黑臭水体中高效脱磷工艺的应用研究

孙玲霞

（天水市秦安生态环境监测站，甘肃 天水 741600）

0 引言

随着全球城市化和工业化进程的不断加速，各类污染物的排放迅速增加，导致城市水体污染加剧，经常出现间断性或者连续性的黑臭现象，给城市居民的生活带来了严重影响。通过研究发现，在黑臭水体中存在着低溶解氧和厌氧环境，在水体中的铁离子被还原呈了亚铁离子，亚铁离子和水中的硫离子结合形成硫化铁，导致水体呈现黑色。在铁离子被还原的过程中会形成大量的磷酸盐离子，导致水体呈现出富营养化，使水体中的藻类大量生长，进一步减少水体中的氧气，促进了铁离子的还原。因此对黑臭水体治理的关键是减少水体中的磷元素，抑制铁离子的还原。

目前对磷元素的控制，主要采用了沉淀法、生物法、吸附法等[1]，但这些方法均存在着效率低、成本高、使用条件受限制大的不足，难以满足黑臭水体的处理需求。因此，提出了一种以改性镁铝水滑石为核心的除磷技术，对改性镁铝水滑石在不同水体环境中的除磷效果进行了分析。结果表明，新的除磷技术能够适应各类黑臭水体，除磷效率高、经济性好。

1 材料制备及试验方案分析

1.1 试验材料制备

改性镁铝水滑石制备。首先利用共沉淀法制备含有碳酸根插层的Mg-Al-CO3水滑石，然后再使用蒸馏水制备含1 mol/L 硝酸镁和0.5 mol/L 硝酸铝的混合溶液，在该溶液中中的镁离子和铝离子的质量比为3∶1，再将混合好的溶液用滴管逐滴滴入到碳酸钠和氢氧化钠组成的混合碱液中[2]，该混合碱液中碳酸钠的浓度为0.89 mol/L，氢氧化钠的浓度为4 mol/L。接下来将混合液在65 ℃的环境中持续搅拌20 h，获取其膏状物后将其放入到烘烤箱内烘烤成固体粉末，该粉末就是镁铝水滑石。最后再把该粉末在400 ℃的环境下煅烧20 h，从而改善材料的吸附性，获取改性镁铝水滑石[3]。

黑臭水体。直接取自城市的排水沟内。

1.2 试验设计

为了确保改性镁铝水滑石对黑臭水体中磷的吸附作用研究的精确性，共设计了不同水质对吸附效果的影响及改性镁铝水滑石对黑臭水体中磷的净化作用研究两个试验[4]。

不同水质对吸附效果的影响，水质的不同主要体现在了PH 值和水中磷浓度的不同。在验证时，首先利用磷酸二氢钾溶解在水中，模拟水中磷元素的浓度，根据黑臭水体中磷的分布情况，分别设计水中磷的浓度为2.1、9、20 mol/L 三种浓度状态进行研究。水体中的pH 值则选择6 和8 两种状态进行分析。在试验时按固液比为2 g/L 称取0.5 g 改性镁铝水滑石加入到上述溶液中，对反应时间为0.5～120 min 情况下进行取样验证。

对改性镁铝水滑石吸附试验，则先取500 mL 的黑臭水体，然后按照固液比为2 g/L 的条件，加入1 g改性镁铝水滑石粉末，在常温下连续搅拌100 min 后进行吸附试验，然后对反应时间为0.5～120 min 情况下进行取样验证。

1.3 吸附量计算

在反应过程中对溶液中磷酸根离子的吸附量可以表示为公式（1）[5]：

式中：q 为水滑石对溶液中磷酸根离子的吸附量，mg/g；ρ1为黑臭水体中磷酸离子最初质量浓度，mg/L；ρ2为被吸收后黑臭水体中磷酸离子质量浓度，mg/L；V为反应时黑臭水体的体积，L；m 为加入的吸附剂的质量，g；

2 pH 值对水滑石吸附效果影响

pH 值分别为6 和8 情况下，水滑石对水体中的磷的吸附效果如图1 所示。

图1 不同pH 值下磷吸附效果

由图1 可知，改性镁铝水滑石对溶液中磷的吸收分为了两个部分，第一部分时在反应前的约30 min内，对溶液中磷的快速吸收，当时间超过30 min 后，对溶液中磷的吸收速度逐步降低并慢慢处于平衡状态。通过对比，在溶液的pH值不同的情况下均能实现在120 min 内将溶液中的磷离子吸收完成。当pH值为6 的情况下，对磷的吸收量约为9.66 mg/g，而当pH值为了8 的情况下，对磷的吸收量约为9.61 mg/g，两者的吸附效果差异不大。因此可以得到，pH值不同的情况下对改性镁铝水滑石吸附的效果影响不大。

3 溶液中磷浓度对改性水滑石吸附影响

溶液中不同含磷量的情况下改性水滑石的吸附情况如图2 所示。

图2 不同含磷情况下水中改性水滑石吸附量变化情况

由实际验证结果可知，不同含磷浓度情况下的吸附平衡存在着较大差异性。溶液中的含磷量越多，其达到吸附平衡所需的时间久越久，当溶液中的磷质量浓度为20 mg/L 的时候其平衡时间约为120 min。溶液中的含磷量越多，水滑石的吸附量也越多，从2 mg/L时的2.01 mg/g 增加到20 mg/L 时的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，这主要是由于溶液中磷酸根的浓度越多增加了水滑石和磷酸根接触界面处的浓度梯度[6]，促进了水滑石对磷的吸收。当达到水滑石的吸收临界点时，对溶液中磷酸根的吸收会达到一个饱和状态[7]。

4 改性镁铝水滑石实际吸附效果验证

为了进一步验证改性镁铝水滑石的实际应用效果，直接从城市排污渠内取黑臭水体，对其成分进行分析后，发现其中总磷的质量浓度为3.08 mg/L，磷酸根离子的质量浓度为2.29 mg/L。先对溶液进行过滤，祛除杂质，然后取过滤后的溶液作为验证时的吸收对象，利用改性镁铝水滑石进行吸收验证，结果如图3所示。

图3 水滑石实际吸收效果曲线

根据实际吸收验证，改性镁铝石能够在90 min时达到吸附平衡状态，在反应平衡时对磷酸根离子的吸附量达到了2.12 mg/L，因此其实际对黑臭水体中磷酸根的祛除率达到了2.12/2.29=92.58%，表现出了极高的吸附率，有效提升了对黑臭水体中磷的吸收效果。同传统的生物法相比，整体的净化成本能够降低7.42%。

而且水滑石的实际吸收效果和理论分析基本一致，表明了该方案的准确性，因此可以利用水滑石对黑臭水体中的磷进行快速吸附，且不受其他组分的影响，提高了应用范围和有效性。

5 结语

在获取镁铝水滑石样本后，在400 ℃的环境下煅烧20 h，能够有效改善材料的吸附性，提高在黑臭水体中对磷元素的吸收量。

pH值不同的情况下对改性镁铝水滑石吸附的效果影响不大，溶液中磷元素的含量越多，改性镁铝石吸附效果越好。

改性镁铝石对黑臭水体中的磷元素的吸收率达到了92.58%，能够将黑臭水体的整体净化成本降低约7.42%，具有极高的应用推广价值。