虎 华,李 阳,蒋欣然，张思玉，张 凌*

(1. 河南省开封生态环境监测中心，河南 开封 475000； 2. 平顶山煤业集团开封东大化工有限公司，河南 开封 475003； 3. 河南大学 化学化工学院，河南 开封 475004)

磷是支持全球粮食安全不可替代、不可再生的资源[1]，据资料统计，全球现有的磷矿石仅可维持100年[2-3]，我国的富磷矿也仅够供给10～20年[4]。而污水处理产生的污泥中富含大量的磷[5-6]，若能通过一定的方法将磷回收，即可实现磷资源化循环利用，也可以减少污泥中磷对水体的富营养化危害。在污泥磷回收过程中,如何安全有效地将污泥中的磷以可溶性磷的形式释放到液相中[7-9]，是后续污泥磷结晶回收的关键步骤。目前，污泥释磷的方法有厌氧法[10-12]、超声波[13-14]、热解[15-16]、氧化法[17-19]等技术。然而，目前科研人员大多针对影响污泥磷释放单一因子研究，无法综合比较。本研究在前期讨论了污泥释磷效果多个影响因素的基础上，采用正交试验法，考察各因素对污泥释磷影响程度的顺序，以探明各因素对污泥释磷影响的显著程度，以期为污泥中磷的高效释放提供理论依据。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

试剂：酒石酸锑钾、钼酸铵、抗坏血酸、2,6-二硝基酚、磷酸二氢钾等分析纯试剂。

仪器：GSL-1100X-XX-S程序温控管式炉、H1850高速离心机、LabTech分光光度计、HZQ-F160A恒温振荡器、pHS-3CT精密酸度计等。

1.2 实验方法

本实验所用污泥取自玮晖水务污泥脱水机出泥口。将污泥晾干，研磨，过200目筛，筛下物释磷实验备用。准确称取过筛后的污泥放入瓷坩埚底部，加入几滴无水乙醇润湿，在其表面铺上几片氢氧化钠，盖盖，放入马弗炉中程序升温720 ℃，灼烧15 min后，取出冷却，备用。准确称取0.250 g灼烧后的污泥于500 mL碘量瓶中，加入适量的溶剂(二次蒸馏水)，调节溶液pH，将碘量瓶放入到恒温振荡器中，控制不同的温度，调节合适的振荡频率，振荡一定的时间，离心分离，采用钼锑抗分光光度法[20]测定上清液中磷的浓度。校准曲线方程为：y=0.997 1x+0.009 8，R2=0.999 2。

2 结果与讨论

2.1 释放时间对释磷量的影响

按照1.2的方法，碘量瓶中加入溶剂50 mL，调节溶液pH为中性，将碘量瓶放入到恒温振荡器中，设置振荡温度为30 ℃，振荡频率为220 r·min-1，释磷时间为16 h后，实验数据如图1(a)。从图1(a)中可以看出，随着时间的增加，释磷量在逐步增加，但释放速度不明显，直至16 h时释磷量达到最大值，此时磷释放的百分率为32.36%。

2.2 温度对释磷量的影响

溶剂用量为50 mL，溶液pH为中性，设置振荡频率为220 r·min-1，控制不同的温度，振荡释磷时间为6 h后，实验数据如图1(b)。从图1(b)中可以看出，随着温度的升高，释磷量在慢慢增大，在50 ℃条件下，磷释放百分率为27.06%，此时磷释放量已达到最大值。

2.3 溶液初始pH的影响

溶剂用量为50 mL，调节不同的初始溶液pH，设置振荡频率为220 r·min-1，振荡温度为30 ℃，振荡释磷时间为10 h后，实验数据如图1(c)。从图1(c)中可以看出，溶液初始的pH对污泥的释磷率有明显的效果。当pH=1和13时，磷的释放率分别达到了76.92%和83.75%，是约中性条件下释磷量的2倍。因为焚烧灰分中磷酸盐主要以 Ca-P、Al-P、Fe-P 等形式存在[19,21]，在碱性环境下，磷酸根与OH-离子交换而释放，在酸性环境条件下，钙结合态磷和有机磷为主要的释磷源[22]。

2.4 溶剂用量对释磷量的影响

分别加入不同的溶剂，溶液起始pH为7.0，设置振荡温度为30 ℃，固定振荡频率为220 r·min-1，振荡释时间为6 h后，分析溶剂用量对释磷效率的影响，结果见图1(d)。由图1(d)可知，当溶剂用量≤50 mL时，释磷效率随着溶剂用量的增大而增大，当溶剂用量大于50 mL时，释磷效率随着溶剂用量的增大而减小，此时溶剂起到稀释的作用。

(a) 释放时间影响；(b) 温度影响；(c) pH影响；(d) 溶剂用量影响

2.5 振荡频率对释磷量的影响

溶剂用量为50 mL，pH为7.0，温度为30 ℃，分别设置100、200、300和500 r·min-1的振荡频率，振荡释磷时间为6 h后，分析振荡频率对释磷效率的影响，结果分别为27.71%、28.62%、28.94%和29.64%，说明振荡频率对释磷效率的影响较小。

2.6 正交实验优化

通过单因素实验表明，pH、释放时间、溶剂用量、温度等因素对污泥中磷的释放效果影响较大，且各种因素之间相互影响。相互影响的各因素在进行总体考察时，对这些因素进行四水平的正交实验，来研究各因素对污泥释磷量影响的程度及释磷量达到最大时的最佳条件。为了对各因素进行全面的考察，对以上4因素采用正交试验法进行4水平正交试验，以探明4因素对反应体系影响的显著程度。正交试验设计条件见表1。

表1 试验因素和水平表

根据正交设计表，所得正交试验结果如表2所示。

表2 正交试验结果数据表

续表2

3 结论

1) 通过分析单因素影响的释磷率可以发现，污泥质量为0.250 g，溶剂用量为50 mL，pH为13，温度为30 ℃，转速为220 r·min-1，释放时间为16 h时，污泥释放磷的效果最好，释磷量的百分率为83.75%。

2) 由正交实验可知，污泥释磷量影响因素的排序为：溶剂用量>溶液初始pH>温度>释放时间。在污泥为0.250 g，溶剂用量为50 mL，pH为2，温度为30 ℃，释放时间为4 h，此时释磷百分率为82.12%。实验表明，在溶剂量一定的条件下，污泥在强酸性和强碱性环境中，污泥释磷效果最佳。