硅酸鈣處理富營養(yǎng)化湖水中總磷的實(shí)驗(yàn)研究*

張連科，楊冬梅，韓劍宏，曲堂超

［1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.包鋼稀土（集團(tuán)）高科技股份有限公司］

湖泊的富營養(yǎng)化是當(dāng)前一個(gè)十分嚴(yán)重的環(huán)境問題。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模的發(fā)展，工業(yè)和生活廢水成分越來越復(fù)雜，并且不斷地進(jìn)入湖泊等水體，造成氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量過多。在光照充足和其他適宜的環(huán)境條件下，水體中富含的這些營養(yǎng)物質(zhì)加快了藻類的繁殖速度，隨著藻類死亡和一些微生物代謝活動(dòng)的增強(qiáng)，水體中的溶解氧可能被逐漸耗盡，從而造成水體質(zhì)量的嚴(yán)重惡化。湖泊的富營養(yǎng)化分泌出大量浮游藻類，部分藻類種群會(huì)釋放毒素，對(duì)魚類養(yǎng)殖和人畜飲用造成不良影響。富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)遵從國家環(huán)境監(jiān)測(cè)總站頒發(fā)的文件要求，選取葉綠素a（Chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）、高錳酸鹽指數(shù) （CODMn）5項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)［1］。研究表明，富營養(yǎng)化水體的控制因素主要是磷元素［2］。筆者以總磷為研究對(duì)象，探討如何高效去除總磷以降低富營養(yǎng)化程度。除磷的方法主要有化學(xué)沉淀法、生物法、離子交換法、結(jié)晶法、吸附法等［3-4］。 有學(xué)者采用沸石為材料對(duì)磷進(jìn)行吸附［5］，硅酸鈣是由高鋁粉煤灰提取氧化鋁粉后產(chǎn)生的一般工業(yè)廢棄物，其比表面積較大、內(nèi)部微孔發(fā)達(dá)，考慮到廢棄物資源化及硅酸鈣本身的特點(diǎn)，結(jié)合其他學(xué)者的研究成果，嘗試將硅酸鈣應(yīng)用于處理富營養(yǎng)化湖水中的總磷，探討其應(yīng)用的可能性及其影響因素，擴(kuò)大了硅酸鈣的應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)可以解決總磷去除的問題［6］。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所使用的硅酸鈣是來自粉煤灰提取高鋁粉后的工業(yè)廢棄物（內(nèi)蒙古大唐國際再生資源開發(fā)有限公司），其主要化學(xué)組成：w（SiO2）=43.6、w（CaO）=44.8%、w（Fe2O3）=0.065%、燒失量為 10%。 硅酸鈣的電鏡測(cè)試顯示其結(jié)構(gòu)主要呈蜂窩狀、層狀、卷曲層狀，微粒內(nèi)部及表面孔隙發(fā)達(dá)［7］。

1.2 實(shí)驗(yàn)分析方法

總磷濃度采用GB/T 11893-1989《水質(zhì)總磷的測(cè)定鉬酸銨分光光度法》測(cè)定［8］。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 靜態(tài)單因素實(shí)驗(yàn)

分別稱取一定量的硅酸鈣加入6個(gè)100 mL燒杯中，杯內(nèi)裝有取自某湖泊的富營養(yǎng)化水，在振蕩器上以150 r/min的速率振蕩一段時(shí)間后再靜置，取上清液過濾后采用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法測(cè)量溶液中總磷濃度，考察pH、硅酸鈣投加量、振蕩時(shí)間等因素對(duì)總磷去除率的影響。

1.3.2 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

吸附等溫研究對(duì)象是一定吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附能力的表征，根據(jù)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果，在室溫下分別取100 mL的水樣置于6個(gè)錐形瓶中，再向每個(gè)錐形瓶中加入不同質(zhì)量的硅酸鈣，在150 r/min的條件下振蕩1 h，靜置取上清液，分析濾液中的總磷濃度。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 靜態(tài)單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 硅酸鈣投加量對(duì)吸附性能的影響

將 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2g 硅酸鈣分別與 100mL的水樣混合，按照1.3.1節(jié)的設(shè)計(jì)，測(cè)定總磷含量并計(jì)算其去除率，結(jié)果見圖1。由圖1可知，隨著硅酸鈣投加量的增大，總磷的去除率也逐漸增大；但投加量達(dá)0.8 g以后，總磷去除率的變化趨勢(shì)并不明顯。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本以及節(jié)約資源能源等方面的因素，確定硅酸鈣對(duì)總磷去除的最佳投加量為0.8 g（以100 mL湖水水樣計(jì)），此時(shí)水樣中剩余總磷的質(zhì)量濃度在夏季和冬季分別為0.040 mg/L和0.059 mg/L。

圖1 硅酸鈣吸附劑的投加量對(duì)總磷去除率的影響

2.1.2 吸附時(shí)間對(duì)硅酸鈣吸附性能的影響

吸附性能中影響因素較大的是吸附時(shí)間，將上述實(shí)驗(yàn)中較佳的硅酸鈣投加量與100 mL的水樣混合，分別振蕩 20、40、60、80、100、120 min 后靜置、過濾，取其濾液測(cè)定指標(biāo)分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，當(dāng)吸附時(shí)間由20 min增至120 min時(shí)，硅酸鈣對(duì)總磷的去除率在夏季和冬季均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。夏季吸附60 min時(shí)，總磷的去除率達(dá)到最大（86.67%）；冬季吸附80 min時(shí)達(dá)到了吸附平衡。這是因?yàn)殡S著時(shí)間延長(zhǎng)，硅酸鈣對(duì)總磷產(chǎn)生了解析現(xiàn)象，使得其去除率降低。綜合考慮，選擇硅酸鈣對(duì)富營養(yǎng)化湖水中總磷的最佳吸附平衡時(shí)間為60 min。

圖2 振蕩時(shí)間對(duì)總磷去除率的影響

2.1.3 pH對(duì)硅酸鈣吸附性能的影響

考慮氨、氮在不同pH條件下可能存在著不同的狀態(tài)，同時(shí)也可能導(dǎo)致去除效果有較大的區(qū)別，實(shí)驗(yàn)中分別控制 pH 為 2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0，其他按照1.3.1節(jié)的設(shè)計(jì)，測(cè)定總磷含量并計(jì)算其去除率，結(jié)果見圖3。由圖3可知，夏季和冬季中總磷的去除效果趨勢(shì)基本相同，都呈現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)楣杷徕}吸附劑的主要成分是一些堿性氧化物（SiO2和CaO），在強(qiáng)酸性環(huán)境中，溶液中的H+使這些具有絡(luò)合凝聚作用的堿性氧化物失活，但同時(shí)由于析出的鈣離子又有絮凝沉淀作用，因此使得對(duì)總磷的吸附能力保持在50%左右；此外，較高的pH使硅酸鈣表面帶有大量的負(fù)電荷，由于靜電斥力的影響使磷酸根不易接近硅酸鈣顆粒表面［4］，使磷的去除率逐漸下降。因此，確定水樣的最佳pH為6。

圖3 pH對(duì)總磷去除率的影響

2.2 硅酸鈣對(duì)總磷的等溫吸附

通常采用Langmuir等溫式和Freundlich等溫式可以描述吸附動(dòng)力學(xué)。前者是單分子層吸附模型，后者是經(jīng)驗(yàn)吸附等溫式，一般是多分子層吸附。按照1.3.2節(jié)的方法將結(jié)果取倒數(shù)得到Langmuir等溫式，繪制倒數(shù)直線擬合得到Freundlich等溫式，如圖4和圖5所示。Langmuir和Freundlich等溫式的線性相關(guān)系數(shù) 分別 為 0.9793和 0.9677，Langmuir和Freundlich公式均能很好地描述硅酸鈣對(duì)總磷的吸附作用，實(shí)驗(yàn)所用硅酸鈣對(duì)總磷的最大吸附量（Qmax）為5.32 mg/g，表明該硅酸鈣具有很好的總磷吸附能力。

圖4 硅酸鈣吸附劑對(duì)總磷的吸附Langmuir等溫式

圖5 硅酸鈣吸附劑對(duì)總 磷的吸附Freundlich等溫式

3 結(jié)論

1）在投加量為0.8 g（以100 mL水樣計(jì)）、吸附時(shí)間為60 min、pH=6條件下，硅酸鈣對(duì)總磷的去除率在夏季、冬季分別可達(dá)到89.26%、76.54%。

2）硅酸鈣對(duì)總磷的吸附可以采用Langmuir和Freundlich吸附等溫式描述，總磷的最大吸附量為5.32 mg/g。

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［8］國家環(huán)境保護(hù)局《水和廢水檢測(cè)分析方法》編委會(huì)編.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.第4版.北京；中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.