硫酸亞鐵去除老澴河水中磷的研究

魏楠欣，李 強，鄭足紅*

(1.湖北工程學院 新技術學院，湖北 孝感 432000；2.湖北工程學院 生命科學技術學院，湖北 孝感 432000)

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

老澴河源于河南省，流經湖北省孝感市，是孝感市內大悟縣、孝昌縣、孝南區的母親河，在孝感城區西南部與府河匯合，后流入長江，其地理位置的獨特與優越使得對其水質的要求更加嚴格，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濟的發展，老澴河水質逐漸惡化，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，有關磷的去除研究已有許多報道，主要有化學沉淀、生物、人工濕地、結晶和吸附法除磷等[7-8]，化學沉淀是指磷與金屬鹽如鐵等形成化學沉淀去除。但這些方法反應條件復雜、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]，用鐵來修復和治理水環境具有重要的意義。鐵鹽的不同形態和價態產生的作用也各不相同[5]，Fe2+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、對河流進行環境評價及化學法除磷提供一定的基礎數據，以期為老澴河水體的管理及修復提供一定的借鑒和科學依據。

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《水質采樣技術指導》[10]。老澴河監測斷面共布設10個，各斷面均取混合水樣(600 mL)3個，采樣點位于斷面水質均勻的中泓垂線上，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標準曲線的回歸方程為y=0.6256x-0.0006(R2=0.9997)?？傻美蠞缀铀wTP含量為0.0953 mg/L。根據水體富營養化表[10](水體富營養化時磷含量為0.030 ～ 0.100 mg/L)可知，該水體已經達到富營養化程度。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、轉速、攪拌時間等5因素進行實驗，考查最佳操作條件。根據反應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為反應前的磷濃度，mg/L；Ci為反應后的磷濃度，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 ℃、轉速為200 r/min的恒溫搖床中振蕩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調節pH為4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9，在溫度為20 ℃、轉速為200 r/min的恒溫搖床中振蕩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 ℃、轉速為200 r/min的恒溫搖床中振蕩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 ℃，在轉速分別為25、50、75、100、125、150、175、200、225、250 r/min的恒溫搖床中振蕩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 ℃、轉速為200 r/min的恒溫搖床中分別振蕩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 數據統計與分析

采用Excel 2010進行數據整理、分析，采用origin2017制圖。

2 結果與分析

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行化學反應，故沉淀劑投加量與水樣中磷的含量有關。但實際會伴隨許多副反應，如二價鐵氧化成三價鐵離子，三價鐵離子也能和磷酸根發生化學反應沉淀下來，另外二價鐵也會發生水解反應消耗部分二價鐵離子，故實際反應中鐵磷摩爾比略大于1時效果更佳。實際生產中，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，Fe3+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 轉速對除磷效果的影響

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

圖4 轉速對磷去除率的影響

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

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

絮凝機理的研究結果表明，磷的化學沉淀劑經歷了兩個階段：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，以利于細小絮體長大而防止較大絮體被碰撞打破。

3 結論

硫酸亞鐵作為化學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、轉速為200 r/min、震蕩時間為9 min、凝聚時間為40 min時，可達最大去除率80.30%。本文可為化學除磷提供一定的理論依據。