電解法制備PAC在水處理中的應用
在現代絮凝劑的研究中，已從形態學方面證明聚合氯化鋁(PAC)主要由3種形態構成［1～3］：Ala形態(主要包括鋁的自由離子、單體、低聚物)、Alb形態(鋁的聚合物)和Alc(三羥化鋁溶液或凝膠)，并可分別求得各自的含量及比例：AlT＝Ala+Alb+Alc(1)一般認為Alb部分是最佳的凝聚絮凝形態，并證明Alb即為Al13的聚合形態(化學式為Al13O4(OH)7+24)［4］，它實際上是一定控制條件下鋁離子的水解—聚合—沉淀過程的動力學中間產物。采用電化學方法制備絮凝劑主要是采用電解法制備堿式氯化鋁和電滲析法制備一般概念上的聚合氯化鋁。在前期的研究中［5～7］，一種以Alb為優勢形態的聚合氯化鋁采用電解法制備成功，它具有高堿化度、高Alb形態等特點，具備高效凈水最佳絮凝的化學形態條件。
1 E—PAC的制備
連續進料、出料的電解制備反應系統見圖1。
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電解液采用三氯化鋁溶液，陽極為金屬鋁，電流為600 A，電壓為1.4 V，E—PAC為無色透明液體，產量為100 kg/d，W(Al2O3)＝10%，W(Alb)＝67.6%，W(堿化度)＝64.5%。
2 試驗方法
2.1燒杯試驗
采用燒杯攪拌試驗考察E—PAC對水中的濁度、腐殖質、COD、油的去除效果。模擬的渾濁水和含腐殖質水分別采用高嶺土和富里酸(山西產)加1∶1的自來水和去離子水配制，生活污水和含油廢水均為實際水樣。燒杯攪拌試驗在美國產六聯攪拌器上進行，使用2 L燒杯，內充1.5 L水樣，在280 r/min混合攪拌1 min，然后在40 r/min下混合反應10 min，靜置沉淀15 min，取上清液測定。
2.2 中試
E—PAC的中試在高效絮凝集成系統上進行，系統構成見圖2。
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該系統采用絮凝—攔截沉淀工藝，建在北京第九給水廠的導示水廠，原水濁度為1.0～87.5 NTU，混凝藥劑為九廠目前使用的ZB—PAC(淄博產液體聚合氯化鋁)、DY—PAC(唐山產液體聚合氯化鋁)、AS(硫酸鋁)和E—PAC。系統運行的主要參數，混合：t＝60 s，v＝3m/s，G＝613s-1；反應：T＝15 min(t1＝t2＝t3＝5 min)，v1＝0.5 m/s，v2＝0.3m/s，v3＝0.1m/s，G＝80s-1(G1＝125.5s-1、G2＝57.5s-1、G3＝10.4s-1)，GT＝7.2×104；沉淀：t＝0.4～2 h。試驗用水為北京市第九水廠的原水。
3 E—PAC凈水效果
3.1靜態效果
將電解法制備的E—PAC與電滲析法制備的聚合氯化鋁(ED—PAC)、市售聚合鋁、三氯化鋁和硫酸鋁進行絮凝效果對比試驗，結果如圖1、2所示。
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結果表明，藥劑投加量相同時，幾種絮凝劑對水中的濁度均有一定的去除效果，硫酸鋁和三氯化鋁的去除效果最差，DY—PAC和ED—PAC明顯優于硫酸鋁等，但E—PAC在絮凝過程中對濁度的去除率均遠高于其他絮凝劑。對富里酸的去除率也有類似的結果，E—PAC對富里酸的絮凝去除效果最好，DY—PAC和ED—PAC也優于硫酸鋁等傳統混凝劑，這種結果主要是由于其具有較高的Alb含量。
3.2中試效果
①低濁時期經幾種絮凝劑處理后的沉淀池出水效果對比見圖3、4。
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原水濁度為1.0～4.0 NTU時，在同樣的鋁投加量下，E—PAC的水處理效果明顯比其他絮凝劑好，不僅表現在對濁度的去除效率高，而且投加藥量所允許的范圍也大。
②較高濁度水經幾種絮凝劑處理后的沉淀池出水效果對比見圖5。
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原水濁度為10.5～87.5 NTU時，在3種PAC中，E—PAC對濁度變化的適應性最好，在同樣的鋁投加量下，分別比DY—PAC和ZB—PAC對濁度的去除效率高約10%～20%，表現出明顯的優越性。
3.3處理生活污水
取生態環境研究中心家屬區生活污水，比較E—PAC、DY—PAC和ZB—PAC 3種聚合絮凝劑對水中COD和SS的去除效果。試驗用水的SS為321 mg/L，COD為250 mg/L，處理效果見表1。
E—PAC對生活污水中的SS和COD的去除效果均明顯好于其他兩種絮凝劑。當投加量均為10 mg/L(以Al2O3計)時，E—PAC可將原水中321 mg/L的SS和250 mg/L的COD分別去除至3 mg/L和116 mg/L，去除率分別為99.1%和57.6%；而其他兩種PAC對SS和COD的去除率明顯低于E—PAC。
表1 對生活污水的處理效果比較 mg/L
藥劑 E—PAC DY—PAC ZB—PAC
投加量(Al2O3) 3 5 10 3 5 10 3 5 10
水中殘余SS 52 24 3 78 31 13 89 42 23
水中殘余COD 187 142 106 194 153 119 210 165 126
3.4處理含油廢水
含油廢水為錦州采油廠斜板除油后的出水，含油為120mg/L，COD為450mg/L，SS為275 mg/L。采用燒杯試驗比較E—PAC、DY—PAC和ZB—PAC三種聚合絮凝劑對COD、SS、油的去除效果，結果如表2所示。
表2 處理含油廢水的效果對比 mg/L
藥劑 E—PAC DY—PAC ZB—PAC
投加量(Al2O3) 5 10 20 5 10 20 5 10 20
SS 143 72 14 161 93 28 172 105 33
COD 398 266 182 418 297 221 425 308 246
油
86 45 9 92 54 18 98 49 17
當投加量均為20mg/L(Al2O3)時，E—PAC可將原水中275 mg/L的SS、450 mg/L的COD和120 mg/L的油分別去除至14 mg/L，182 mg/L和9 mg/L，去除率分別為94.9%，59.6%和92.5%，明顯優于其他兩種絮凝劑。
4 成本估算
電解法制備聚合氯化鋁的主要成本來自于鋁板的消耗，如鋁板價格按13.5元/kg計算(包括三氯化鋁、電耗與人員工資等)，則制備含10%Al2O3液體PAC的成本約為800元/t，投加鋁量按10-5 mol/L計，則噸水處理成本約0.16元。與目前市場上質量較好的液體PAC的產品(750～800元/t)相比，其制備成本略高，估算結果如表3所示。
表3 E — PAC的制備與水處理成本估算
藥劑的制備成本
(元/t) 含鋁量
(%) 折合成鋁價格
(元/kg) 水處理成本
(元/t) 投加鋁量
(10-5 mol/L)
800 5 16 0.16 3.7
5 結論
電解法制備的聚合氯化鋁由于其最有效的絮凝成分Alb遠高于普通聚合氯化鋁和傳統混凝劑，所以對水中的濁度、腐殖質以及污水中的COD、SS、油類污染物具有優異的去除效果。電解法制備聚合氯化鋁設備簡單，參數易于控制，適合于各種規模和水質的給水和污水處理，并有利于水處理過程的自動化控制，具有很好的應用前景。
電解制備聚合氯化鋁的主要問題是其采用金屬鋁作為鋁的主要來源，由于金屬鋁價格較高，增加了藥劑的制備成本，但由于其較高的Alb含量和高效的凈水性能，其綜合制水成本應與普通PAC相當。
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