城市污水处理厂中有机磷组分富集方法优化及机理分析

2022-11-01张钰婷邱顺添郑兴灿孙永利

天津大学学报(自然科学与工程技术版) 2022年11期

张钰婷，尚巍，邱顺添，郑兴灿，孙永利，顾淼

（1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381）

近年来，溶解性有机磷对河湖生态的作用机制受到越来越多研究者的关注[1-2]．已有研究表明，即使是贫营养状态下，河湖中的藻类仍然会将溶解性有机磷做为磷源吸收利用，导致藻类爆发[1]．作为磷循环体系的重要节点，城市污水处理厂出水中对溶解性有机磷的结构形态和组分的研究仍然十分欠缺．城市污水处理厂出水成分复杂、有机磷组分及浓度波动较大，导致目前缺少针对城市污水中磷组分富集、提取及测试方法，上述问题制约着人们对污水处理环节中有机磷成分的认识．

31P核磁共振技术(31P NMR)不仅能够检测无机磷组分，如磷酸盐、焦磷酸盐、多聚磷酸盐，并且能够同步检测多种有机磷组分，如膦酸酯、磷酸单酯和磷酸二酯[3-4]，因此目前对土壤、沉积物中多种磷组分测定中应用最为广泛[5-6]．然而，水体中的磷检测应用却受到一定限制，是由于液相31P NMR的检出限高达100 mg/L．通常，在土壤样品中，富集10倍即可使用31P NMR检出磷组分[7]，而在水体中磷组分的富集则受到更大的挑战．已有研究者采用超滤和反渗透结合的方法对湖水中溶解态磷组分进行富集，然而需富集水样体积大[8]，使此方法的应用受到限制. Cade-Menun等[9]采用冷冻干燥法对河湖水进行富集，并采用NaOH-EDTA可对有机磷组分进行有效提取，然而水体中有机磷含量较低，如需对超过4 L水样进行富集，所需时间较长．此后，研究者通过添加铝盐富集湖泊中有机磷和无机磷组分，以缩短浓缩时间、简化操作步骤，且结果表明铝盐可高效沉淀无机磷和有机磷组分[1]．目前，冷冻干燥法和铝盐絮凝法是河湖中有机磷行之有效的富集方法，但在城市污水中，两种方法对于不同磷组分的富集效率及数据结果的可比性研究方面尚欠缺．

对于城市污水而言，水质成分更为复杂，有机磷含量相对较低的现状使有机磷的富集成为更大的挑战．本文将采用冷冻干燥法和铝盐絮凝法对污水处理厂二级出水进行富集，对比分析其富集效能及机理. 此外，提取剂与提取方式的合理选取同样对有机磷组分的检测至关重要．对于土壤及沉积物样品，连续分级提取法[10-11]及NaHCO3[12-13]、NaOH[14]、NaOH-EDTA[15]提取剂应用较为广泛．然而，适用于污水处理厂出水的提取剂及提取方式尚未可知．因此，本文将采用不同提取剂及提取方式对样品进行提取，优化磷最佳提取方法，阐述不同提取方法对磷组分提取效能的影响，提出适用于污水处理系统中磷组分测试分析方法．

1 材料与方法

1.1 样品预处理及其理化性质分析

实验中所用污水采集自无锡某污水处理厂二级出水，采用5 L有机玻璃采水器将二级出水收集于聚乙烯桶中并迅速带回实验室．采集的污水样品经过0.45µm孔径的玻璃纤维滤膜过滤后，保存于4℃的冰箱中备用．水样中溶解性总磷(dissolved total phosphorus，DTP)和活性磷酸盐(soluble reactive phosphorus，SRP)均采用钼酸铵分光光度法测定[16]，溶解性有机磷总量(OP)以溶解性总磷与活性磷酸盐差值表示，水样中金属元素采用ICP-OES/MS测定．

1.2 磷富集及提取方法

1.2.1 铝盐絮凝法

取1 L过滤后的水样[7,17]，加入一定量的氯化铝，随后加入NaOH(1 mol/L)和HCl(1 mol/L)调节溶液pH值，在经过快速和慢速搅拌后，沉淀一定时间，取上清液检测DTP和SRP浓度；将上覆水进行虹吸，底部剩余水体和絮体部分采用离心分离方式，8000 r/min离心20 min，弃去上清液，絮体部分经烘干、研磨成粉末后，采用20 mL 0.20 mol/L NaOH＋0.05 mol/L EDTA混合液振荡提取18 h，保留上清液待测．

不同影响因素分析实验中，Al和P的摩尔比分别为15、30、45，沉降时间分别设定为1 h、3 h、18 h，pH值分别为4.3、5.4、6.2、7.7和8.9，其余实验步骤相同．在不同沉淀剂对比实验中，PAC添加浓度为30.0 mg/L，PAM添加浓度为0.5 mg/L，其余实验步骤相同．

1.2.2 冷冻干燥富集及后续提取方法

在对不同提取剂的选择、提取方式优化及提取剂配比优化实验中，均采用1 L水样进行冷冻干燥富集，收集粉末备用．

连续分级提取法[10-11]：将富集的样品采用20 mL 1 mol/L NH4Cl溶液进行振荡提取18 h，随后将样品置于离心机中进行离心分离，8000 r/min离心20 min，保存上清液待测，将残余粉末继续于20 mL 1 mol/L NaOH溶液中振荡提取18 h．样品经离心分离后，残渣于10 mL 0.5 mol/L HCl溶液中提取后离心分离．对上清液中DTP和SRP进行检测分析．

NaOH-EDTA提取法[1,15]：将富集的样品使用20 mL 0.20 mol/L NaOH＋0.05 mol/L EDTA混合置于恒温振荡器中提取18 h，随后将样品于离心机中常温高速离心20 min，保留上清液．对上清液中DTP和SRP进行检测分析．在不同提取剂配比优化实验中，NaOH浓度分别选用0.10、0.20、0.40、0.60 mol/L，EDTA-2Na浓度分别选用0.05 mol/L和0.10 mol/L，将NaOH与EDTA混合使用，共获得8种提取剂配比进行对比分析．在不同提取方式对比实验中，将连续3次采用NaOH-EDTA提取液提取，并对3次NaOH-EDTA提取液中DTP和SRP进行检测分析．

1.3 有机磷检测方法

向过滤后的1 L二级出水中加入不同磷组分标准样品，分别为1 mL 1.16 g/L焦磷酸钠、1 mL 1.30 g/L 六偏磷酸钠、1 mL 0.90 g/L 2-氨基乙基膦酸、1 mL 0.72 g/L植酸钠和1 mL 0.56 g/L DNA，并分别将上述样品进行冻干或铝盐絮凝后提取，进行31P NMR检测．

31P NMR采用瑞士布鲁克公司Bruker AVANCE Ⅲ 400 MHz核磁共振波谱仪测试[2,18]，采用5 mm低温BBO探头，频率为161.98 MHz，采集时间1.6 s，循环延迟时间3 s，测试温度298 K，扫描时间18 h，化学位移参照85%的H3PO4．

2 结果与分析

2.1 不同提取剂对冻干样品中磷组分的提取效率

如图1所示，采用连续分级提取法对二级出水中样品进行提取，提取液分别为NH4Cl、NaOH和HCl．其中，对DTP的提取效率分别为7.4%、34.0%和44.0%，对SRP的提取效率与DTP提取效率相近，分别为7.5%、37.5%和45.0%．OP的提取效率与DTP和SRP提取效率有所差异，分别为8.9%、33.3%和10.0%．虽然在HCl提取液中对DTP和SRP提取效率相对较高，然而在酸性条件下，部分OP发生水解反应，导致OP提取效率较低．

另外，采用NaOH-EDTA提取液对磷组分进行提取(图1)，对DTP、SRP和OP的提取效率分别为58.3%、58.7%和40.0%．同时，采用NaOH-EDTA提取液连续提取测试，结果表明，第2次NaOH-EDTA提取液中对DTP、SRP和OP的提取效率仍然较高，分别为29.0%、30.5%和22.0%．在连续两次采用NaOH-EDTA提取液提取后，对DTP、SRP提取总效率均大于85%，对OP提取总效率达到62%．在第3次NaOH-EDTA提取液中对各磷组分的提取效率均较低，是由于第2次NaOH-EDTA提取后溶液中残留磷组分均较低所致．

图1 不同提取剂对冻干样品中磷组分的提取效率Fig.1 Extraction efficiency of phosphorus in lyophilized samples by different extraction agents

NaOH和EDTA提取剂对DTP、SRP和OP的提取效率均较高，因此，继续对NaOH和EDTA配比进行优化．当EDTA浓度为0.05 mol/L时(表1)，随着NaOH浓度升高(0.10 mol/L至0.60 mol/L)，DTP提取效率分别由39.0%提升至66.1%，SRP提取效率由40.4%提升至71.2%，而OP提取效率呈现出先增加后降低的趋势．当NaOH浓度为0.20 mol/L、EDTA浓度为0.05 mol/L时，OP提取效率最高，达到57.1%. 当EDTA浓度为0.10 mol/L时，随着NaOH浓度的升高，DTP和SRP的提取效率同样呈现逐步升高趋势，而OP提取效率仍呈先升高后降低趋势．当NaOH浓度不变，EDTA浓度由0.05 mol/L增加至0.10 mol/L时，OP提取效率呈降低趋势．

表1 不同提取剂配比对磷组分提取效率影响Tab.1 Effect of different extraction agent ratios on extraction efficiency of phosphorus

综上所述，过低或过高的NaOH和EDTA浓度均不利于有机磷的提取．本文得到最佳NaOH和EDTA浓度分别为0.2 mol/L和0.05 mol/L，以下磷组分提取实验均采用此配比进行．

2.2 铝盐絮凝法对磷组分的富集效率

图2(a)为不同Al和P的摩尔比下磷组分的富集效率影响研究．当Al和P的摩尔比为15时，对DTP、SRP和OP的富集效率分别为85.0%、92.0%和16.7%．增加Al和P的摩尔比为30时，对DTP、SRP和OP的富集效率均有所提高，分别为88.3%、93.7%和33.3%．当继续增加Al和P的摩尔比为45时，对DTP、SRP和OP的富集效率为87.9%、93.5%和33.3%，与Al和P的摩尔比为30时富集效率相近．因此，本文中最佳Al和P的摩尔比为30，且后续实验中铝盐的添加量均采用此比值计算．

不同沉淀时间对磷组分的富集效率影响较大．如图2(b)所示，沉淀1 h，对DTP和SRP的富集效率为68.1%和75.4%，然而对OP的富集效率较低，仅为16.7%．延长沉淀时间为3 h，提高了对DTP、SRP和OP的富集效率，使其富集效率分别为78.3%、82.5%和33.3%．沉淀时间延长至18 h时，对DTP、SRP的富集效率显著增加，87.9%和93.5%的DTP、SRP得到有效富集，此时对OP的富集效率为33.3%．

在水体中添加铝盐后，通过调节pH值以探究不同反应pH值条件下磷组分的富集效率(图2(c))．随着pH值的增加，DTP、SRP和OP的富集效率均呈现先增加后降低的趋势．SRP变化趋势同DTP，在pH值为6.2时，SRP富集效率最高，可达93.5%．不同pH值对OP富集效率影响较大，溶液pH值为6.2时，50%的OP可被有效富集，pH值增加或降低均会显著降低OP的富集．

图2 不同条件下磷组分的富集效率Fig.2 Enrichment efficiencies of phosphorus under different conditions

为进一步对比不同沉淀剂对磷组分的富集及后续提取效率的影响，继续采用AlCl3、PAC、AlCl3＋PAM对磷组分进行富集并提取(图2(d))．采用AlCl3、PAC、AlCl3＋PAM对磷组分的富集效率均较高，对DTP和SRP的提取效率均大于85.0%，对OP的提取效率均为50.0%．因此，使用3种沉淀方式对磷组分的富集效率均较高，尤其是使用PAM助凝剂后，对SRP的提取效率高达94.4%．

此后，对不同沉淀剂富集的样品进行提取．结果表明，使用AlCl3沉淀后的样品提取效率最高，对DTP、SRP和OP的提取效率分别为89.8%、93.5%和50.0%．使用PAC沉淀的样品，对DTP、SRP和OP的提取效率分别为55.1%、57.3%和47.0%．使用AlCl3＋PAM，对DTP、SRP和OP的提取效率分别为62.3%、68.7%和40.0%．由此可见，虽然使用PAC和PAM对磷组分的富集效果佳，然而对后续磷组分的提取效率会产生一定影响．

2.3 31P NMR结果分析

为了进一步探究不同富集方式对各类磷组分的富集效能及机理，将膦酸盐、单酯磷、磷酸二酯(DNA)、焦磷酸盐和聚磷酸盐标准样品加入到二级出水样品中进行分析．由表2数据可知，铝盐絮凝法对无机磷组分富集能力较强，对焦磷酸盐和聚磷酸盐的富集效率分别高达95.7%和95.3%．同时，铝盐对有机磷组分有一定的富集能力，对膦酸酯、磷酸单酯和DNA的富集效率分别为77.6%、79.7%和80.7%. 此外，对富集后的样品进行提取，对焦磷酸盐和聚磷酸盐的提取效率分别为73.4%和73.7%．对有机磷的提取效率较高，除对膦酸酯的提取效率为49.5%外，80.6%的磷酸单酯和75.1%的DNA可被有效提取．

表2 不同富集方法对磷组分的提取效率Tab.2 Extraction efficiency of phosphorus components by different enrichment methods

将上述水样进行冻干后再提取，结果表明冻干后的样品中对无机磷的提取效率均较低，只有45.0%的焦磷酸盐和33.6%聚磷酸盐被有效提取．然而，此方法对膦酸酯的提取率最高，提取效率为75.5%．对磷酸单酯和DNA的提取效率分别为48.2%和53.8%. 同时，对NaOH-EDTA提取液中各磷组分的水解率进行核算，聚磷酸盐的水解率最高，为23.3%，膦酸酯、磷酸单酯和DNA的水解率分别为12.0%、12.8%和17.0%．

图3为采用铝盐絮凝法和冷冻干燥法对不同磷组分富集的31P NMR图谱．铝盐絮凝法对焦磷酸盐和多聚磷酸盐富集效果高于冷冻干燥法．冷冻干燥法中未检出多聚磷酸盐，原因见第3节讨论部分．冷冻干燥法对膦酸酯的提取效率高于铝盐絮凝法．对于磷酸单酯和磷酸二酯的提取，冷冻干燥法略高于铝盐絮凝法，此结果与表2中结果基本一致．

图3 不同富集条件下磷组分的31P NMR图Fig.3 31P NMR results of phosphorus under different enrichment conditions

由于金属离子的存在会严重影响核磁共振图谱的质量，因此进一步探究不同富集方法中金属元素富集情况(表3)．在二级出水中Ca离子含量较高，为48.8 mg/L，Al、Fe、Mn离子的含量均较低．冷冻干燥法对Ca离子富集效率较高，为266.0 mg/L，对Al、Fe、Mn的富集均较低．使用铝盐絮凝法时，对Ca离子的富集效率较低，提取物中Ca离子含量仅为5.1 mg/L．铝盐的添加使提取物中Al离子浓度较高，为138.0 mg/L，但铝离子对核磁结果影响较低，远低于Fe、Mn等顺磁离子的影响．此时，Fe、Mn离子的质量浓度分别为0.05 mg/L和0.01 mg/L，均较低．

表3 不同富集方法对金属离子的提取效率Tab.3 Extraction efficiency of metal ions by different enrichment methods

3 讨论

不同的富集及提取方式对城市污水磷组分富集效果差异显著．对于冷冻干燥法，NaOH提取液可以有效提取无机磷和有机磷(图1)，而EDTA的加入更易于有机磷的释放和提取．污水中部分金属离子与有机磷中P＝O、P＝S基团形成配合物，导致有机磷释放不佳[19]，EDTA可与金属离子螯合，促进有机磷的快速释放[14]．此外，EDTA的使用可有效减少顺磁离子的干扰，为后续31P NMR的测试降低干扰因素[20]. 同时，过高的NaOH浓度会导致部分OP水解，过高的EDTA浓度使OP提取效率呈降低趋势(表1)，这是由于EDTA呈弱酸性，过多的加入使pH值降低所致[21]．

冷冻干燥法中对无机磷的提取效率较低，是由于冻干的样品中含有大量盐分和有机质干扰所致．此外，在冻干的样品中未检出多聚磷酸盐(图3)，是由于多聚磷酸盐长链在冻干过程中易被破坏，同时提取过程中的水解作用均可造成多聚磷酸盐分解成焦磷酸盐和磷酸盐[22]．Ca离子的存在同样会加速多聚磷酸盐的降解，Ca离子可与多聚磷酸盐及其中间产物反应(以六偏磷酸钠为例)，如式(1)～式(7)，导致多聚磷酸盐的降解[15]．

铝盐对磷的富集，首先是通过铝离子和磷酸根反应生成沉淀，因此较高浓度的铝离子可以沉淀更多的磷酸根(图2(a))．其次，铝盐对磷组分的吸附，可以通过铝盐逐步水解生成羟基和羟桥，再以Al-OH-Al和的形式链接[23]形成多核络合物，最终实现对无机磷的富集．此外，Al(OH)3中—OH也可与有机磷中P进行配位而吸附[7]，因此，Al(OH)3同样可富集部分有机磷(图2(a))．不同水质使得最佳Al和P的摩尔比不同，如水体中硅酸盐离子和腐殖酸都可能占据Al(OH)3的吸附位点，从而降低磷的结合能力[24]．Vicente等[24]建议Al和P摩尔比不小于10，可对湖水中SRP有较高的沉淀率．Reitzel等[7]采用Al和P的摩尔比为10时，对河湖中非活性磷的富集效率高达81%～100%．此外，研究表明当Al和P的摩尔比为50时，Al(OH)3可沉淀低至9µg/L的非活性磷[24]．过高铝盐的引入也可能对后续提取效率有一定影响，因此，结合城市污水厂水质特点及本研究结果，建议Al和P的摩尔比不小于30．此外，长时间的沉淀可使絮体实现更好的聚集、沉降，从而使得DTP、SRP和OP的富集效率得到较大的提升(图2(b))，此结果与文献[2,7]报道结论一致．

铝盐反应的实质是水解、聚合交替的过程[25-26]，当溶液pH＜3时，水中主要以形式存在；pH≥4时，水解反应逐级进行，生成多核羟基铝离子；当溶液pH＝6～7时，形成电中性聚合度极高的Al(OH)3，此时是网捕或卷扫的最佳区域；pH＞8时，Al(OH)3会重新溶解为带负电的配合阴离子．因此，当溶液pH＝6～7时，对不同磷组分的富集效率最佳(图2(c))．

对于铝盐富集后样品进行提取，首先NaOH溶液中的—OH增加了吸附的磷与Al(OH)3之间静电斥力，从而促进了磷的释放．其次，Na+可取代Al3+，破坏吸附位，从而加速磷的释放[21,27]．EDTA可与Al3+等络合形成稳定的络合物，不仅加速磷组分的释放，同时减少金属离子对后续分析的干扰[14]．因此，AlCl3作为沉淀剂时，NaOH-EDTA提取液对不同磷组分有较高的提取效率．PAC通过其巨大的比表面积和大量的羟基集团使其对磷组分有更强的吸附作用(图2(d))；在AlCl3中引入PAM使链状分子逐渐连线成团，实现对磷组分的多层吸附．Zou等[15]在探究六偏磷酸钠与Al—OH表面之间的吸附关系时指出，Al—OH上的氢键和静电引力会使六偏磷酸钠吸附在Al—OH表面，而PAM的引入实现了絮凝剂的卷曲构象，会导致磷的多层吸附．引入高分子聚合物虽然实现了较高的吸附性能，然而其结构的复杂会对后续磷组分的提取造成一定负面影响，致使对无机磷和有机磷组分的提取效率降低(图2(d))．因此，对于沉淀剂的选择，不仅应考虑对磷组分的絮凝效果，同时应兼顾分析对后续磷组分的提取效能．

此外，铝盐絮凝法中残留部分铝离子，其余金属离子含量均较低，对核磁结果影响较低．两种富集方法对顺磁离子Fe和Mn离子富集均较低，不仅因为二级出水中Fe和Mn离子浓度本身含量较低，并且EDTA的存在，会优先络合金属离子，降低Fe和Mn离子的富集和对核磁数据的影响．