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 化學化工學院，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]，據資料統(tǒng)計，全球現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)污泥磷結晶回收的關鍵步驟。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。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。

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。校準曲線方程為：y=0.997 1x+0.009 8，R2=0.999 2。

2 結果與討論

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，調節(jié)溶液pH為中性，將碘量瓶放入到恒溫振蕩器中，設置振蕩溫度為30 ℃，振蕩頻率為220 r·min-1，釋磷時間為16 h后，實驗數據如圖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，實驗數據如圖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%，此時磷釋放量已達到最大值。

2.3 溶液初始pH的影響

溶劑用量為50 mL，調節(jié)不同的初始溶液pH，設置振蕩頻率為220 r·min-1，振蕩溫度為30 ℃，振蕩釋磷時間為10 h后，實驗數據如圖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pH=1和13時，磷的釋放率分別達到了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，結果見圖1(d)。由圖1(d)可知，當溶劑用量≤50 mL時，釋磷效率隨著溶劑用量的增大而增大，當溶劑用量大于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行總體考察時，對這些因素進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到最大時的最佳條件。為了對各因素進行全面的考察，對以上4因素采用正交試驗法進行4水平正交試驗，以探明4因素對反應體系影響的顯著程度。正交試驗設計條件見表1。

表1 試驗因素和水平表

根據正交設計表，所得正交試驗結果如表2所示。

表2 正交試驗結果數據表

續(xù)表2

3 結論

1) 通過分析單因素影響的釋磷率可以發(fā)現，污泥質量為0.250 g，溶劑用量為50 mL，pH為13，溫度為30 ℃，轉速為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。