瑋暉水務(wù)剩余污泥中磷釋放的正交試驗研究

虎 華,李 陽,蔣欣然，張思玉，張 凌*

(1. 河南省開封生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河南 開封 475000； 2. 平頂山煤業(yè)集團開封東大化工有限公司，河南 開封 475003； 3. 河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

磷是支持全球糧食安全不可替代、不可再生的資源[1]，據(jù)資料統(tǒng)計，全球現(xiàn)有的磷礦石僅可維持100年[2-3]，我國的富磷礦也僅夠供給10～20年[4]。而污水處理產(chǎn)生的污泥中富含大量的磷[5-6]，若能通過一定的方法將磷回收，即可實現(xiàn)磷資源化循環(huán)利用，也可以減少污泥中磷對水體的富營養(yǎng)化危害。在污泥磷回收過程中,如何安全有效地將污泥中的磷以可溶性磷的形式釋放到液相中[7-9]，是后續(xù)污泥磷結(jié)晶回收的關(guān)鍵步驟。目前，污泥釋磷的方法有厭氧法[10-12]、超聲波[13-14]、熱解[15-16]、氧化法[17-19]等技術(shù)。然而，目前科研人員大多針對影響污泥磷釋放單一因子研究，無法綜合比較。本研究在前期討論了污泥釋磷效果多個影響因素的基礎(chǔ)上，采用正交試驗法，考察各因素對污泥釋磷影響程度的順序，以探明各因素對污泥釋磷影響的顯著程度，以期為污泥中磷的高效釋放提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

試劑：酒石酸銻鉀、鉬酸銨、抗壞血酸、2,6-二硝基酚、磷酸二氫鉀等分析純試劑。

儀器：GSL-1100X-XX-S程序溫控管式爐、H1850高速離心機、LabTech分光光度計、HZQ-F160A恒溫振蕩器、pHS-3CT精密酸度計等。

1.2 實驗方法

本實驗所用污泥取自瑋暉水務(wù)污泥脫水機出泥口。將污泥晾干，研磨，過200目篩，篩下物釋磷實驗備用。準(zhǔn)確稱取過篩后的污泥放入瓷坩堝底部，加入幾滴無水乙醇潤濕，在其表面鋪上幾片氫氧化鈉，蓋蓋，放入馬弗爐中程序升溫720 ℃，灼燒15 min后，取出冷卻，備用。準(zhǔn)確稱取0.250 g灼燒后的污泥于500 mL碘量瓶中，加入適量的溶劑(二次蒸餾水)，調(diào)節(jié)溶液pH，將碘量瓶放入到恒溫振蕩器中，控制不同的溫度，調(diào)節(jié)合適的振蕩頻率，振蕩一定的時間，離心分離，采用鉬銻抗分光光度法[20]測定上清液中磷的濃度。校準(zhǔn)曲線方程為：y=0.997 1x+0.009 8，R2=0.999 2。

2 結(jié)果與討論

2.1 釋放時間對釋磷量的影響

按照1.2的方法，碘量瓶中加入溶劑50 mL，調(diào)節(jié)溶液pH為中性，將碘量瓶放入到恒溫振蕩器中，設(shè)置振蕩溫度為30 ℃，振蕩頻率為220 r·min-1，釋磷時間為16 h后，實驗數(shù)據(jù)如圖1(a)。從圖1(a)中可以看出，隨著時間的增加，釋磷量在逐步增加，但釋放速度不明顯，直至16 h時釋磷量達(dá)到最大值，此時磷釋放的百分率為32.36%。

2.2 溫度對釋磷量的影響

溶劑用量為50 mL，溶液pH為中性，設(shè)置振蕩頻率為220 r·min-1，控制不同的溫度，振蕩釋磷時間為6 h后，實驗數(shù)據(jù)如圖1(b)。從圖1(b)中可以看出，隨著溫度的升高，釋磷量在慢慢增大，在50 ℃條件下，磷釋放百分率為27.06%，此時磷釋放量已達(dá)到最大值。

2.3 溶液初始pH的影響

溶劑用量為50 mL，調(diào)節(jié)不同的初始溶液pH，設(shè)置振蕩頻率為220 r·min-1，振蕩溫度為30 ℃，振蕩釋磷時間為10 h后，實驗數(shù)據(jù)如圖1(c)。從圖1(c)中可以看出，溶液初始的pH對污泥的釋磷率有明顯的效果。當(dāng)pH=1和13時，磷的釋放率分別達(dá)到了76.92%和83.75%，是約中性條件下釋磷量的2倍。因為焚燒灰分中磷酸鹽主要以 Ca-P、Al-P、Fe-P 等形式存在[19,21]，在堿性環(huán)境下，磷酸根與OH-離子交換而釋放，在酸性環(huán)境條件下，鈣結(jié)合態(tài)磷和有機磷為主要的釋磷源[22]。

2.4 溶劑用量對釋磷量的影響

分別加入不同的溶劑，溶液起始pH為7.0，設(shè)置振蕩溫度為30 ℃，固定振蕩頻率為220 r·min-1，振蕩釋時間為6 h后，分析溶劑用量對釋磷效率的影響，結(jié)果見圖1(d)。由圖1(d)可知，當(dāng)溶劑用量≤50 mL時，釋磷效率隨著溶劑用量的增大而增大，當(dāng)溶劑用量大于50 mL時，釋磷效率隨著溶劑用量的增大而減小，此時溶劑起到稀釋的作用。

(a) 釋放時間影響；(b) 溫度影響；(c) pH影響；(d) 溶劑用量影響

2.5 振蕩頻率對釋磷量的影響

溶劑用量為50 mL，pH為7.0，溫度為30 ℃，分別設(shè)置100、200、300和500 r·min-1的振蕩頻率，振蕩釋磷時間為6 h后，分析振蕩頻率對釋磷效率的影響，結(jié)果分別為27.71%、28.62%、28.94%和29.64%，說明振蕩頻率對釋磷效率的影響較小。

2.6 正交實驗優(yōu)化

通過單因素實驗表明，pH、釋放時間、溶劑用量、溫度等因素對污泥中磷的釋放效果影響較大，且各種因素之間相互影響。相互影響的各因素在進(jìn)行總體考察時，對這些因素進(jìn)行四水平的正交實驗，來研究各因素對污泥釋磷量影響的程度及釋磷量達(dá)到最大時的最佳條件。為了對各因素進(jìn)行全面的考察，對以上4因素采用正交試驗法進(jìn)行4水平正交試驗，以探明4因素對反應(yīng)體系影響的顯著程度。正交試驗設(shè)計條件見表1。

表1 試驗因素和水平表

根據(jù)正交設(shè)計表，所得正交試驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表

續(xù)表2

3 結(jié)論

1) 通過分析單因素影響的釋磷率可以發(fā)現(xiàn)，污泥質(zhì)量為0.250 g，溶劑用量為50 mL，pH為13，溫度為30 ℃，轉(zhuǎn)速為220 r·min-1，釋放時間為16 h時，污泥釋放磷的效果最好，釋磷量的百分率為83.75%。

2) 由正交實驗可知，污泥釋磷量影響因素的排序為：溶劑用量>溶液初始pH>溫度>釋放時間。在污泥為0.250 g，溶劑用量為50 mL，pH為2，溫度為30 ℃，釋放時間為4 h，此時釋磷百分率為82.12%。實驗表明，在溶劑量一定的條件下，污泥在強酸性和強堿性環(huán)境中，污泥釋磷效果最佳。