城市生活污水处理厂的进水口，经过滤去除较大杂质后备用。

2. 聚合氯化铝：分析纯，配制成一定浓度的溶液备用。

3. 重金属离子标准溶液：用于加标回收实验，测定重金属离子的初始浓度。

4. 其他试剂：如硝酸、盐酸、氢氧化钠等，用于调节 pH 值和样品消解。

（二）实验方法

1. 重金属离子浓度测定：采用原子吸收光谱法测定废水中重金属离子（如铜、锌、铅、镉、铬等）的浓度。

2. 混凝实验：取若干份 500mL 废水样品于烧杯中，分别加入不同量的聚合氯化铝溶液，在磁力搅拌器上先快速搅拌（200r/min）1min，使药剂迅速分散均匀，然后慢速搅拌（50r/min）10min，促进絮体成长和沉淀。搅拌结束后，静置沉淀 30min，取上清液测定重金属离子浓度。

3. 单因素实验：改变聚合氯化铝投加量、pH 值、搅拌速度和时间等单一因素，考察其对重金属离子去除效果的影响，确定各因素的最佳范围。

4. 正交实验：在单因素实验基础上，选取对重金属离子去除效果影响显著的因素进行正交实验，进一步优化工艺参数。

（三）实验结果与讨论

1. 聚合氯化铝投加量对去除效果的影响

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，但当投加量超过一定值后，去除率增加缓慢甚至有所下降。这是因为适量的聚合氯化铝能有效压缩双电层、吸附电中和和网捕卷扫重金属离子，但过量投加会导致水体中铝离子浓度过高，反而影响絮体的形成和沉淀效果。通过实验确定，对于该城市生活废水，聚合氯化铝的最佳投加量范围为[X]mg/L。

2. pH 值对去除效果的影响

pH 值对聚合氯化铝的混凝效果和重金属离子的存在形态有重要影响。在较低 pH 值下，聚合氯化铝水解不完全，混凝效果较差；而在较高 pH 值时，重金属离子可能形成氢氧化物沉淀，但同时也会使聚合氯化铝形成 Al(OH)₃ 沉淀过快，影响其吸附和网捕作用。实验表明，当 pH 值在[X - X]范围内时，重金属离子去除效果较好。

3. 搅拌速度和时间对去除效果的影响

快速搅拌可使聚合氯化铝迅速分散并与废水充分接触，但搅拌速度过快或时间过长会导致絮体破碎。慢速搅拌有利于絮体成长和沉淀，但搅拌时间不足则絮体不够密实，沉淀效果差。通过实验优化，确定快速搅拌速度为 200r/min，时间为 1min；慢速搅拌速度为 50r/min，时间为 10min。

4. 正交实验结果

通过正交实验确定了各因素对重金属离子去除效果的影响顺序为：聚合氯化铝投加量 > pH 值 > 搅拌时间 > 搅拌速度。最优工艺参数组合为：聚合氯化铝投加量[X]mg/L、pH 值[X]、搅拌时间[X]min、搅拌速度（快速 200r/min，慢速 50r/min）。在此条件下，废水中重金属离子去除率达到较高水平，满足相关排放标准要求。

五、影响因素分析

（一）水温

水温会影响聚合氯化铝的水解速度和絮体的形成。水温较低时，水解反应速率减慢，絮体形成较小且松散，沉淀效果变差；水温较高时，水解反应加快，但絮体容易老化破碎。因此，在实际处理过程中，需要根据水温调整聚合氯化铝的投加量和搅拌条件。

（二）水质成分

城市生活废水中含有各种有机物、无机物和微生物等，这些物质会与重金属离子竞争吸附位点，影响聚合氯化铝对重金属离子的去除效果。例如，水中的腐殖酸等有机物会与重金属离子形成络合物，降低重金属离子的游离浓度，使聚合氯化铝的去除难度增加。此外，水中的钙、镁等离子也会影响聚合氯化铝的水解和混凝过程。

（三）水力条件

水力条件包括水流速度、停留时间等。在混凝沉淀过程中，合适的水力条件有助于絮体的成长和沉淀。如果水流速度过大或停留时间过短，絮体来不及长大和沉淀就被带走，导致去除效果下降；反之，水流速度过小或停留时间过长，会造成处理设施利用率降低，增加运行成本。

六、应用前景与建议

（一）应用前景

聚合氯化铝在甘肃省城市生活废水中重金属离子去除方面具有良好的应用前景。它具有高效、适应性强、成本低等优点，能够满足甘肃省城市污水处理的实际需求。随着甘肃省对环境保护要求的不断提高和污水处理技术的不断发展，聚合氯化铝在该领域的应用将会更加广泛。

（二）建议

1. 加强监测与管理：建立健全城市生活废水重金属离子监测体系，加强对污染源的监管，确保废水达标排放。同时，定期对聚合氯化铝处理效果进行监测和评估，及时调整工艺参数。

2. 优化工艺组合：聚合氯化铝可与其他污水处理技术（如生物处理、膜分离技术等