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磷遷移轉化機理的探討

城市汙水中的磷主要來源於人類排泄物、排入下水道的廢棄食物、各種家用洗滌劑和部分工業廢水。前三者構成了生活汙水的磷。汙水中的磷主要以有機磷和無機磷兩種形式存在,其中無機磷形式的磷可占總磷的85% ~ 95%(Canter等,1985;布蘭德斯,1980).有機磷主要存在於有機物和原生質細胞中。無機磷存在於壹些合成洗滌劑和含磷工業廢水中。無機磷的形態主要有正磷酸鹽和多磷酸鹽。磷可以在有機磷、無機磷、可溶性磷和不溶性磷之間轉化,但價態不會改變,正磷酸鹽是磷循環的最終產物。正磷酸鹽在水中電離,生成H3PO4和sum。各含磷基團的濃度分布隨pH值而變化。在pH值為6 ~ 9的典型生活汙水中,主要以sum形式存在。磷對自然界的危害主要是由水體富營養化引起的。

對於除磷機理,大多數學者持相同觀點,即植物吸收、滲透介質吸附、化學沈澱、絡合反應和微生物利用(Richardson,1985;Reneau Jr等人,1989;理查德·森等人,1987;福克納等人,1989;Mann,1990),其中滲透介質對磷的吸附被認為是最有效的機制(Steiner,Freeman,1989;曼恩,1990;木材,1990).植物吸收主要是利用磷是植物生長必需的營養元素的機制來除磷,但這種方法除磷的量畢竟有限。有學者認為PO4-P與滲透介質顆粒表面的氧化膜和氫氧化膜中的Fe、Al、Ca、Mg結合產生沈澱,對除磷也有很大作用(Laak,1986;格林等人,1994;雷迪等人,1997).例如,在堿性條件下,磷與鈣反應生成羥基磷灰石(Ca5(OH)(PO4)3)。微生物除磷主要是指壹種特殊的菌株——不動桿菌,在好氧條件下吸收磷,在厭氧條件下釋放磷,從而達到去除汙水中磷的目的。近年來發現壹株兼性厭氧反硝化除磷菌(DPB)可以在缺氧環境中吸收磷(沒有O2,有它)(Bortone等,1996;克恩-葉斯柏森等人,1993;傑尼塞克等人,1993).DPB代替O2作為電子受體,使得脫氮除磷可以在同壹菌種、同壹環境下完成。

1.吸附和沈澱對磷遷移轉化的影響

影響磷吸附的主要因素有:介質中所含吸附劑的種類和數量、介質的粒徑等。本次試驗所用砂均取自北京豐臺松散沈積地層中的天然砂,采用X射線衍射對三種砂進行半定量物相分析(檢測單位:中國地質大學(北京)地質測試中心X射線實驗室);分析儀器:D/Max-RC,由日本Rigaku制造),結果如表2-16所示。就粘土礦物總量而言,2柱含量最高,就高嶺石含量而言,3柱最大,2柱次之,1柱最小。易被高嶺土和矽膠吸附,因此2號柱和3號柱的除磷效果優於1號柱。吸附是壹種表面反應。介質的顆粒越小,比表面積越大,其吸附能力越強。通過對砂的粒度分析(見表2-4),粒徑小於0.075 mm的粘粒含量為:柱1,1.56%;列2,13.75438+0%;第三欄,3.80%。可以看出,第2列含有最多的粘土物質。從之前的去除率分析數據來看,柱2的去除效果略好於柱3和柱1。中國地質大學(北京)化學分析室測定了三種砂的氧化物含量。鐵、鋁、鈣、鎂和錳的氧化物含量見表2-17。從表中可以看出,第3欄鐵含量最高,第2欄鋁含量最高,第1欄鈣鎂含量最高,但各組分含量相差不大。Po4-P能與鐵、鋁、鈣、鎂等結合。在滲透介質顆粒表面的氧化膜和氫氧化膜上產生沈澱。如本實驗選取的三種沙土pH值為7.07 ~ 8.60,均為中性、微堿性。在這樣的pH條件下,磷可以與鈣反應生成Ca5(PO4)3OH沈澱,從而可以去除部分磷。pH值越大,沈澱反應越完全,除磷效果越好。反應式如下:

河流滲濾系統的汙染去除機理研究

表2-16砂質粘土的礦物含量wB表單位:%

表2-17 wB表單位:%

2.停留時間對磷遷移的影響

從圖2-4可以看出,飽水時2柱和3柱的滲流速度明顯小於1柱,對應的水力停留時間比1柱長;當柱1未飽和時,流速降低,水力停留時間逐漸增加。入滲速度越小,水力停留時間越長,磷在砂柱中的吸附沈澱反應越徹底,除磷率越高,與本實驗的結論壹致。柱2除磷效果最好,柱3次之,柱1最差。

3.1柱磷滲透原因分析

在試運行初期,1柱汙水的滲流速度很快。汙水中的磷通過砂柱時,可被砂柱中含量很少的粘土礦物吸附,僅13d後就會迅速達到吸附飽和,產生穿透現象。在此過程中,可能發生少量沈澱反應,但由於汙水流速快,水力停留時間短,除磷機理以吸附為主。隨著試運行時間的延長,汙水中的大量汙染物被截留在砂柱中,降低了汙水在砂柱中的滲流速度,延長了水力停留時間,使磷沈澱反應得以充分發生。汙水中的懸浮物在砂柱上部的截留和積累會形成少量的泥沙,增加對磷的吸附;此外,越來越多的有機物隨汙水帶入砂柱,為砂柱中的微生物提供了充足的碳源,使微生物(主要是聚磷菌)在實驗初期的好氧條件下吸收汙水中的磷。正是由於以上原因,磷穿透後1柱磷的去除率逐漸升高。另壹方面,2號柱和3號柱,無論是70多天前的飽和階段,還是後期的非飽和階段,在吸附的同時沈澱反應都充分進行,所以沒有磷的穿透。

綜上所述,可以得出以下結論:長期汙水滲濾過程中除磷的主要機理是沈澱反應,同時存在吸附作用。但由於磷壹般以陰離子形式存在,不容易被吸附。即使被吸附,也受到河床下部滲透介質中吸附劑含量的限制,短時間內達到吸附飽和(如1柱),因此沈澱反應是汙水河中最重要、最長期的除磷機制。

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