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不同化學試劑對富營養化水體去磷效果的比較

                  不同化學試劑對富營養化水體去磷效果的比較
                                        黃河,蔡建輝
               (長江大學化學與環境工程學院,湖北荊州434023)
    [摘要]為探索控制水華爆發的方法,本實驗以荊州市東門護城河水為實驗對象,用三氯化鋁、三氯化鐵和氫氧化鈣對其進行處理,研究了三種絮凝劑的投加量對總磷處理效果的影響,并比較了不同溫度下各種絮凝劑的絮凝效果。結果表明:氫氧化鈣在投加量為205.9 mg/L時達到最佳效果,最佳反應pH在11.3,最佳反應溫度為27℃;三氯化鋁在投加量為58.3 mg/L時達到最佳效果,最佳反應pH在6.9,最佳反應溫度為30℃;三氯化鐵在投加量為43.1 mg/L時達到最佳效果,最佳反應pH為7.1,最佳反應溫度為27℃。結論:在實際應用時根據不同的氣溫條件,采用氫氧化鈣和三氯化鐵單獨或配合使用能達到較好的控制水華的效果。
    [關鍵詞]絮凝劑;氫氧化鈣;三氯化鋁;三氯化鐵;除磷
    [中圖分類號]X5[文獻標識碼]A[文章編號]1007-1865(2011)12-0077-03
    磷在自然界的循環是人們極為關注的問題,因為磷一方面是生態系統中必不可少的營養元素,另一方面大量的磷會導致水體的富營養化,使生態平衡遭到破壞。沉積物對上覆水中磷的含量起緩沖作用,隨著環境條件的改變,沉積物中的磷可以進入間隙水中,進而通過擴散作用,在上覆水中重新參與磷循環。同時水體中的磷可與水中共存的離子,如鐵、鋁和鈣等離子相結合以不同的結合態共存于沉積物中。當水體中氮和磷的濃度比在10∶1~25∶1的范圍時,藻類生長與氮磷濃度存在直線相關關系。[1]水體富營養化已成為當今世界水污染治理難題。[2]當水體中磷元素供應充足時,有利于藻類生長,促使水體迅速向富營養化方向發展[3]。因此,磷元素是水體富營養化的限制因子,故研究水體除磷技術與方法對控制和治理水體富營養化是十分重要的。除磷的方法主要分為物理法、化學法及生物法三大類。物理法因成本過高、技術復雜而很少使用。生物法除磷是新工藝,近20年來得到了廣泛的重視和研究。但這種工藝一般用于污水處理廠,對于自然水體,生物法存在一定的局限性。化學法是最早采用的一種除磷方法,它是以磷酸鹽能和某些化學物質如鐵鹽、鋁鹽、石灰等反應生成不溶的沉淀物為基礎進行的,其產物常有絮凝的作用,有助于磷酸鹽的分離。這種方法也大都用在污水處理廠的工藝上。文章用化學方法處理富營養化自然水體,旨在控制水花的發生,避免因水花的大量爆發而發生大的生態危害。
    1·材料與方法
    實驗水樣采自荊州東門護城河,采集時現場測定水樣的溫度與pH,拿回實驗室后直接處理,或在冰箱內暫時保存。水樣的pH均在7~8,水體呈墨綠色,水中絲狀植物較多,有肉眼可見的細小動物游動。實驗前先讓其穩定沉淀后再進行處理。磷的測定按中華人民共和國國家標準GB11893-89鉬酸銨分光光度法。
    2·結果
    2.1不同化學試劑的除磷效果
    2.1.1氫氧化鈣的不同投加量對除磷效率的影響
    由圖1可以看出,隨著氫氧化鈣投加量的增加,水樣的pH逐漸升高,總磷含量也逐漸降低,當氫氧化鈣的投加量增加到205.9 mg/L后,pH和總磷濃度的變化就不再明顯。由圖2可知當氫氧化鈣的投加量為205.9 mg/L時,總磷(TP)的去除率最高(96.4%),此時的pH是11.3。當氫氧化鈣的投加量超過205.9 mg/L后,總磷去除率變化不明顯。
              
    2.1.2三氯化鋁的不同投加量對除磷效率的影響
    由圖3可知,當三氯化鋁的投加量為76.9 mg/L時,TP含量最低,即總磷的去除率最高(97.7%),此時pH為6.6。但當三氯化鋁的投加量為58.3 mg/L時,總磷的去除率便達到了97.2%,此時pH為6.9。故最佳投加量可以確定為58.3mg/L。隨著投加量的增加,處理后水樣的pH逐漸降低,總磷的濃度也逐漸降低。當投加量超過58.3 mg/L后,總磷的濃度變化不明顯,但pH繼續下降;由圖4可以看出,隨著三氯化鋁投加量的增加,水樣中磷的去除率逐漸升高,當投加量達到58.3 mg/L后,總磷去除率達到最高,隨后總磷去除率變化不明顯。
             
    2.1.3三氯化鐵的不同投加量對除磷效率的影響
    由圖5和圖6可知,當三氯化鐵投加量為43.1 mg/L時總磷濃度最低,總磷的去除率達到最高(92.1%),此時pH為7.1。而且隨著三氯化鐵投加量的增加,pH和總磷的濃度逐漸降低,水中總磷的去除率逐漸增加。
            
             
    2.2溫度對各種化學試劑除磷效率的影響
    2.2.1溫度對氫氧化鈣除磷效率的影響
    由圖7可以看出,隨著溫度的升高,水樣中總磷的濃度逐漸升高,到33℃后開始稍有降低,但36℃后又開始升高;水溫在27~30℃時pH逐漸升高,30~33℃降低,但33~36℃又逐漸升高,36~39℃之間pH變化不明顯。由圖8可見,隨著溫度的升高,氫氧化鈣對磷的去除率逐漸降低,超過33℃后溫度對其去除率影響不明顯。
            
    2.2.2溫度對三氯化鋁的除磷效率的影響
    由圖9和10可知,隨著溫度的升高,水樣的pH先降低,在33℃時達到最低,然后開始升高。水中總磷的濃度也是先降低后升高,在30℃時總磷的濃度達到最低。相應的三氯化鋁去磷的效率也是先升高然后降低,在30℃時總磷處理率達最高。
             
             
    2.2.3不同溫度對三氯化鐵的除磷效率的影響
    由圖11和12可知,隨著溫度的升高,水樣的pH先是升高,在33℃時升至最高,然后開始降低。而水樣中總磷的濃度則隨水溫的升高而升高。三氯化鐵除磷的效率隨溫度的升高而逐漸降低。
            
    3·討論與結論
    化學除磷是通過向污水中投加無機金屬鹽藥劑,與污水中溶解性的鹽類,如磷酸鹽混合后,形成顆粒狀、非溶解性的物質發生化學沉析過程完成的。其中Ca(OH)2除磷的原理為:[4]水中的磷酸根離子在有OH-存在的條件下,與Ca2+反應生成堿式磷酸鈣沉淀,3HPO42-+5Ca2++4OH-→Ca5(OH)(PO4)3↓+3H2O。投加Ca(OH)2可以提高pH和Ca2+濃度,使反應向有利于生成堿式磷酸鈣沉淀方向進行,使磷的去除率得到了提高。本實驗結果證明了這一規律。該方法的弊端是加Ca(OH)2會導致水體pH升高。但自然水體具有一定的緩沖能力,CO2+H2O→HCO3-+H+,HCO3-+Ca2+→CaCO3↓+H+,其中H+會不斷與Ca(OH)2產生的OH-結合生成H2O,從而降低水體pH。
    鋁鹽除磷的原理一般認為是鋁鹽分散于水體時,一方面Al3+與PO43-反應,Al3++HnPO4(3-n)=AlPO4↓+nH+,另一方面,Al3+首先水解生成單核絡合物Al(OH)2+及AlO2-等,單核絡合物通過碰撞進一步縮合,進而形成一系列多核絡合物Aln(OH)m(3n-m)+(n>1,m≤3 n),這些鋁的多核絡合物促進了膠體和懸浮物等沉淀,達到較好的除磷效果。鋁鹽除磷可降低水體的pH,但Al對人體有毒,使用時要注意到這一點。
    鐵鹽除磷的過程比較復雜:一方面Fe3+既可與磷酸根生成難溶鹽,Fe3++PO43-=FePO4↓,又可與HCO3-結合生成Fe(OH)3沉淀,Fe3++3HCO3-=Fe(OH)3↓+3CO2;另一方面Fe3+可發生強烈水解,并發生各種聚合反應,生成具有較長線性結構的多核羥基絡合物,如Fe2(OH)24+、Fe3(OH)45+、Fe5(OH)96+、Fe5(OH)87+、Fe5(OH)78+等。這些含鐵的羥基絡合物能有效促使膠體凝聚,通過沉淀分離將磷去除。由本實驗結果可知鐵鹽的加入還能降低水樣的pH,在pH為7左右時亦能達到較好的處理效果,而且對自然水體影響較小。
    由以上分析,我們可以得出如下結論:
    (1)氫氧化鈣的最佳投加量在205.9 mg/L,最佳反應pH為11.3,最佳反應溫度為27℃;三氯化鋁的最佳投加量在58.3mg/L,最佳反應pH為6.9,最佳反應溫度在30℃;三氯化鐵的最佳投加量為43.1 mg/L,最佳反應pH為7,最佳反應溫度在27℃;
    (2)隨著溫度的升高(27~39℃),氫氧化鈣和三氯化鐵的除磷率明顯下降,而三氯化鋁的除磷率卻隨著溫度的升高而升高,到30℃時除磷率達到最大,之后開始有所下降。可見三氯化鋁比較適合在溫度較高時進行處理,另兩種比較適合在常溫下進行處理;
    (3)考慮到鋁的毒性,在實際應用時采用氫氧化鈣和三氯化鐵單獨或配合使用能達到較好的處理效果。
參考文獻
[1]王志紅,崔福義,安全,等.營養因子與藻生物量的回歸模型[J].廣東工業大學學報,2005,22(2):26-30.
[2]朱廣偉.太湖富營養化現狀及原因分析[J].J LakeSci:湖泊科學,2008,20(1):21-26.
[3]付春平,鐘成華,鄧春光.水體富營養化成因分析[J].重慶建筑大學學報,2005,27(1):128-131.
[4]李京雄,孫水裕,苑星海.城市生活污水化學除磷試劑的應用比較[J].廣東微量元素科學,2006,13(1):19-22.
(本文文獻格式:黃河,蔡建輝.不同化學試劑對富營養化水體去磷效果的比較[J].廣東化工,2011,38(12):77-79)


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