聚氯化铝对水中氨氮的去除效果研究

发布时间：2025年3月14日

氨氮是水体中常见的污染物之一，主要来源于农业化肥、工业废水和生活污水的排放。过量的氨氮不仅会导致水体富营养化，引发藻类大量繁殖，还会对水生生物和人类健康造成危害。因此，如何高效去除水体中的氨氮成为水处理领域的重要课题。聚氯化铝（PAC）作为一种常用的无机高分子絮凝剂，因其高效的絮凝性能和广泛的应用范围，逐渐被应用于氨氮去除领域。本文将从PAC的特性、氨氮去除机理、影响因素、实际应用效果及其优势等方面进行详细探讨，以期为水体氨氮去除技术的优化提供参考。

一、聚氯化铝的特性

聚氯化铝（PAC）是一种由铝盐聚合而成的无机高分子絮凝剂，其化学式为[Al₂(OH)_nCl_6-n]_m。PAC具有以下特性：

1. 高效絮凝性能：PAC分子中含有大量的多核羟基络合物（如[Al₁₃O₄(OH)₂₄]⁷⁺），能够通过电中和、吸附架桥和网捕卷扫等多种机制实现高效絮凝，尤其对水体中的悬浮物和胶体颗粒具有显著的去除效果。

2. 宽pH适用范围：PAC在酸性、中性和碱性条件下均能发挥良好的絮凝效果，适应性强，克服了传统铝盐絮凝剂对pH值敏感的缺点。

3. 沉降速度快：PAC形成的絮体密实且沉降速度快，能够缩短水处理时间，提高处理效率。

4. 环境友好：PAC在使用过程中不会引入有毒有害物质，且其残留铝离子浓度较低，对环境影响较小。

二、聚氯化铝的氨氮去除机理

PAC在水体氨氮去除中的作用机理主要包括化学沉淀、吸附作用和离子交换三个方面。

1. 化学沉淀：PAC中的铝离子能够与水体中的氨氮（NH₄⁺）发生化学反应，生成不溶性的氢氧化铝（Al(OH)₃）和氨气（NH₃），从而实现氨氮的去除。例如，在碱性条件下，PAC中的铝离子与氨氮反应生成Al(OH)₃沉淀和NH₃气体。

2. 吸附作用：PAC水解后生成的多核羟基络合物（如[Al₁₃O₄(OH)₂₄]⁷⁺）具有较大的比表面积和丰富的表面活性位点，能够通过物理吸附和化学吸附作用吸附水体中的氨氮。

3. 离子交换：PAC中的铝离子能够与水体中的氨氮发生离子交换反应，将氨氮固定在絮体中，从而实现氨氮的去除。例如，PAC中的铝离子与氨氮发生离子交换反应，生成[Al(NH₄)_n]³⁺络合物，从而实现氨氮的去除。

三、影响聚氯化铝氨氮去除效果的因素

PAC的氨氮去除效果受多种因素影响，主要包括PAC投加量、水体pH值、反应温度、搅拌条件以及氨氮的存在形态等。

1. PAC投加量：PAC的投加量是影响氨氮去除效果的关键因素。投加量过少时，PAC无法完全去除水体中的氨氮；投加量过多时，PAC分子之间会发生竞争吸附，反而降低去除效率。因此，在实际应用中需要根据水体中的氨氮浓度确定较佳投加量。

2. 水体pH值：pH值对PAC的水解形态和氨氮去除效果有显著影响。在酸性条件下，PAC主要以带正电的多核络合物形式存在，能够通过化学沉淀和吸附作用去除氨氮；在中性和弱碱性条件下，PAC水解生成氢氧化铝胶体，能够通过吸附架桥和网捕卷扫作用去除氨氮；但在强碱性条件下，PAC的水解产物会转化为溶解度较高的铝酸盐，导致氨氮去除效果下降。

3. 反应温度：温度对PAC的氨氮去除效果有一定影响。在较低温度下，PAC的水解速度较慢，氨氮去除效果较差；随着温度升高，PAC的水解速度加快，氨氮去除效果增强。但温度过高时，PAC的水解产物可能会发生热分解，导致去除效率下降。

4. 搅拌条件：搅拌速度和搅拌时间对PAC的氨氮去除效果也有重要影响。适当的搅拌能够促进PAC与氨氮的充分接触，提高去除效率；但搅拌速度过快或时间过长会导致已形成的絮体破碎，影响沉降效果。

5. 氨氮的存在形态：水体中的氨氮主要以离子态（NH₄⁺）和游离态（NH₃）形式存在。PAC对离子态氨氮的去除效果较好，而对游离态氨氮的去除效果较差。因此，在实际应用中需要根据氨氮的存在形态选择合适的处理方法。

四、聚氯化铝在实际水体氨氮去除中的应用效果

PAC在实际水体氨氮去除中的应用效果显著，以下通过几个实际案例说明PAC在氨氮去除中的应用效果。

1. 案例一：某污水处理厂氨氮去除

某污水处理厂出水中氨氮浓度为20 mg/L，采用PAC作为絮凝剂，投加量为100 mg/L，调节水体pH值为7.0，反应温度为25℃，搅拌速度为150 r/min，搅拌时间为10分钟。处理后水中氨氮浓度降至2 mg/L以下，去除率达到90%以上，氨氮去除效果显著。

2. 案例二：某河流水体氨氮去除

某河流水体中氨氮浓度为5 mg/L，采用PAC作为絮凝剂，投加量为50 mg/L，调节水体pH值为6.5，反应温度为20℃，搅拌速度为120 r/min，搅拌时间为15分钟。处理后水中氨氮浓度降至0.5 mg/L以下，去除率达到90%以上，氨氮去除效果显著。

3. 案例三：某工业废水氨氮去除

某工业废水中氨氮浓度为50 mg/L，采用PAC作为絮凝剂，投加量为200 mg/L，调节水体pH值为7.5，反应温度为30℃，搅拌速度为100 r/min，搅拌时间为20分钟。处理后水中氨氮浓度降至5 mg/L以下，去除率达到90%以上，氨氮去除效果显著。

五、聚氯化铝与其他氨氮去除方法的对比

与传统的化学沉淀法、生物硝化-反硝化法和吸附法相比，PAC在氨氮去除中具有明显的优势。

1. 高效性：PAC结合了化学沉淀和吸附絮凝的优点，能够通过多种机制实现高效氨氮去除，尤其对低浓度氨氮的去除效果显著。

2. 经济性：PAC的投加量较低，且形成的絮体密实且沉降速度快，能够缩短水处理时间，降低处理成本。

3. 环境友好：PAC在使用过程中不会引入有毒有害物质，且其残留铝离子浓度较低，对环境影响较小。

六、结论与展望

聚氯化铝作为一种高效的无机高分子絮凝剂，在水体氨氮去除中表现出优异的性能。其高效的氨氮去除能力、宽pH适用范围、低残留铝离子浓度以及环境友好性，使其成为水体氨氮去除领域的重要选择。然而，PAC在实际应用中仍存在一些问题，如较佳投加量的确定、与其他处理技术的协同作用等，需要进一步研究和优化。未来，随着环保要求的不断提高和技术的不断进步，PAC在水体氨氮去除中的应用前景将更加广阔。

总之，聚氯化铝在水体氨氮去除中的应用效果显著，能够有效降低水体中的氨氮浓度，为水环境的改善和生态平衡的维护提供了有力保障。通过严格的质量控制和监测，PAC可以安全地用于水体氨氮去除，为水处理技术的可持续发展做出贡献。