污泥磷形態(tài)及響應(yīng)面分析法優(yōu)化釋磷試驗

王方舟，劉雪瑜，肖書虎，顏秉斐，宋永會*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院

磷是一種寶貴的資源，在生物細胞之間的能量傳遞和蛋白質(zhì)合成中扮演重要角色，又是生產(chǎn)磷肥、飼料及生活必需品的原料[1]。污泥是污水經(jīng)活性污泥處理法處理后的產(chǎn)物[2]，是常見的富磷廢物資源，其中總磷濃度為18～60 mgg[3]。隨著我國污水處理量的增長，污泥產(chǎn)量逐年增加，截至2018年底，我國污泥年產(chǎn)量約為5 665 t[4]。大部分磷隨污泥進入填埋場所，僅有18.65%的磷被土地利用[5]。如果污泥處置不當(dāng)，其浸出液又會導(dǎo)致二次污染[6]。為了有效利用污泥中的磷資源，控制水體中的磷污染，學(xué)者們通過物理法和化學(xué)法對剩余污泥進行預(yù)處理，從而將污泥中的磷釋放出來[7]，以便后續(xù)磷的回收。

污泥磷釋放常用的方法有熱解、酸解和堿解等[8]。其中熱解法具有升溫速度快、破解效果好且不易產(chǎn)生臭氣等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛[9]，其原理是溫度升高破壞了污泥細胞內(nèi)的化學(xué)鍵，使胞內(nèi)物質(zhì)不斷釋放[10]。Noboru等[11]發(fā)現(xiàn)，活性污泥于70 ℃加熱1 h后，可釋放出近87%的總磷。薛濤等[12]發(fā)現(xiàn)，最佳熱處理溫度為50 ℃，處理時間為1 h，能夠釋放出約95%的正磷酸鹽。

響應(yīng)面分析法，即響應(yīng)曲面設(shè)計方法(response surface methodology，RSM)，將體系的響應(yīng)值作為一個或多個因素的函數(shù)，通過圖形將試驗結(jié)果直觀地表現(xiàn)出來[13]。該方法利用合理的試驗設(shè)計，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，并對回歸方程進行分析，得到最優(yōu)的操作參數(shù)，可以解決多變量問題[14]。

從污泥中回收磷的首要條件是將磷從固相轉(zhuǎn)移到液相[15]，磷的不同形態(tài)及其分布影響著污泥磷回收的效率，磷的釋放率基本上與其存在形態(tài)相關(guān)[16]。筆者對污水處理廠的工藝流程進行分析，探究污水中的磷濃度分布，對磷的形態(tài)進行檢測，并選擇適宜的方式進行磷的釋放試驗，同時利用響應(yīng)面分析法對污泥釋放磷的影響因素及因素間的交互作用進行優(yōu)化，以期為后續(xù)的污泥磷回收提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 試驗方法

1.2.1污水處理廠中磷的分布與形態(tài)分析

北京某污水處理廠處理規(guī)模為100萬m3d，處理工藝為A2O[17]。其除磷工藝為生物除磷，同時投加金屬鹽類(聚合氯化鋁)，使廢水中的磷轉(zhuǎn)化為不溶性磷酸鹽沉淀而被去除[18]。通過對污水處理廠除磷工藝的分析，選擇初沉池進水、二沉池出水及污泥樣品進行磷濃度的檢測，分析磷濃度變化及流向分布。

化學(xué)連續(xù)提取法[19]是一種標(biāo)準(zhǔn)化的沉積物磷形態(tài)分析方法。該方法操作簡單，應(yīng)用廣泛。因此，以污泥中的磷為研究對象，選擇化學(xué)連續(xù)提取法對磷逐級提取，并檢測其形態(tài)，分析污泥中不同形態(tài)磷占總磷的比例。

1.2.2響應(yīng)面分析法試驗設(shè)計

根據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理，選擇pH(X1)、反應(yīng)溫度(X2)和乙二胺四乙酸(EDTA)濃度(X3)作為自變量，每個因素的編碼區(qū)間為(-1，1)，其中，-1(最小值)代表低水平、0(中心值)代表中水平、1(最大值)代表高水平。綜合考慮磷的釋放效果及經(jīng)濟因素設(shè)置試驗條件，pH(X1)為1～7，反應(yīng)溫度(X2)為30～70 ℃，EDTA濃度(X3)為5～15 mmolL(表1)。以磷的釋放率作為響應(yīng)值，記為變量Y。

表1 響應(yīng)面分析法試驗因素水平

由Design-Expert 8.0.6(Stat-Ease)設(shè)計3因素3水平共17個試驗水平的試驗方案，并對試驗數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，方程如下：

(1)

當(dāng)n=3時，方程可轉(zhuǎn)換為：

滾筒篩安裝在距粉煤皮帶落煤點10米左右位置，利用分煤器將粉煤截留進入滾筒篩中，經(jīng)過篩分粒度大于1cm的部分落入滾筒篩后面，粒度小于1cm的經(jīng)過滾筒篩底部皮帶進入粉煤堆中。采用該種設(shè)計方案既能兼顧整體原煤篩分需要，又可以多篩出小顆粒塊煤。同時采用這種布置方案，如滾筒篩出現(xiàn)故障時，可以隨時停用檢修，不會影響整體粉煤篩分。

Y=B0+B1X1+B2X2+B3X3+B11X12+B22X22+B33X32+B12X1X2+B13X1X3+B23X2X3+e

(2)

式中：Y為響應(yīng)值；B0為常數(shù)項；B1、B2、B3為線性系數(shù)；B12、B13、B23為交叉項系數(shù)；B11、B22、B33為二次項系數(shù)；e為誤差。

對模型進行方差分析，得到磷釋放的優(yōu)化工藝條件和最佳釋放率。

1.3 響應(yīng)面分析法批次試驗

取0.2 g污泥于50 mL錐形瓶中，根據(jù)表1控制試驗條件，反應(yīng)24 h，得到富磷上清液。試驗過程中利用水浴鍋控制溫度。反應(yīng)結(jié)束后取上清液，用0.45 μm的濾膜過濾后測定磷酸根濃度。

1.4 分析方法和儀器

采用鉬銻抗分光光度法測定磷酸根濃度[20]，儀器為UV-2102C型紫外可見分光光度計。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷的分布及形態(tài)分析

針對污水處理廠不同工藝流程進行磷濃度檢測，重點分析磷的全流程濃度變化及流向分布，結(jié)果見圖1。

圖1 某污水處理廠的磷平衡Fig.1 Analysis of phosphorus balance in a sewage treatment plant

采用低溫?zé)峤怦詈纤峤?，同時投加EDTA的方法對污泥進行磷的釋放，對不同處理強度對污泥磷釋放效果的影響進行優(yōu)化。

2.2 模型建立及顯著性分析

響應(yīng)面分析法試驗方案及結(jié)果如表2所示。經(jīng)二次多元回歸擬合和方差分析后，得到各單因素、交互項及平方項對磷酸根釋放率的影響情況，相應(yīng)的回歸方程為：

Y=61.88-6.46X1+1.67X2+

1.59X3+2.44X1X2-1.23X1X3+

0.36X2X3-13.72X12-5.74X22-0.70X32

(3)

表2 響應(yīng)面分析法試驗方案及結(jié)果

回歸方程的方差分析見表3。從表3可以看出，X1對磷釋放率的線性效應(yīng)極顯著;X12對磷釋放率的曲面效應(yīng)極顯著。F是回歸均方差和實際誤差的均方差的比值，F(xiàn)與P反映了模型中的每個控制因素的顯著性影響，F(xiàn)越大，P越小，則相關(guān)性越顯著[27]。由表3可知，回歸方程的F為58.98，P<0.000 1，表明在整個研究的回歸區(qū)域內(nèi)擬合效果較好?；貧w方程的R2為0.987 0，說明該方程可以解釋98.7%的磷酸根釋放率的變化，校正決定系數(shù)(adj-R2)為0.970 2，與R2比較接近，說明方程擬合度高[28]。變異系數(shù)(CV)能反映試驗驗證的可信度和精確度，本試驗所得CV為3.90%，小于10%，表明該方程具有較高的可信度和精確度[29]。信噪比是有效信號和噪聲的比值，可以反映方程的精密度[30]，本試驗信噪比為24.202，大于4，視為合理。失擬項的P為0.712 5，大于0.05，差異不顯著，說明試驗誤差小[31]。綜上所述，該方程可以很好地用于污泥預(yù)處理過程中磷酸根釋放率的分析與預(yù)測。

表3 回歸方程的方差分析

2.3 響應(yīng)面分析法

對方差分析進行降維分析，固定1個因素不變的情況下，分析其他2個因素對磷釋放率的交互影響，利用Design-Expert軟件進行分析，所繪制的響應(yīng)面及其等高線見圖3～圖5。

圖3 反應(yīng)溫度和pH對磷釋放率的交互影響Fig.3 Interaction of reaction temperatures and pH on phosphate release rates

圖4 EDTA濃度和pH對磷釋放率的交互影響Fig.4 Interaction of different concentrations of EDTA and pH on phosphate release rates

圖5 EDTA濃度和反應(yīng)溫度對磷釋放率的交互影響Fig.5 Interaction of different concentrations of EDTA and reaction temperatures on phosphate release rates

由于X1X2項的P小于0.05，表明反應(yīng)溫度和pH交互作用顯著。從圖3可以看出，pH從1升至4時，磷的釋放率逐漸升高；當(dāng)pH繼續(xù)升高時，磷的釋放率下降。pH在較低的情況下有利于重金屬的遷移和釋放[32]，污水處理廠采用生物除磷的同時，還投加了鐵、鋁等金屬鹽類，由于在低pH時，污泥中的金屬元素會析出，從而阻礙了磷的釋放。最佳pH為3～4，反應(yīng)溫度為45～55 ℃。

由于X1X3項的P大于0.05，EDTA濃度與pH互作用不顯著。從圖4可以看出，在較高的EDTA濃度條件下，pH為3～4時，可以得到較高的磷釋放率。EDTA濃度的增加提高了磷的釋放率，是由于污泥中的胞外聚合物和細胞膜表面含有較多的金屬離子，包括Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al2+和Zn2+等[33]，EDTA作為螯合劑可以與這些金屬離子進行螯合[34]，破壞了胞外聚合物和細胞膜，致使污泥分解，細胞內(nèi)的磷元素釋放出來。

由于X2X3項的P大于0.05，EDTA濃度與反應(yīng)溫度交互作用不顯著。從圖5可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，磷釋放率先增大后減小，溫度維持在50 ℃左右時，在較高的EDTA濃度條件下磷的釋放率較高。陳樹俊等[35-36]研究表明，EDTA可以有效促進污泥磷釋放，EDTA能與污泥中的鈣離子形成[EDTA-Ca]2-，同時，EDTA使污泥中的可溶態(tài)磷釋放出來[37]，利于上清液中磷的后續(xù)回收。

回歸方程存在穩(wěn)定點，穩(wěn)定點為極大值，通過解方程逆矩陣得到最佳條件：pH為3.24，反應(yīng)溫度為53.48 ℃，EDTA濃度為14.51 mmolL，此時磷釋放率響應(yīng)值為63.84%。綜合考慮試驗可操作性及經(jīng)濟性，選擇最佳條件，即pH為4，反應(yīng)溫度為53 ℃，EDTA濃度為14.5 mmolL，代入式(3)，預(yù)測磷釋放率為62.91%。驗證試驗得到磷釋放率為62.85%，略低于預(yù)測值，偏差為0.09%，說明該方程對污泥預(yù)處理釋磷的條件優(yōu)化及磷釋放率預(yù)測較為準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

(1)污水經(jīng)處理后，磷通過出水和污泥2種形式進行排放，其中通過污泥形式排放的磷占比高達68%。污泥總磷濃度高，是一種可利用的富磷資源。

(2)污泥中的磷主要以無機磷的形態(tài)存在，占總磷的89.3%。在無機磷中，主要為磷灰石無機磷和非磷灰石無機磷，共占無機磷的60.0%。有機磷濃度較低，僅占3.3%。結(jié)合磷的形態(tài)，可以通過低溫?zé)峤怦詈纤峤?，同時投加EDTA的方式進行磷釋放。

(3)建立的回歸方程擬合度較高，能夠合理反映磷釋放率與pH、反應(yīng)溫度和EDTA濃度3個主要因素及各因素之間交互影響的關(guān)系。對回歸方程中的自變量進行顯著檢驗可知，pH對磷釋放率影響最為顯著，其次是溫度，最后是EDTA濃度。

(4)綜合考慮試驗的經(jīng)濟性及磷的釋放率，選擇pH為4，反應(yīng)溫度為53 ℃，EDTA濃度為14.5 mmolL作為污泥磷釋放的最佳反應(yīng)條件。驗證試驗可知磷釋放率為62.85%，與方程預(yù)測值相比，偏差為0.09%，說明該方程對污泥釋磷的條件優(yōu)化預(yù)測較為準(zhǔn)確可靠。