黑臭水體中高效脫磷工藝的應(yīng)用研究

孫玲霞

（天水市秦安生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，甘肅 天水 741600）

0 引言

隨著全球城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，各類污染物的排放迅速增加，導(dǎo)致城市水體污染加劇，經(jīng)常出現(xiàn)間斷性或者連續(xù)性的黑臭現(xiàn)象，給城市居民的生活帶來(lái)了嚴(yán)重影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在黑臭水體中存在著低溶解氧和厭氧環(huán)境，在水體中的鐵離子被還原呈了亞鐵離子，亞鐵離子和水中的硫離子結(jié)合形成硫化鐵，導(dǎo)致水體呈現(xiàn)黑色。在鐵離子被還原的過(guò)程中會(huì)形成大量的磷酸鹽離子，導(dǎo)致水體呈現(xiàn)出富營(yíng)養(yǎng)化，使水體中的藻類大量生長(zhǎng)，進(jìn)一步減少水體中的氧氣，促進(jìn)了鐵離子的還原。因此對(duì)黑臭水體治理的關(guān)鍵是減少水體中的磷元素，抑制鐵離子的還原。

目前對(duì)磷元素的控制，主要采用了沉淀法、生物法、吸附法等[1]，但這些方法均存在著效率低、成本高、使用條件受限制大的不足，難以滿足黑臭水體的處理需求。因此，提出了一種以改性鎂鋁水滑石為核心的除磷技術(shù)，對(duì)改性鎂鋁水滑石在不同水體環(huán)境中的除磷效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，新的除磷技術(shù)能夠適應(yīng)各類黑臭水體，除磷效率高、經(jīng)濟(jì)性好。

1 材料制備及試驗(yàn)方案分析

1.1 試驗(yàn)材料制備

改性鎂鋁水滑石制備。首先利用共沉淀法制備含有碳酸根插層的Mg-Al-CO3水滑石，然后再使用蒸餾水制備含1 mol/L 硝酸鎂和0.5 mol/L 硝酸鋁的混合溶液，在該溶液中中的鎂離子和鋁離子的質(zhì)量比為3∶1，再將混合好的溶液用滴管逐滴滴入到碳酸鈉和氫氧化鈉組成的混合堿液中[2]，該混合堿液中碳酸鈉的濃度為0.89 mol/L，氫氧化鈉的濃度為4 mol/L。接下來(lái)將混合液在65 ℃的環(huán)境中持續(xù)攪拌20 h，獲取其膏狀物后將其放入到烘烤箱內(nèi)烘烤成固體粉末，該粉末就是鎂鋁水滑石。最后再把該粉末在400 ℃的環(huán)境下煅燒20 h，從而改善材料的吸附性，獲取改性鎂鋁水滑石[3]。

黑臭水體。直接取自城市的排水溝內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了確保改性鎂鋁水滑石對(duì)黑臭水體中磷的吸附作用研究的精確性，共設(shè)計(jì)了不同水質(zhì)對(duì)吸附效果的影響及改性鎂鋁水滑石對(duì)黑臭水體中磷的凈化作用研究?jī)蓚€(gè)試驗(yàn)[4]。

不同水質(zhì)對(duì)吸附效果的影響，水質(zhì)的不同主要體現(xiàn)在了PH 值和水中磷濃度的不同。在驗(yàn)證時(shí)，首先利用磷酸二氫鉀溶解在水中，模擬水中磷元素的濃度，根據(jù)黑臭水體中磷的分布情況，分別設(shè)計(jì)水中磷的濃度為2.1、9、20 mol/L 三種濃度狀態(tài)進(jìn)行研究。水體中的pH 值則選擇6 和8 兩種狀態(tài)進(jìn)行分析。在試驗(yàn)時(shí)按固液比為2 g/L 稱取0.5 g 改性鎂鋁水滑石加入到上述溶液中，對(duì)反應(yīng)時(shí)間為0.5～120 min 情況下進(jìn)行取樣驗(yàn)證。

對(duì)改性鎂鋁水滑石吸附試驗(yàn)，則先取500 mL 的黑臭水體，然后按照固液比為2 g/L 的條件，加入1 g改性鎂鋁水滑石粉末，在常溫下連續(xù)攪拌100 min 后進(jìn)行吸附試驗(yàn)，然后對(duì)反應(yīng)時(shí)間為0.5～120 min 情況下進(jìn)行取樣驗(yàn)證。

1.3 吸附量計(jì)算

在反應(yīng)過(guò)程中對(duì)溶液中磷酸根離子的吸附量可以表示為公式（1）[5]：

式中：q 為水滑石對(duì)溶液中磷酸根離子的吸附量，mg/g；ρ1為黑臭水體中磷酸離子最初質(zhì)量濃度，mg/L；ρ2為被吸收后黑臭水體中磷酸離子質(zhì)量濃度，mg/L；V為反應(yīng)時(shí)黑臭水體的體積，L；m 為加入的吸附劑的質(zhì)量，g；

2 pH 值對(duì)水滑石吸附效果影響

pH 值分別為6 和8 情況下，水滑石對(duì)水體中的磷的吸附效果如圖1 所示。

圖1 不同pH 值下磷吸附效果

由圖1 可知，改性鎂鋁水滑石對(duì)溶液中磷的吸收分為了兩個(gè)部分，第一部分時(shí)在反應(yīng)前的約30 min內(nèi)，對(duì)溶液中磷的快速吸收，當(dāng)時(shí)間超過(guò)30 min 后，對(duì)溶液中磷的吸收速度逐步降低并慢慢處于平衡狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比，在溶液的pH值不同的情況下均能實(shí)現(xiàn)在120 min 內(nèi)將溶液中的磷離子吸收完成。當(dāng)pH值為6 的情況下，對(duì)磷的吸收量約為9.66 mg/g，而當(dāng)pH值為了8 的情況下，對(duì)磷的吸收量約為9.61 mg/g，兩者的吸附效果差異不大。因此可以得到，pH值不同的情況下對(duì)改性鎂鋁水滑石吸附的效果影響不大。

3 溶液中磷濃度對(duì)改性水滑石吸附影響

溶液中不同含磷量的情況下改性水滑石的吸附情況如圖2 所示。

圖2 不同含磷情況下水中改性水滑石吸附量變化情況

由實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果可知，不同含磷濃度情況下的吸附平衡存在著較大差異性。溶液中的含磷量越多，其達(dá)到吸附平衡所需的時(shí)間久越久，當(dāng)溶液中的磷質(zhì)量濃度為20 mg/L 的時(shí)候其平衡時(shí)間約為120 min。溶液中的含磷量越多，水滑石的吸附量也越多，從2 mg/L時(shí)的2.01 mg/g 增加到20 mg/L 時(shí)的22.1 mg/g。由此可知溶液中的磷含量越多，水滑石的吸附效果就越好，這主要是由于溶液中磷酸根的濃度越多增加了水滑石和磷酸根接觸界面處的濃度梯度[6]，促進(jìn)了水滑石對(duì)磷的吸收。當(dāng)達(dá)到水滑石的吸收臨界點(diǎn)時(shí)，對(duì)溶液中磷酸根的吸收會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和狀態(tài)[7]。

4 改性鎂鋁水滑石實(shí)際吸附效果驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證改性鎂鋁水滑石的實(shí)際應(yīng)用效果，直接從城市排污渠內(nèi)取黑臭水體，對(duì)其成分進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)其中總磷的質(zhì)量濃度為3.08 mg/L，磷酸根離子的質(zhì)量濃度為2.29 mg/L。先對(duì)溶液進(jìn)行過(guò)濾，祛除雜質(zhì)，然后取過(guò)濾后的溶液作為驗(yàn)證時(shí)的吸收對(duì)象，利用改性鎂鋁水滑石進(jìn)行吸收驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水滑石實(shí)際吸收效果曲線

根據(jù)實(shí)際吸收驗(yàn)證，改性鎂鋁石能夠在90 min時(shí)達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，在反應(yīng)平衡時(shí)對(duì)磷酸根離子的吸附量達(dá)到了2.12 mg/L，因此其實(shí)際對(duì)黑臭水體中磷酸根的祛除率達(dá)到了2.12/2.29=92.58%，表現(xiàn)出了極高的吸附率，有效提升了對(duì)黑臭水體中磷的吸收效果。同傳統(tǒng)的生物法相比，整體的凈化成本能夠降低7.42%。

而且水滑石的實(shí)際吸收效果和理論分析基本一致，表明了該方案的準(zhǔn)確性，因此可以利用水滑石對(duì)黑臭水體中的磷進(jìn)行快速吸附，且不受其他組分的影響，提高了應(yīng)用范圍和有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

在獲取鎂鋁水滑石樣本后，在400 ℃的環(huán)境下煅燒20 h，能夠有效改善材料的吸附性，提高在黑臭水體中對(duì)磷元素的吸收量。

pH值不同的情況下對(duì)改性鎂鋁水滑石吸附的效果影響不大，溶液中磷元素的含量越多，改性鎂鋁石吸附效果越好。

改性鎂鋁石對(duì)黑臭水體中的磷元素的吸收率達(dá)到了92.58%，能夠?qū)⒑诔羲w的整體凈化成本降低約7.42%，具有極高的應(yīng)用推廣價(jià)值。