硫酸亚铁去除老澴河水中磷的研究

魏楠欣，李 强，郑足红*

(1.湖北工程学院 新技术学院，湖北 孝感 432000；2.湖北工程学院 生命科学技术学院，湖北 孝感 432000)

水体富营养化是一个严峻的环境问题[1-2]。水体中的TP含量超过0.02 mg/L时[3]，会增进水体富营养化。磷是水体富营养化的主要限制因子[4]，控制水体富营养化就是对磷进行控制和去除[5]，因此，研究磷的去除对水体富营养化的控制有重要意义。

老澴河源于河南省，流经湖北省孝感市，是孝感市内大悟县、孝昌县、孝南区的母亲河，在孝感城区西南部与府河汇合，后流入长江，其地理位置的独特与优越使得对其水质的要求更加严格，因此对此水体的总磷含量的检测与控制尤为重要。近几年来，随着孝感市人口的增长和经济的发展，老澴河水质逐渐恶化，因此对水体的治理刻不容缓。本研究水样采自老澴河长征南路跨河大桥两边的均匀混合水体。

目前，有关磷的去除研究已有许多报道，主要有化学沉淀、生物、人工湿地、结晶和吸附法除磷等[7-8]，化学沉淀是指磷与金属盐如铁等形成化学沉淀去除。但这些方法反应条件复杂、成本高且处理的污染物种类单一。因此选择合适的去除材料显得尤为重要。铁在地球上含量丰富且价廉易得[7]，用铁来修复和治理水环境具有重要的意义。铁盐的不同形态和价态产生的作用也各不相同[5]，Fe2+是最易获得的活化剂[9]，本文选择硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)来除磷，可为了解老澴河水体污染程度、对河流进行环境评价及化学法除磷提供一定的基础数据，以期为老澴河水体的管理及修复提供一定的借鉴和科学依据。

1 研究对象及方法

1.1 水样的采集

水样的采集主要参考国家《水质采样技术指导》[10]。老澴河监测断面共布设10个，各断面均取混合水样(600 mL)3个，采样点位于断面水质均匀的中泓垂线上，将水面下0.5 m处和河底以上0.5 m处的水样混合作为所取水样。采样点温度25 ℃，水温19.4 ℃，大气压力1056.3 hPa。

1.2 实验方法

TP的测定采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)。

TP标准曲线的回归方程为y=0.6256x-0.0006(R2=0.9997)。可得老澴河水体TP含量为0.0953 mg/L。根据水体富营养化表[10](水体富营养化时磷含量为0.030 ～ 0.100 mg/L)可知，该水体已经达到富营养化程度。故实验后期直接取河水作为实验水样，来探讨分析化学沉淀剂的影响因素。

1.3 除磷效果的影响

选用铁磷摩尔比、pH、凝聚时间、转速、搅拌时间等5因素进行实验，考查最佳操作条件。根据反应前后溶液中的磷浓度，计算去除率。

去除率E=(C0-Ci)/C0×100%

式中：E为去除率，%；C0为反应前的磷浓度，mg/L；Ci为反应后的磷浓度，mg/L。

1.3.1 铁磷摩尔比对除磷效果的影响

取若干份25 mL原水样，在铁磷摩尔比分别为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为8.0、温度为20 ℃、转速为200 r/min的恒温摇床中振荡9 min，凝聚40 min后测定溶液中磷的浓度。

1.3.2 pH对对除磷效果的影响

取若干份25 mL原水样，铁磷摩尔比为1:1，分别用10% HNO3和0.1 mol/L NaOH调节pH为4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9，在温度为20 ℃、转速为200 r/min的恒温摇床中振荡9 min，凝聚40 min后测定溶液中磷的浓度。

1.3.3 絮凝时间对除磷效果的影响

取若干份25 mL原水样，在铁磷摩尔比为1:1、pH为8.0、温度为20 ℃、转速为200 r/min的恒温摇床中振荡9 min，分别凝聚10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70 min后测定溶液中磷的浓度。

1.3.4 转速对吸附效果的影响

取若干份25 mL原水样，铁磷摩尔比为1:1，pH为8.0，温度为20 ℃，在转速分别为25、50、75、100、125、150、175、200、225、250 r/min的恒温摇床中振荡9 min，凝聚40 min后测定溶液中磷的浓度。

1.3.5 振荡时间对除磷效果的影响

取若干份25 mL原水样，在铁磷摩尔比为1:1、pH为8.0、温度为20 ℃、转速为200 r/min的恒温摇床中分别振荡1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13 min，凝聚40min后测定溶液中磷的浓度。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010进行数据整理、分析，采用origin2017制图。

2 结果与分析

2.1 铁磷摩尔比对除磷效果的影响

由图1可知，0.2<铁磷摩尔比<1.0时，磷的去除率随着铁磷摩尔比的增加而增加到最大(80.30%)；当铁磷摩尔比 > 1.0时，磷的去除率随铁磷摩尔比的增加而降低。

图1 铁磷摩尔比对磷去除率的影响

二价铁离子和磷酸根离子进行化学反应，故沉淀剂投加量与水样中磷的含量有关。但实际会伴随许多副反应，如二价铁氧化成三价铁离子，三价铁离子也能和磷酸根发生化学反应沉淀下来，另外二价铁也会发生水解反应消耗部分二价铁离子，故实际反应中铁磷摩尔比略大于1时效果更佳。实际生产中，综合考虑去除效果和使用成本，选择最佳铁磷摩尔比为1.0。

2.2 pH对除磷效果的影响

由图2可知，4.0 8.0时，磷的去除率随pH的增加而慢慢降低。选择除磷的最佳pH为8.0。

图2 pH对磷去除率的影响

pH在8.0附近时生成的沉淀溶解度最低，而pH超过8.5后磷的去除率明显下降，原因为磷酸与铁会形成铁磷沉淀，或少量铁的氢氧化物沉淀，而pH > 8.5时，Fe3+会被含量较多羟基离子与磷酸根离子竞争吸附，从而降低了磷的去除率[5]。

2.3 絮凝时间对除磷效果的影响

由图3可知， 10 min<凝聚时间<40 min时，磷的去除率随絮凝时间的增加而迅速增加到较大(40 min时去除率为80.21%)；当凝聚时间>40 min时，磷的去除率随铁磷摩尔比的增加而基本不变。溶液经沉淀处理后，需要静置凝聚使磷得以沉淀去除，因此除磷的最佳絮凝时间选为40 min。

图3 絮凝时间对磷去除率的影响

2.4 转速对除磷效果的影响

由图4可知， 25<转速<200 r/min时，磷的去除率随转速的增加而迅速增加到最大(80.30%)；当转速 > 200 r/min时，磷的去除率随转速的增加而基本稳定。选择除磷的最佳转速为200 r/min。

图4 转速对磷去除率的影响

转速对于絮凝起着非常重要的作用，它可以促进絮体凝聚，在一定范围内，絮体的形成随转速的增加而增加，当达到某一临界值时，沉降下来的絮体量会降低[11]，因为转速过度增大，会打破之前已经形成的絮体。

2.5 振荡时间对除磷效果的影响

由图5可知， 1 min<振荡时间<6 min时，磷的去除率在随振荡时间的增加而缓慢增加；在6 min<振荡时间<8 min时，随振荡时间的增加而迅速增加(78.73%)；在8 min<振荡时间<9 min时磷的去除率缓慢增加到最大(80.25%)；当振荡时间 > 9 min时，磷的去除率随振荡时间的增加而缓慢降低。因此除磷的最佳振荡时间为9 min。

图5 振荡时间对磷去除率的影响

絮凝机理的研究结果表明，磷的化学沉淀剂经历了两个阶段：首先是硫酸亚铁与含磷水样在快速搅拌混合下形成微小的颗粒，其次是形成的微小的颗粒在慢速搅拌混合下絮凝成较大颗粒并沉淀下来[5]。前者搅拌强度大而混合时间短，后者强度小而混合时间长，以利于细小絮体长大而防止较大絮体被碰撞打破。

3 结论

硫酸亚铁作为化学沉淀剂处理总磷含量为0.0953 mg/L的老澴河水体，在温度为20 ℃、铁磷摩尔比为1.0、pH为8.0、转速为200 r/min、震荡时间为9 min、凝聚时间为40 min时，可达最大去除率80.30%。本文可为化学除磷提供一定的理论依据。