張鈺婷 ，尚 巍，邱順添，鄭興燦，孫永利，顧 淼

（1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381）

近年來，溶解性有機(jī)磷對河湖生態(tài)的作用機(jī)制受到越來越多研究者的關(guān)注[1-2]．已有研究表明，即使是貧營養(yǎng)狀態(tài)下，河湖中的藻類仍然會將溶解性有機(jī)磷做為磷源吸收利用，導(dǎo)致藻類爆發(fā)[1]．作為磷循環(huán)體系的重要節(jié)點，城市污水處理廠出水中對溶解性有機(jī)磷的結(jié)構(gòu)形態(tài)和組分的研究仍然十分欠缺．城市污水處理廠出水成分復(fù)雜、有機(jī)磷組分及濃度波動較大，導(dǎo)致目前缺少針對城市污水中磷組分富集、提取及測試方法，上述問題制約著人們對污水處理環(huán)節(jié)中有機(jī)磷成分的認(rèn)識．

31P核磁共振技術(shù)(31P NMR)不僅能夠檢測無機(jī)磷組分，如磷酸鹽、焦磷酸鹽、多聚磷酸鹽，并且能夠同步檢測多種有機(jī)磷組分，如膦酸酯、磷酸單酯和磷酸二酯[3-4]，因此目前對土壤、沉積物中多種磷組分測定中應(yīng)用最為廣泛[5-6]．然而，水體中的磷檢測應(yīng)用卻受到一定限制，是由于液相31P NMR的檢出限高達(dá)100 mg/L．通常，在土壤樣品中，富集10倍即可使用31P NMR檢出磷組分[7]，而在水體中磷組分的富集則受到更大的挑戰(zhàn)．已有研究者采用超濾和反滲透結(jié)合的方法對湖水中溶解態(tài)磷組分進(jìn)行富集，然而需富集水樣體積大[8]，使此方法的應(yīng)用受到限制. Cade-Menun等[9]采用冷凍干燥法對河湖水進(jìn)行富集，并采用NaOH-EDTA可對有機(jī)磷組分進(jìn)行有效提取，然而水體中有機(jī)磷含量較低，如需對超過4 L水樣進(jìn)行富集，所需時間較長．此后，研究者通過添加鋁鹽富集湖泊中有機(jī)磷和無機(jī)磷組分，以縮短濃縮時間、簡化操作步驟，且結(jié)果表明鋁鹽可高效沉淀無機(jī)磷和有機(jī)磷組分[1]．目前，冷凍干燥法和鋁鹽絮凝法是河湖中有機(jī)磷行之有效的富集方法，但在城市污水中，兩種方法對于不同磷組分的富集效率及數(shù)據(jù)結(jié)果的可比性研究方面尚欠缺．

對于城市污水而言，水質(zhì)成分更為復(fù)雜，有機(jī)磷含量相對較低的現(xiàn)狀使有機(jī)磷的富集成為更大的挑戰(zhàn)．本文將采用冷凍干燥法和鋁鹽絮凝法對污水處理廠二級出水進(jìn)行富集，對比分析其富集效能及機(jī)理. 此外，提取劑與提取方式的合理選取同樣對有機(jī)磷組分的檢測至關(guān)重要．對于土壤及沉積物樣品，連續(xù)分級提取法[10-11]及NaHCO3[12-13]、NaOH[14]、NaOH-EDTA[15]提取劑應(yīng)用較為廣泛．然而，適用于污水處理廠出水的提取劑及提取方式尚未可知．因此，本文將采用不同提取劑及提取方式對樣品進(jìn)行提取，優(yōu)化磷最佳提取方法，闡述不同提取方法對磷組分提取效能的影響，提出適用于污水處理系統(tǒng)中磷組分測試分析方法．

1 材料與方法

1.1 樣品預(yù)處理及其理化性質(zhì)分析

實驗中所用污水采集自無錫某污水處理廠二級出水，采用5 L有機(jī)玻璃采水器將二級出水收集于聚乙烯桶中并迅速帶回實驗室．采集的污水樣品經(jīng)過0.45μm孔徑的玻璃纖維濾膜過濾后，保存于4℃的冰箱中備用．水樣中溶解性總磷(dissolved total phosphorus，DTP)和活性磷酸鹽(soluble reactive phosphorus，SRP)均采用鉬酸銨分光光度法測定[16]，溶解性有機(jī)磷總量(OP)以溶解性總磷與活性磷酸鹽差值表示，水樣中金屬元素采用ICP-OES/MS測定．

1.2 磷富集及提取方法

1.2.1 鋁鹽絮凝法

取1 L過濾后的水樣[7,17]，加入一定量的氯化鋁，隨后加入NaOH(1 mol/L)和HCl(1 mol/L)調(diào)節(jié)溶液pH值，在經(jīng)過快速和慢速攪拌后，沉淀一定時間，取上清液檢測DTP和SRP濃度；將上覆水進(jìn)行虹吸，底部剩余水體和絮體部分采用離心分離方式，8000 r/min離心20 min，棄去上清液，絮體部分經(jīng)烘干、研磨成粉末后，采用20 mL 0.20 mol/L NaOH＋0.05 mol/L EDTA混合液振蕩提取18 h，保留上清液待測．

不同影響因素分析實驗中，Al和P的摩爾比分別為15、30、45，沉降時間分別設(shè)定為1 h、3 h、18 h，pH值分別為4.3、5.4、6.2、7.7和8.9，其余實驗步驟相同．在不同沉淀劑對比實驗中，PAC添加濃度為30.0 mg/L，PAM添加濃度為0.5 mg/L，其余實驗步驟相同．

1.2.2 冷凍干燥富集及后續(xù)提取方法

在對不同提取劑的選擇、提取方式優(yōu)化及提取劑配比優(yōu)化實驗中，均采用1 L水樣進(jìn)行冷凍干燥富集，收集粉末備用．

連續(xù)分級提取法[10-11]：將富集的樣品采用20 mL 1 mol/L NH4Cl溶液進(jìn)行振蕩提取18 h，隨后將樣品置于離心機(jī)中進(jìn)行離心分離，8000 r/min離心20 min，保存上清液待測，將殘余粉末繼續(xù)于20 mL 1 mol/L NaOH溶液中振蕩提取18 h．樣品經(jīng)離心分離后，殘渣于10 mL 0.5 mol/L HCl溶液中提取后離心分離．對上清液中DTP和SRP進(jìn)行檢測分析．

NaOH-EDTA提取法[1,15]：將富集的樣品使用20 mL 0.20 mol/L NaOH＋0.05 mol/L EDTA混合置于恒溫振蕩器中提取18 h，隨后將樣品于離心機(jī)中常溫高速離心20 min，保留上清液．對上清液中DTP和SRP進(jìn)行檢測分析．在不同提取劑配比優(yōu)化實驗中，NaOH濃度分別選用0.10、0.20、0.40、0.60 mol/L，EDTA-2Na濃度分別選用0.05 mol/L和0.10 mol/L，將NaOH與EDTA混合使用，共獲得8種提取劑配比進(jìn)行對比分析．在不同提取方式對比實驗中，將連續(xù)3次采用NaOH-EDTA提取液提取，并對3次NaOH-EDTA提取液中DTP和SRP進(jìn)行檢測分析．

1.3 有機(jī)磷檢測方法

向過濾后的1 L二級出水中加入不同磷組分標(biāo)準(zhǔn)樣品，分別為1 mL 1.16 g/L焦磷酸鈉、1 mL 1.30 g/L 六偏磷酸鈉、1 mL 0.90 g/L 2-氨基乙基膦酸、1 mL 0.72 g/L植酸鈉和1 mL 0.56 g/L DNA，并分別將上述樣品進(jìn)行凍干或鋁鹽絮凝后提取，進(jìn)行31P NMR檢測．

31P NMR采用瑞士布魯克公司Bruker AVANCE Ⅲ 400 MHz核磁共振波譜儀測試[2,18]，采用5 mm低溫BBO探頭，頻率為161.98 MHz，采集時間1.6 s，循環(huán)延遲時間3 s，測試溫度298 K，掃描時間18 h，化學(xué)位移參照85%的H3PO4．

2 結(jié)果與分析

2.1 不同提取劑對凍干樣品中磷組分的提取效率

如圖1所示，采用連續(xù)分級提取法對二級出水中樣品進(jìn)行提取，提取液分別為NH4Cl、NaOH和HCl．其中，對DTP的提取效率分別為7.4%、34.0%和44.0%，對SRP的提取效率與DTP提取效率相近，分別為7.5%、37.5%和45.0%．OP的提取效率與DTP和SRP提取效率有所差異，分別為8.9%、33.3%和10.0%．雖然在HCl提取液中對DTP和SRP提取效率相對較高，然而在酸性條件下，部分OP發(fā)生水解反應(yīng)，導(dǎo)致OP提取效率較低．

另外，采用NaOH-EDTA提取液對磷組分進(jìn)行提取(圖1)，對DTP、SRP和OP的提取效率分別為58.3%、58.7%和40.0%．同時，采用NaOH-EDTA提取液連續(xù)提取測試，結(jié)果表明，第2次NaOH-EDTA提取液中對DTP、SRP和OP的提取效率仍然較高，分別為29.0%、30.5%和22.0%．在連續(xù)兩次采用NaOH-EDTA提取液提取后，對DTP、SRP提取總效率均大于85%，對OP提取總效率達(dá)到62%．在第3次NaOH-EDTA提取液中對各磷組分的提取效率均較低，是由于第2次NaOH-EDTA提取后溶液中殘留磷組分均較低所致．

圖1 不同提取劑對凍干樣品中磷組分的提取效率Fig.1 Extraction efficiency of phosphorus in lyophilized samples by different extraction agents

NaOH和EDTA提取劑對DTP、SRP和OP的提取效率均較高，因此，繼續(xù)對NaOH和EDTA配比進(jìn)行優(yōu)化．當(dāng)EDTA濃度為0.05 mol/L時(表1)，隨著NaOH濃度升高(0.10 mol/L至0.60 mol/L)，DTP提取效率分別由39.0%提升至66.1%，SRP提取效率由40.4%提升至71.2%，而OP提取效率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢．當(dāng)NaOH濃度為0.20 mol/L、EDTA濃度為0.05 mol/L時，OP提取效率最高，達(dá)到57.1%. 當(dāng)EDTA濃度為0.10 mol/L時，隨著NaOH濃度的升高，DTP和SRP的提取效率同樣呈現(xiàn)逐步升高趨勢，而OP提取效率仍呈先升高后降低趨勢．當(dāng)NaOH濃度不變，EDTA濃度由0.05 mol/L增加至0.10 mol/L時，OP提取效率呈降低趨勢．

表1 不同提取劑配比對磷組分提取效率影響Tab.1 Effect of different extraction agent ratios on extraction efficiency of phosphorus

綜上所述，過低或過高的NaOH和EDTA濃度均不利于有機(jī)磷的提?。疚牡玫阶罴袾aOH和EDTA濃度分別為0.2 mol/L和0.05 mol/L，以下磷組分提取實驗均采用此配比進(jìn)行．

2.2 鋁鹽絮凝法對磷組分的富集效率

圖2(a)為不同Al和P的摩爾比下磷組分的富集效率影響研究．當(dāng)Al和P的摩爾比為15時，對DTP、SRP和OP的富集效率分別為85.0%、92.0%和16.7%．增加Al和P的摩爾比為30時，對DTP、SRP和OP的富集效率均有所提高，分別為88.3%、93.7%和33.3%．當(dāng)繼續(xù)增加Al和P的摩爾比為45時，對DTP、SRP和OP的富集效率為87.9%、93.5%和33.3%，與Al和P的摩爾比為30時富集效率相近．因此，本文中最佳Al和P的摩爾比為30，且后續(xù)實驗中鋁鹽的添加量均采用此比值計算．

不同沉淀時間對磷組分的富集效率影響較大．如圖2(b)所示，沉淀1 h，對DTP和SRP的富集效率為68.1%和75.4%，然而對OP的富集效率較低，僅為16.7%．延長沉淀時間為3 h，提高了對DTP、SRP和OP的富集效率，使其富集效率分別為78.3%、82.5%和33.3%．沉淀時間延長至18 h時，對DTP、SRP的富集效率顯著增加，87.9%和93.5%的DTP、SRP得到有效富集，此時對OP的富集效率為33.3%．

在水體中添加鋁鹽后，通過調(diào)節(jié)pH值以探究不同反應(yīng)pH值條件下磷組分的富集效率(圖2(c))．隨著pH值的增加，DTP、SRP和OP的富集效率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢．SRP變化趨勢同DTP，在pH值為6.2時，SRP富集效率最高，可達(dá)93.5%．不同pH值對OP富集效率影響較大，溶液pH值為6.2時，50%的OP可被有效富集，pH值增加或降低均會顯著降低OP的富集．

圖2 不同條件下磷組分的富集效率Fig.2 Enrichment efficiencies of phosphorus under different conditions

為進(jìn)一步對比不同沉淀劑對磷組分的富集及后續(xù)提取效率的影響，繼續(xù)采用AlCl3、PAC、AlCl3＋PAM對磷組分進(jìn)行富集并提取(圖2(d))．采用AlCl3、PAC、AlCl3＋PAM對磷組分的富集效率均較高，對DTP和SRP的提取效率均大于85.0%，對OP的提取效率均為50.0%．因此，使用3種沉淀方式對 磷組分的富集效率均較高，尤其是使用PAM助凝劑后，對SRP的提取效率高達(dá)94.4%．

此后，對不同沉淀劑富集的樣品進(jìn)行提?。Y(jié)果表明，使用AlCl3沉淀后的樣品提取效率最高，對DTP、SRP和OP的提取效率分別為89.8%、93.5%和50.0%．使用PAC沉淀的樣品，對DTP、SRP和OP的提取效率分別為55.1%、57.3%和47.0%．使用AlCl3＋PAM，對DTP、SRP和OP的提取效率分別為62.3%、68.7%和40.0%．由此可見，雖然使用PAC和PAM對磷組分的富集效果佳，然而對后續(xù)磷組分的提取效率會產(chǎn)生一定影響．

2.3 31P NMR結(jié)果分析

為了進(jìn)一步探究不同富集方式對各類磷組分的富集效能及機(jī)理，將膦酸鹽、單酯磷、磷酸二酯(DNA)、焦磷酸鹽和聚磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)樣品加入到二級出水樣品中進(jìn)行分析．由表2數(shù)據(jù)可知，鋁鹽絮凝法對無機(jī)磷組分富集能力較強(qiáng)，對焦磷酸鹽和聚磷酸鹽的富集效率分別高達(dá)95.7%和95.3%．同時，鋁鹽對有機(jī)磷組分有一定的富集能力，對膦酸酯、磷酸單酯和DNA的富集效率分別為77.6%、79.7%和80.7%. 此外，對富集后的樣品進(jìn)行提取，對焦磷酸鹽和聚磷酸鹽的提取效率分別為73.4%和73.7%．對有機(jī)磷的提取效率較高，除對膦酸酯的提取效率為49.5%外，80.6%的磷酸單酯和75.1%的DNA可被有效提?。?/p>

表2 不同富集方法對磷組分的提取效率Tab.2 Extraction efficiency of phosphorus components by different enrichment methods

將上述水樣進(jìn)行凍干后再提取，結(jié)果表明凍干后的樣品中對無機(jī)磷的提取效率均較低，只有45.0%的焦磷酸鹽和33.6%聚磷酸鹽被有效提?。欢?，此方法對膦酸酯的提取率最高，提取效率為75.5%．對磷酸單酯和DNA的提取效率分別為48.2%和53.8%. 同時，對NaOH-EDTA提取液中各磷組分的水解率進(jìn)行核算，聚磷酸鹽的水解率最高，為23.3%，膦酸酯、磷酸單酯和DNA的水解率分別為12.0%、12.8%和17.0%．

圖3為采用鋁鹽絮凝法和冷凍干燥法對不同磷組分富集的31P NMR圖譜．鋁鹽絮凝法對焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽富集效果高于冷凍干燥法．冷凍干燥法中未檢出多聚磷酸鹽，原因見第3節(jié)討論部分．冷凍干燥法對膦酸酯的提取效率高于鋁鹽絮凝法．對于磷酸單酯和磷酸二酯的提取，冷凍干燥法略高于鋁鹽絮凝法，此結(jié)果與表2中結(jié)果基本一致．

圖3 不同富集條件下磷組分的31P NMR圖Fig.3 31P NMR results of phosphorus under different enrichment conditions

由于金屬離子的存在會嚴(yán)重影響核磁共振圖譜的質(zhì)量，因此進(jìn)一步探究不同富集方法中金屬元素富集情況(表3)．在二級出水中Ca離子含量較高，為48.8 mg/L，Al、Fe、Mn離子的含量均較低．冷凍干燥法對Ca離子富集效率較高，為266.0 mg/L，對Al、Fe、Mn的富集均較低．使用鋁鹽絮凝法時，對Ca離子的富集效率較低，提取物中Ca離子含量僅為5.1 mg/L．鋁鹽的添加使提取物中Al離子濃度較高，為138.0 mg/L，但鋁離子對核磁結(jié)果影響較低，遠(yuǎn)低于Fe、Mn等順磁離子的影響．此時，F(xiàn)e、Mn離子的質(zhì)量濃度分別為0.05 mg/L和0.01 mg/L，均較低．

表3 不同富集方法對金屬離子的提取效率Tab.3 Extraction efficiency of metal ions by different enrichment methods

3 討 論

不同的富集及提取方式對城市污水磷組分富集效果差異顯著．對于冷凍干燥法，NaOH提取液可以有效提取無機(jī)磷和有機(jī)磷(圖1)，而EDTA的加入更易于有機(jī)磷的釋放和提?。鬯胁糠纸饘匐x子與有機(jī)磷中P＝O、P＝S基團(tuán)形成配合物，導(dǎo)致有機(jī)磷釋放不佳[19]，EDTA可與金屬離子螯合，促進(jìn)有機(jī)磷的快速釋放[14]．此外，EDTA的使用可有效減少順磁離子的干擾，為后續(xù)31P NMR的測試降低干擾因 素[20]. 同時，過高的NaOH濃度會導(dǎo)致部分OP水解，過高的EDTA濃度使OP提取效率呈降低趨勢(表1)，這是由于EDTA呈弱酸性，過多的加入使pH值降低所致[21]．

冷凍干燥法中對無機(jī)磷的提取效率較低，是由于凍干的樣品中含有大量鹽分和有機(jī)質(zhì)干擾所致．此外，在凍干的樣品中未檢出多聚磷酸鹽(圖3)，是由于多聚磷酸鹽長鏈在凍干過程中易被破壞，同時提取過程中的水解作用均可造成多聚磷酸鹽分解成焦磷酸鹽和磷酸鹽[22]．Ca離子的存在同樣會加速多聚磷酸鹽的降解，Ca離子可與多聚磷酸鹽及其中間產(chǎn)物反應(yīng)(以六偏磷酸鈉為例)，如式(1)～式(7)，導(dǎo)致多聚磷酸鹽的降解[15]．

鋁鹽對磷的富集，首先是通過鋁離子和磷酸根反應(yīng)生成沉淀，因此較高濃度的鋁離子可以沉淀更多的磷酸根(圖2(a))．其次，鋁鹽對磷組分的吸附，可以通過鋁鹽逐步水解生成羥基和羥橋，再以Al-OH-Al和的形式鏈接[23]形成多核絡(luò)合物，最終實現(xiàn)對無機(jī)磷的富集．此外，Al(OH)3中—OH也可與有機(jī)磷中P進(jìn)行配位而吸附[7]，因此，Al(OH)3同樣可富集部分有機(jī)磷(圖2(a))．不同水質(zhì)使得最佳Al和P的摩爾比不同，如水體中硅酸鹽離子和腐殖酸都可能占據(jù)Al(OH)3的吸附位點，從而降低磷的結(jié)合能力[24]．Vicente等[24]建議Al和P摩爾比不小于10，可對湖水中SRP有較高的沉淀率．Reitzel等[7]采用Al和P的摩爾比為10時，對河湖中非活性磷的富集效率高達(dá)81%～100%．此外，研究表明當(dāng)Al和P的摩爾比為50時，Al(OH)3可沉淀低至9μg/L的非活性磷[24]．過高鋁鹽的引入也可能對后續(xù)提取效率有一定影響，因此，結(jié)合城市污水廠水質(zhì)特點及本研究結(jié)果，建議Al和P的摩爾比不小于30．此外，長時間的沉淀可使絮體實現(xiàn)更好的聚集、沉降，從而使得DTP、SRP和OP的富集效率得到較大的提升(圖2(b))，此結(jié)果與文獻(xiàn)[2,7]報道結(jié)論一致．

鋁鹽反應(yīng)的實質(zhì)是水解、聚合交替的過程[25-26]，當(dāng)溶液pH＜3時，水中主要以形式存在；pH≥4時，水解反應(yīng)逐級進(jìn)行，生成多核羥基鋁離子；當(dāng)溶液pH＝6～7時，形成電中性聚合度極高的Al(OH)3，此時是網(wǎng)捕或卷掃的最佳區(qū)域；pH＞8時，Al(OH)3會重新溶解為帶負(fù)電的配合陰離子．因此，當(dāng)溶液pH＝6～7時，對不同磷組分的富集效率最佳(圖2(c))．

對于鋁鹽富集后樣品進(jìn)行提取，首先NaOH溶液中的—OH增加了吸附的磷與Al(OH)3之間靜電斥力，從而促進(jìn)了磷的釋放．其次，Na+可取代Al3+，破壞吸附位，從而加速磷的釋放[21,27]．EDTA可與Al3+等絡(luò)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，不僅加速磷組分的釋放，同時減少金屬離子對后續(xù)分析的干擾[14]．因此，AlCl3作為沉淀劑時，NaOH-EDTA提取液對不同磷組分有較高的提取效率．PAC通過其巨大的比表面積和大量的羥基集團(tuán)使其對磷組分有更強(qiáng)的吸附作用(圖2(d))；在AlCl3中引入PAM使鏈狀分子逐漸連線成團(tuán)，實現(xiàn)對磷組分的多層吸附．Zou等[15]在探究六偏磷酸鈉與Al—OH表面之間的吸附關(guān)系時指出，Al—OH上的氫鍵和靜電引力會使六偏磷酸鈉吸附在Al—OH表面，而PAM的引入實現(xiàn)了絮凝劑的卷曲構(gòu)象，會導(dǎo)致磷的多層吸附．引入高分子聚合物雖然實現(xiàn)了較高的吸附性能，然而其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜會對后續(xù)磷組分的提取造成一定負(fù)面影響，致使對無機(jī)磷和有機(jī)磷組分的提取效率降低(圖2(d))．因此，對于沉淀劑的選擇，不僅應(yīng)考慮對磷組分的絮凝效果，同時應(yīng)兼顧分析對后續(xù)磷組分的提取效能．

此外，鋁鹽絮凝法中殘留部分鋁離子，其余金屬離子含量均較低，對核磁結(jié)果影響較低．兩種富集方法對順磁離子Fe和Mn離子富集均較低，不僅因為二級出水中Fe和Mn離子濃度本身含量較低，并且EDTA的存在，會優(yōu)先絡(luò)合金屬離子，降低Fe和Mn離子的富集和對核磁數(shù)據(jù)的影響．

4 結(jié) 語

NaOH-EDTA提取液對冷凍干燥法和鋁鹽沉淀法富集樣品中磷組分提取效率差異較大．冷凍干燥法雖然能夠減少富集過程中磷組分的損失，然而富集樣品中鹽分及有機(jī)質(zhì)的存在導(dǎo)致提取過程中焦磷酸鹽(45.0%)、多聚磷酸鹽(33.6%)、磷酸單酯(48.2%)和磷酸二酯(53.8%)的提取效率均較低．

鋁鹽沉淀法不僅能夠有效富集無機(jī)磷和有機(jī)磷組分，同時對焦磷酸鹽、多聚磷酸鹽、磷酸單酯和磷酸二酯的提取效率均高于60%，且具有耗時較低的優(yōu)勢．因此，鋁鹽沉淀法對污水處理廠中不同磷組分的提取更為理想．

結(jié)合城市污水水質(zhì)特點，采用鋁鹽沉淀法對城市污水中磷組分進(jìn)行富集，建議富集水樣體積不小于10 L，Al和P的摩爾比不小于30，反應(yīng)pH值為6.3，沉淀時間為18 h，并采用20 mL 0.20 mol/L NaOH＋0.05 mol/L EDTA提取兩次為宜．