鈍化劑對模擬湖水磷鈍化效果影響因素研究

張 淳，張金流，曹文芳，馬 震

(合肥學院 生物食品與環境學院，合肥 230601)

0 引 言

湖泊富營養化是目前我國眾多湖泊面臨的共同問題,作為五大淡水湖泊之一的巢湖，同樣存在富營養化問題，2019年巢湖全湖綜合營養狀態指數為56.1，東、西半湖綜合營養狀態指數分別為53.9、59.2，均為輕度富營養狀態，導致湖泊富營養化的污染源主要為外源和內源[1]，經過多年的湖泊治理，外源污染目前已經得到了有效的控制；然而目前我國許多湖泊的營養化狀態并沒有得到有效改善，其主要原因是由于湖泊內源污染沒有得到有效控制[2]，已成為湖泊營養化現象維持的重要原因；因此，治理湖泊內源污染就成為我國湖泊營養化治理的重要方向。[3]

治理內源污染主要是控制或去除湖泊沉積物中營養鹽，減少其向上覆水體中的釋放量。[4]崔福義[5]等通過生物控制水體中浮游生物孳生的同時，抑制了氮、磷等營養物質，對控制和緩解水體富營養化有一定的幫助。有治理方法可以從兩個方面考慮：一是抑制沉積物中營養物質的釋放，如原位鈍化；二是從根本上清除污染沉積物，如底泥疏挖。[6]原位鈍化控制內源營養鹽的釋放具有很大的應用前景，但鈍化劑的使用效果受多種外在因素的影響，如風浪、溫度、pH等[7]；因此，本論文以人工配制模擬磷酸二氫鉀溶液模擬湖水，采用室內分析測試方法，分析了鈍化劑投加量、溶液pH、振蕩時間、振蕩頻率和磷初始濃度5個影響因素對湖水磷鈍化效果的影響；以期為鈍化劑的改良和湖泊富營養化治理提供參考[8]。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和計算方法

鈍化劑：商品名為用于凈化處理污濁水或污染水的凝集劑，購于安徽中環環保股份有限公司，是通過由硫酸鋁、硫酸鈣、碳酸鈉構成的主劑與pH調節劑、比重增加劑、螯合促進劑均勻分散混合后制成的。

實驗用磷酸二氫鉀分析純配制溶液模擬巢湖水體。

依據《水質總磷的測定—鉬酸銨分光光度法》(GB11893-89)測定溶液磷酸鹽濃度并按下式計算磷的鈍化率：

式中：C為鈍化前水中磷濃度(mg/L)；Ce鈍化后水中磷濃度(mg/L)。

2 實驗方法

2.1 單因子實驗

在水浴溫度為25℃條件下，分別分析了投加量、溶液pH、振蕩時間、振蕩頻率和磷初始濃度5個單因素對鈍化效果的影響。分析巢湖近20年總磷濃度變化區間發現，巢湖西半湖總磷濃度峰值接近4mg/L，為探究鈍化劑對模擬湖水磷顯著鈍化效果，配置溶液初始濃度為0.6mg/L，而在正交試驗中考慮富營化平均水質，即0.3mg/L。

2.1.1 鈍化劑投加量

取6個250ml錐形瓶，分別加入150ml磷濃度為6mg/L模擬湖水，調節pH至8，依次向每個錐形瓶中加入0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10g鈍化劑。將恒溫水浴振蕩箱調節至中速，設定時間為45min。分析在不同投加量條件下鈍化劑對模擬湖水磷的鈍化效果。

2.1.2 溶液pH

取5個250ml錐形瓶，分別加入150ml磷濃度為6mg/L模擬湖水，依次調節pH至6、7、8、9、10，分別向每個錐形瓶中加入0.07g鈍化劑。將恒溫水浴振蕩箱調節至中速，設定時間為45min。分析在不同溶液pH條件下鈍化劑對模擬湖水磷的鈍化效果。

2.1.3 振蕩時間

取6個250ml錐形瓶，分別加入150ml磷濃度為6mg/L的模擬湖水，調節pH至8，分別向每個錐形瓶中加入0.07g的鈍化劑。將恒溫水浴振蕩箱調節至中速，設定每個錐形瓶振蕩時間依次為15、30、45、60、75、90min。分析在不同振蕩時間條件下鈍化劑對模擬湖水磷的鈍化效果。

2.1.4 振蕩頻率

取4個250ml錐形瓶，分別加入150ml磷濃度為6mg/L的模擬湖水，調節pH至8，分別向每個錐形瓶中加入0.07g的鈍化劑。利用實驗室恒溫水浴振蕩箱按照旋鈕的旋轉弧度劃分，依次將恒溫水浴振蕩箱的振蕩頻率調節至無(0r/min)、低(約90r/min)、中(約180r/min)、高速(約270r/min)，設定時間為45min。分析在不同振蕩頻率條件下鈍化劑對模擬湖水磷的鈍化效果。

2.1.5 磷初始濃度

取6個250ml錐形瓶，依次加入150ml磷初始濃度分別為1、2、3、4、6、8mg/L模擬湖水，調節pH至8，分別向每個錐形瓶中加入0.07g鈍化劑。將恒溫水浴振蕩箱調節至中速，設定時間為45min。分析在不同初始磷濃度條件下鈍化劑對模擬湖水磷的鈍化效果。

2.2 正交試驗

根據單因素實驗結果進行三因素三水平正交實驗，通過對正交實驗結果全面分析了解實驗情況，得出實驗最優水平組合。

表1 實驗因素與水平

3 結果與分析

3.1 鈍化劑投加量對磷鈍化率的影響

投加量對磷鈍化率的影響見圖1。從圖1可以看出：控制磷初始濃度、pH、振蕩頻率、振蕩時間4個影響因素不變，當投加量在0～0.07g時，該鈍化劑對磷的鈍化率隨著投加量的增加而逐步增加；當鈍化劑投加量為0.07g時，鈍化率達到最佳，達到99%左右；此時溶液內剩余磷濃度為0.047 mg/L，小于《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)III類標準的0.05mg/L的要求。因此，當鈍化劑投加量為0.07g時，鈍化劑對水中磷的鈍化效果最佳。

圖1 不同投加量對磷的鈍化率

由圖1可知，當投加量達到0.7g時，盡管隨著投加量的增加，鈍化率仍略有提升，但在實際治理過程中，沒必要為了鈍化率的略微提升而進一步增加使用量，這是因為一方面會較大提升鈍化劑的使用成本，另一方面較多的鈍化劑使用可能會增加水體中Al3+離子濃度，因為該鈍化劑配方中含有Al3+離子，過量使用可能會引起水生生物鋁離子慢性中毒，減少水生生物的多樣性。[9]

3.2 溶液pH對磷鈍化率的影響

為分析溶液pH值對鈍化效果的影響，論文分析了不同pH對磷鈍化率的影響，結果如圖2所示。從圖2中可以看出：控制其它影響因素不變，溶液pH對磷的鈍化率影響顯著，當pH為6～8時，該鈍化劑對磷的鈍化率隨著pH的升高而逐漸增加；在pH為8時鈍化效果達到最佳；當pH為8～10時，鈍化率逐步降低。其中，當溶液pH為6時，鈍化率高于99%，溶液磷濃度為0.049mg/L，符合地表水III類水質量對磷的要求；當pH為10時，鈍化率低于99%，其溶液磷濃度為0.067mg/L，超過地表水III類水質量標準對磷的要求。在溶液 pH為6～9的范圍內，隨著pH的升高鈍化率進一步提升，這是因為該鈍化劑中含有Al3+，隨著pH的升高，水體中Al(OH)3膠體含量增加，Al(OH)3膠體較大的比表面積及靜電吸附力增強了其對中磷酸根負離子的吸附性能。[10-11]鑒于該鈍化劑在較大pH值范圍內都具有完美的鈍化效果[12]，完全能夠滿足不同pH條件下天然水環境治理的需要。

圖2 不同溶液pH對磷的鈍化率

3.3 振蕩時間對磷鈍化率的影響

鑒于水體振蕩對膠體微結構的影響，從而會影響到鈍化劑的鈍化效果，論文分析了不同振蕩時間對磷鈍化率的影響，結果見圖3。

圖3 不同時間對磷的鈍化率

從圖3可以看出：在控制其它因素不變的情況下，當振蕩時間在15～45min內變化時，該鈍化劑對磷的鈍化率隨著時間的增加而逐漸增加，在振蕩時間為45min時，鈍化劑對磷的鈍化率達到最佳，接近100%，此時溶液剩余磷濃度為0.031mg/L，能夠滿足地表水III類水環境質量對磷濃度的要求；振蕩時間在45～60min內，該鈍化劑仍能維持最佳鈍化效果，說明該鈍化劑具有較好的抗風浪效果；在時間為60～90min時，該鈍化劑對磷的鈍化率隨著時間的變化逐漸減弱，說明隨著振蕩時間的延長，對膠體微結構產生了破壞作用，從而影響到了鈍化效果。[13]因此，從振蕩時間對鈍化效果的影響來看，該鈍化劑不太適合大型淺水型湖泊，仍然需要對其抗風浪性能進一步改進，例如如何改進鈍化劑的成分從而增加其對水體中磷酸根離子的吸附力。

3.4 振蕩頻率對磷鈍化率的影響

由于湖泊水體在風的作用下，對底泥具有不同頻率的擾動作用，從而會影響到鈍化劑的鈍化效果，因此我們分析了不同振蕩頻率對磷鈍化率的影響，實驗結果見圖4。

圖4 不同振蕩頻率對磷的鈍化率

從圖4可以看出：在其它條件不變的情況下，振蕩頻率控制在0～180r/min時，該鈍化劑對磷的鈍化率隨著振蕩頻率的增加而增加，并且在180r/min時鈍化率達到最佳，鈍化效果接近100%，此時溶液剩余磷濃度為0.048 mg/L，滿足地表水III類水質量要求；這是因為適當的振蕩頻率有利于鈍化劑在水體中的分散和Al(OH)3膠體的形成，從而有利于鈍化率的提升。在實際工程應用中，自然風力引起的風浪、水中暗流的涌動頻率會小于這個振蕩頻率等[14-16]，因此，在一般情況下，該鈍化劑具有較好的抗風浪快速擾動的影響，但正如上一小節分析那樣，長時間抗風浪擾動的能力還不足。

3.5 磷初始濃度對磷鈍化效果的影響

磷的初始濃度的大小決定了鈍化吸附效果的最大鈍化容量，因此我們分析了不同磷初始濃度對磷鈍化率的影響，結果如圖5所示。

圖5 不同初始濃度對磷的鈍化率

從圖5可以看出：在其它條件不變的情況下，當磷初始濃度在1～3mg/L之間時，鈍化劑對磷具有很好的鈍化率，鈍化效率達到99%以上；當磷初始濃度在4～8 mg/L之間時，鈍化率隨著濃度的增加逐漸減弱，當磷濃度為4mg/L時，溶液中剩余磷濃度為0.052mg/L，超過地表水III類質量標準對磷濃度的要求。因此，在實際工程應用中，只要水體中磷濃度不超過3mg/L時，該鈍化劑對磷就具有很好的鈍化效果，能夠滿足我國淡水湖泊治理的需要。[17]

為進一步優化分析各種因素對鈍化效果的綜合影響，做了三因素三水平正交試驗，結果如表2所示。

表2 正交實驗結果

從表2可以看出，當磷初始濃度為3mg/L、振蕩頻率為中速(180r/min)，鈍化劑的投加量為0.06g時，鈍化劑對磷的鈍化效果最佳，達到99.95%。

為進一步分析主要影響因素，利用SPSS軟件做了主旨效果檢定分析，結果見表3。

表3 主旨效果的檢定

其中R2=0 .936 (調整R2=0 .744)。

從表3影響因素顯著性可知：磷初始濃度對該鈍化劑鈍化效果影響最大；其次為振蕩頻率；投加量影響最小。

4 結論與建議

4.1 結 論

論文通過改變投加量、溶液pH、振蕩時間、振蕩頻率和磷初始濃度5個影響因素來研究鈍化劑對模擬湖水中磷的鈍化效果。結果發現：

(1)當在其他影響因素不變的情況下，投加量為0.07g、溶液pH為6～9、溶液鈍化劑的振蕩時間為45min、振蕩頻率為中速(180r/min)、磷初始濃度為3mg/L時，鈍化劑對磷的鈍化效果最好。

(2)通過正交實驗發現，磷初始濃度為3mg/L、振蕩頻率為中速(180r/min)、投加量為0.06g時，鈍化效果最佳，達到99.95%。

(3)由主旨效果檢定分析可知，磷初始濃度對該鈍化劑鈍化效果影響最大,其次為振蕩頻率；投加量影響最小。

4.2 建 議

論文在實驗室條件下分析了5種影響因素對鈍化劑鈍化效果的影響，從實驗結果來看，該鈍化劑對抗風浪的振蕩持續時間還存在不足，如何提高抵抗風浪的影響是該鈍化劑所需要進一步改進的地方，而根據相關研究[18]，Zr2+、Fe3+離子可以提高鈍化劑的吸附性能及鈍化容量，因此可以用Zr2+離子等對鈍化劑進行改良。本研究在實驗過程前后未考慮鈍化劑殘留的二次污染效應，在實際運用中應避免其帶來的二次污染。