魏楠欣，李 強，鄭足紅*

(1.湖北工程學(xué)院 新技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.湖北工程學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

水體富營養(yǎng)化是一個嚴(yán)峻的環(huán)境問題[1-2]。水體中的TP含量超過0.02 mg/L時[3]，會增進(jìn)水體富營養(yǎng)化。磷是水體富營養(yǎng)化的主要限制因子[4]，控制水體富營養(yǎng)化就是對磷進(jìn)行控制和去除[5]，因此，研究磷的去除對水體富營養(yǎng)化的控制有重要意義。

老澴河源于河南省，流經(jīng)湖北省孝感市，是孝感市內(nèi)大悟縣、孝昌縣、孝南區(qū)的母親河，在孝感城區(qū)西南部與府河匯合，后流入長江，其地理位置的獨特與優(yōu)越使得對其水質(zhì)的要求更加嚴(yán)格，因此對此水體的總磷含量的檢測與控制尤為重要。近幾年來，隨著孝感市人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，老澴河水質(zhì)逐漸惡化，因此對水體的治理刻不容緩。本研究水樣采自老澴河長征南路跨河大橋兩邊的均勻混合水體。

目前，有關(guān)磷的去除研究已有許多報道，主要有化學(xué)沉淀、生物、人工濕地、結(jié)晶和吸附法除磷等[7-8]，化學(xué)沉淀是指磷與金屬鹽如鐵等形成化學(xué)沉淀去除。但這些方法反應(yīng)條件復(fù)雜、成本高且處理的污染物種類單一。因此選擇合適的去除材料顯得尤為重要。鐵在地球上含量豐富且價廉易得[7]，用鐵來修復(fù)和治理水環(huán)境具有重要的意義。鐵鹽的不同形態(tài)和價態(tài)產(chǎn)生的作用也各不相同[5]，F(xiàn)e2+是最易獲得的活化劑[9]，本文選擇硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)來除磷，可為了解老澴河水體污染程度、對河流進(jìn)行環(huán)境評價及化學(xué)法除磷提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期為老澴河水體的管理及修復(fù)提供一定的借鑒和科學(xué)依據(jù)。

1 研究對象及方法

1.1 水樣的采集

水樣的采集主要參考國家《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》[10]。老澴河監(jiān)測斷面共布設(shè)10個，各斷面均取混合水樣(600 mL)3個，采樣點位于斷面水質(zhì)均勻的中泓垂線上，將水面下0.5 m處和河底以上0.5 m處的水樣混合作為所取水樣。采樣點溫度25 ℃，水溫19.4 ℃，大氣壓力1056.3 hPa。

1.2 實驗方法

TP的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)。

TP標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為y=0.6256x-0.0006(R2=0.9997)?？傻美蠞缀铀wTP含量為0.0953 mg/L。根據(jù)水體富營養(yǎng)化表[10](水體富營養(yǎng)化時磷含量為0.030 ～ 0.100 mg/L)可知，該水體已經(jīng)達(dá)到富營養(yǎng)化程度。故實驗后期直接取河水作為實驗水樣，來探討分析化學(xué)沉淀劑的影響因素。

1.3 除磷效果的影響

選用鐵磷摩爾比、pH、凝聚時間、轉(zhuǎn)速、攪拌時間等5因素進(jìn)行實驗，考查最佳操作條件。根據(jù)反應(yīng)前后溶液中的磷濃度，計算去除率。

去除率E=(C0-Ci)/C0×100%

式中：E為去除率，%；C0為反應(yīng)前的磷濃度，mg/L；Ci為反應(yīng)后的磷濃度，mg/L。

1.3.1 鐵磷摩爾比對除磷效果的影響

取若干份25 mL原水樣，在鐵磷摩爾比分別為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.0、1.05、1.1、1.15、1.2、1.3、1.4、1.5，pH為8.0、溫度為20 ℃、轉(zhuǎn)速為200 r/min的恒溫?fù)u床中振蕩9 min，凝聚40 min后測定溶液中磷的濃度。

1.3.2 pH對對除磷效果的影響

取若干份25 mL原水樣，鐵磷摩爾比為1:1，分別用10% HNO3和0.1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH為4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9，在溫度為20 ℃、轉(zhuǎn)速為200 r/min的恒溫?fù)u床中振蕩9 min，凝聚40 min后測定溶液中磷的濃度。

1.3.3 絮凝時間對除磷效果的影響

取若干份25 mL原水樣，在鐵磷摩爾比為1:1、pH為8.0、溫度為20 ℃、轉(zhuǎn)速為200 r/min的恒溫?fù)u床中振蕩9 min，分別凝聚10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70 min后測定溶液中磷的濃度。

1.3.4 轉(zhuǎn)速對吸附效果的影響

取若干份25 mL原水樣，鐵磷摩爾比為1:1，pH為8.0，溫度為20 ℃，在轉(zhuǎn)速分別為25、50、75、100、125、150、175、200、225、250 r/min的恒溫?fù)u床中振蕩9 min，凝聚40 min后測定溶液中磷的濃度。

1.3.5 振蕩時間對除磷效果的影響

取若干份25 mL原水樣，在鐵磷摩爾比為1:1、pH為8.0、溫度為20 ℃、轉(zhuǎn)速為200 r/min的恒溫?fù)u床中分別振蕩1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13 min，凝聚40min后測定溶液中磷的濃度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、分析，采用origin2017制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵磷摩爾比對除磷效果的影響

由圖1可知，0.2<鐵磷摩爾比<1.0時，磷的去除率隨著鐵磷摩爾比的增加而增加到最大(80.30%)；當(dāng)鐵磷摩爾比 > 1.0時，磷的去除率隨鐵磷摩爾比的增加而降低。

圖1 鐵磷摩爾比對磷去除率的影響

二價鐵離子和磷酸根離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，故沉淀劑投加量與水樣中磷的含量有關(guān)。但實際會伴隨許多副反應(yīng)，如二價鐵氧化成三價鐵離子，三價鐵離子也能和磷酸根發(fā)生化學(xué)反應(yīng)沉淀下來，另外二價鐵也會發(fā)生水解反應(yīng)消耗部分二價鐵離子，故實際反應(yīng)中鐵磷摩爾比略大于1時效果更佳。實際生產(chǎn)中，綜合考慮去除效果和使用成本，選擇最佳鐵磷摩爾比為1.0。

2.2 pH對除磷效果的影響

由圖2可知，4.0 8.0時，磷的去除率隨pH的增加而慢慢降低。選擇除磷的最佳pH為8.0。

圖2 pH對磷去除率的影響

pH在8.0附近時生成的沉淀溶解度最低，而pH超過8.5后磷的去除率明顯下降，原因為磷酸與鐵會形成鐵磷沉淀，或少量鐵的氫氧化物沉淀，而pH > 8.5時，F(xiàn)e3+會被含量較多羥基離子與磷酸根離子競爭吸附，從而降低了磷的去除率[5]。

2.3 絮凝時間對除磷效果的影響

由圖3可知， 10 min<凝聚時間<40 min時，磷的去除率隨絮凝時間的增加而迅速增加到較大(40 min時去除率為80.21%)；當(dāng)凝聚時間>40 min時，磷的去除率隨鐵磷摩爾比的增加而基本不變。溶液經(jīng)沉淀處理后，需要靜置凝聚使磷得以沉淀去除，因此除磷的最佳絮凝時間選為40 min。

圖3 絮凝時間對磷去除率的影響

2.4 轉(zhuǎn)速對除磷效果的影響

由圖4可知， 25<轉(zhuǎn)速<200 r/min時，磷的去除率隨轉(zhuǎn)速的增加而迅速增加到最大(80.30%)；當(dāng)轉(zhuǎn)速 > 200 r/min時，磷的去除率隨轉(zhuǎn)速的增加而基本穩(wěn)定。選擇除磷的最佳轉(zhuǎn)速為200 r/min。

圖4 轉(zhuǎn)速對磷去除率的影響

轉(zhuǎn)速對于絮凝起著非常重要的作用，它可以促進(jìn)絮體凝聚，在一定范圍內(nèi)，絮體的形成隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)達(dá)到某一臨界值時，沉降下來的絮體量會降低[11]，因為轉(zhuǎn)速過度增大，會打破之前已經(jīng)形成的絮體。

2.5 振蕩時間對除磷效果的影響

由圖5可知， 1 min<振蕩時間<6 min時，磷的去除率在隨振蕩時間的增加而緩慢增加；在6 min<振蕩時間<8 min時，隨振蕩時間的增加而迅速增加(78.73%)；在8 min<振蕩時間<9 min時磷的去除率緩慢增加到最大(80.25%)；當(dāng)振蕩時間 > 9 min時，磷的去除率隨振蕩時間的增加而緩慢降低。因此除磷的最佳振蕩時間為9 min。

圖5 振蕩時間對磷去除率的影響

絮凝機理的研究結(jié)果表明，磷的化學(xué)沉淀劑經(jīng)歷了兩個階段：首先是硫酸亞鐵與含磷水樣在快速攪拌混合下形成微小的顆粒，其次是形成的微小的顆粒在慢速攪拌混合下絮凝成較大顆粒并沉淀下來[5]。前者攪拌強度大而混合時間短，后者強度小而混合時間長，以利于細(xì)小絮體長大而防止較大絮體被碰撞打破。

3 結(jié)論

硫酸亞鐵作為化學(xué)沉淀劑處理總磷含量為0.0953 mg/L的老澴河水體，在溫度為20 ℃、鐵磷摩爾比為1.0、pH為8.0、轉(zhuǎn)速為200 r/min、震蕩時間為9 min、凝聚時間為40 min時，可達(dá)最大去除率80.30%。本文可為化學(xué)除磷提供一定的理論依據(jù)。