黑臭水體中高效脫磷工藝的應用研究

孫玲霞

（天水市秦安生態環境監測站，甘肅 天水 741600）

0 引言

隨著全球城市化和工業化進程的不斷加速，各類污染物的排放迅速增加，導致城市水體污染加劇，經常出現間斷性或者連續性的黑臭現象，給城市居民的生活帶來了嚴重影響。通過研究發現，在黑臭水體中存在著低溶解氧和厭氧環境，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合形成硫化鐵，導致水體呈現黑色。在鐵離子被還原的過程中會形成大量的磷酸鹽離子，導致水體呈現出富營養化，使水體中的藻類大量生長，進一步減少水體中的氧氣，促進了鐵離子的還原。因此對黑臭水體治理的關鍵是減少水體中的磷元素，抑制鐵離子的還原。

目前對磷元素的控制，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，對改性鎂鋁水滑石在不同水體環境中的除磷效果進行了分析。結果表明，新的除磷技術能夠適應各類黑臭水體，除磷效率高、經濟性好。

1 材料制備及試驗方案分析

1.1 試驗材料制備

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。接下來將混合液在65 ℃的環境中持續攪拌20 h，獲取其膏狀物后將其放入到烘烤箱內烘烤成固體粉末，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。

1.2 試驗設計

為了確保改性鎂鋁水滑石對黑臭水體中磷的吸附作用研究的精確性，共設計了不同水質對吸附效果的影響及改性鎂鋁水滑石對黑臭水體中磷的凈化作用研究兩個試驗[4]。

不同水質對吸附效果的影響，水質的不同主要體現在了PH 值和水中磷濃度的不同。在驗證時，首先利用磷酸二氫鉀溶解在水中，模擬水中磷元素的濃度，根據黑臭水體中磷的分布情況，分別設計水中磷的濃度為2.1、9、20 mol/L 三種濃度狀態進行研究。水體中的pH 值則選擇6 和8 兩種狀態進行分析。在試驗時按固液比為2 g/L 稱取0.5 g 改性鎂鋁水滑石加入到上述溶液中，對反應時間為0.5～120 min 情況下進行取樣驗證。

對改性鎂鋁水滑石吸附試驗，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，在常溫下連續攪拌100 min 后進行吸附試驗，然后對反應時間為0.5～120 min 情況下進行取樣驗證。

1.3 吸附量計算

在反應過程中對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量濃度，mg/L；ρ2為被吸收后黑臭水體中磷酸離子質量濃度，mg/L；V為反應時黑臭水體的體積，L；m 為加入的吸附劑的質量，g；

2 pH 值對水滑石吸附效果影響

pH 值分別為6 和8 情況下，水滑石對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，改性鎂鋁水滑石對溶液中磷的吸收分為了兩個部分，第一部分時在反應前的約30 min內，對溶液中磷的快速吸收，當時間超過30 min 后，對溶液中磷的吸收速度逐步降低并慢慢處于平衡狀態。通過對比，在溶液的pH值不同的情況下均能實現在120 min 內將溶液中的磷離子吸收完成。當pH值為6 的情況下，對磷的吸收量約為9.66 mg/g，而當pH值為了8 的情況下，對磷的吸收量約為9.61 mg/g，兩者的吸附效果差異不大。因此可以得到，pH值不同的情況下對改性鎂鋁水滑石吸附的效果影響不大。

3 溶液中磷濃度對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

由實際驗證結果可知，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，其達到吸附平衡所需的時間久越久，當溶液中的磷質量濃度為20 mg/L 的時候其平衡時間約為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時的2.01 mg/g 增加到20 mg/L 時的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]，促進了水滑石對磷的吸收。當達到水滑石的吸收臨界點時，對溶液中磷酸根的吸收會達到一個飽和狀態[7]。

4 改性鎂鋁水滑石實際吸附效果驗證

為了進一步驗證改性鎂鋁水滑石的實際應用效果，直接從城市排污渠內取黑臭水體，對其成分進行分析后，發現其中總磷的質量濃度為3.08 mg/L，磷酸根離子的質量濃度為2.29 mg/L。先對溶液進行過濾，祛除雜質，然后取過濾后的溶液作為驗證時的吸收對象，利用改性鎂鋁水滑石進行吸收驗證，結果如圖3所示。

圖3 水滑石實際吸收效果曲線

根據實際吸收驗證，改性鎂鋁石能夠在90 min時達到吸附平衡狀態，在反應平衡時對磷酸根離子的吸附量達到了2.12 mg/L，因此其實際對黑臭水體中磷酸根的祛除率達到了2.12/2.29=92.58%，表現出了極高的吸附率，有效提升了對黑臭水體中磷的吸收效果。同傳統的生物法相比，整體的凈化成本能夠降低7.42%。

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

5 結語

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

pH值不同的情況下對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。

改性鎂鋁石對黑臭水體中的磷元素的吸收率達到了92.58%，能夠將黑臭水體的整體凈化成本降低約7.42%，具有極高的應用推廣價值。