李愛秀，翟中葳，丁飛飛，杜連柱，張克強(qiáng)*

（1.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130117）

近年來，沼氣工程發(fā)展迅速，沼氣作為新型能源得到了廣泛利用，但沼液被隨意排放，大量含氮磷的廢水排入環(huán)境中，給淡水和海水等天然水體帶來嚴(yán)重的污染[1]。針對(duì)沼液的處理和應(yīng)用途徑，我國近幾年的研究重點(diǎn)是以沼液直接歸田和除去其中的污染物而達(dá)到達(dá)標(biāo)排放[2]。但隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的日漸擴(kuò)大，“豬-沼-菜/果/魚”循環(huán)模式的推廣落實(shí)難度日益加大，養(yǎng)殖規(guī)模與菜地、果園、魚塘的配比失衡，沒有足夠的農(nóng)業(yè)用地承載和消納日漸增加的沼液[3]。

鳥糞石結(jié)晶沉淀法作為一種比較新穎的方法，在高氨氮、磷廢水處理領(lǐng)域得到越來越多的重視，也取得了一定的進(jìn)展[4]。鳥糞石又稱磷酸銨鎂（MAP，magnesium ammonium phosphate），在中性和堿性條件下微溶，溶度積為 5.49×10-14至 3.9×10-10之間[5]。反應(yīng)方程式如下：

鳥糞石可直接或間接被用作農(nóng)業(yè)、林業(yè)優(yōu)質(zhì)肥料，是一種優(yōu)質(zhì)的緩釋肥[6-7]。針對(duì)沼液高氮磷的特性，鳥糞石結(jié)晶法可以回收豬場沼液中的部分氮磷，為后續(xù)的處理及利用提供良好的條件。鳥糞石沉淀中反應(yīng)是按照 Mg∶N∶P 為 1∶1∶1 的比例進(jìn)行反應(yīng)，而沼液中氨氮和磷酸鹽比例不平衡，不能同時(shí)獲得較高的脫氮除磷效果，需要進(jìn)一步研究沼液中的適宜配比，來同時(shí)獲得較高的氨氮和磷酸鹽的回收率。

針對(duì)鳥糞石沉淀法分別回收沼液中氨氮和磷酸鹽的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展[6，8-10]，氨氮回收率最高可達(dá)91.08%[11]，磷酸鹽回收最高可達(dá)90.5%[9]，但對(duì)同時(shí)獲得較高的氨氮和磷酸鹽回收效果的影響因素的研究還有待進(jìn)一步探討。本研究以MgCl2、Na2HPO4分別作為外加鎂源和磷源，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化鳥糞石沉淀法回收豬場沼液中氮磷的工藝參數(shù)，以期為規(guī)?；螟B糞石沉淀法回收豬場沼液氮磷提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)沼液取自天津某規(guī)?；B(yǎng)豬場。沼液取自該養(yǎng)殖場沼液儲(chǔ)存池中。試驗(yàn)前，將沼液置于4℃冰箱中保存。對(duì)沼液進(jìn)行分析，氨氮直接測定，磷酸鹽和Mg2+是在沼液離心過濾后進(jìn)行測定，具體見表1。

1.2 試驗(yàn)藥品及主要儀器

試驗(yàn)藥品：Na2HPO4·2H2O（分析純，≥99.0%）、MgCl2·6H2O（分析純，≥98.0%）、HCl、NaOH、抗壞血酸（國藥，≥99.7%）、硼酸、鉬酸鹽、氧化鑭等。

表1 試驗(yàn)用沼液的化學(xué)性質(zhì)Table1 The characteristics of biogas slurry

主要儀器：六聯(lián)數(shù)顯磁力攪拌器，DR5000紫外可見光分光光度計(jì)，pH計(jì)，電子分析天平，AA-6300C原子吸收分光光度計(jì)、全自動(dòng)凱氏定氮儀等。

試劑的配制：（1）10%氫氧化鈉溶液的配制：稱取100 g 氫氧化鈉，定容至 1 L，冷卻，常溫保存；（2）1.2 mol·L-1鹽酸配制：用量筒量取10 mL HCl緩慢注入90 mL蒸餾水，攪拌均勻。用于調(diào)節(jié)沼液pH值。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的是1 L的燒杯，試驗(yàn)中量取250 mL沼液進(jìn)行反應(yīng)，試驗(yàn)裝置如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Figure1 The device of the experiment

按照試驗(yàn)設(shè)置比例加入磷酸鹽后攪拌30 s，再加入鎂鹽，調(diào)節(jié)pH后，放到磁力攪拌器上攪拌進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)完成后，靜置0.5 h，取上清液進(jìn)行指標(biāo)測定，測定上清液中氨氮濃度；將上清液離心過濾，測定濾液中磷酸鹽成分，進(jìn)而分析各因素對(duì)鳥糞石法回收豬場沼液中氮磷的影響。氨氮（磷酸鹽）回收率即以鳥糞石沉淀回收的氨氮（磷酸鹽）含量占沼液氨氮（磷酸鹽）總量的比例，計(jì)算過程如下：

式中：Y為氨氮（磷酸鹽）回收率，%；C1反應(yīng)前沼液中氨氮（磷酸鹽）濃度，mg·L-1；C2為反應(yīng)后上清液中氨氮（磷酸鹽）濃度，mg·L-1。

1.4 測定方法

pH值采用pH計(jì)（DELTA320）進(jìn)行測定，氨氮采用凱氏定氮儀（KN580）進(jìn)行測定，磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法（哈希，DR500）測定，可溶性鎂離子采用原子吸收分光光度計(jì)（島津，AA-6300C）進(jìn)行測定。

1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.5.1 單因素實(shí)驗(yàn)

影響鳥糞石結(jié)晶的主要因素有反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、轉(zhuǎn)速、鎂氮比、磷氮比和pH值[12-13]，郝瑞剛等[14]實(shí)驗(yàn)表明，氨氮去除率在20 min后就達(dá)到穩(wěn)定，Lee等[15]在鳥糞石法去除豬場廢水中磷的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氮磷的去除主要是在反應(yīng)后1 min之內(nèi)，磷的去除在反應(yīng)10 min后變化不大。在反應(yīng)后5 min之內(nèi)，氨氮和磷酸鹽的去除率就基本達(dá)到最高水平[4，16-17]。反應(yīng)時(shí)間對(duì)氮磷的回收影響不大，在試驗(yàn)中將時(shí)間設(shè)為10 min。試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，溫度在20.0～24.0℃之間波動(dòng)。攪拌對(duì)鳥糞石的生成有著重要的影響，可以加速樣品與藥品的混合，同時(shí)增加各反應(yīng)離子與小晶體碰撞次數(shù)[18-19]，但其對(duì)鳥糞石法回收氮磷的影響不大[20]，在試驗(yàn)中設(shè)置轉(zhuǎn)速為400 r·min-1。針對(duì)鎂氮比、磷氮比和pH三個(gè)因素設(shè)置了三組實(shí)驗(yàn)來考察其對(duì)氮磷回收率的影響，確定各個(gè)因素的優(yōu)化區(qū)間，為后續(xù)響應(yīng)面設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

量取250 mL沼液，置于1 L的燒杯中，在室溫條件下，設(shè)置轉(zhuǎn)速 400 r·min-1，時(shí)間 10 min，鎂氮比 1∶1，磷氮比0.5∶1和pH 9，分別改變鎂氮比、磷氮比和pH水平，保持其他因素不變。鎂氮比為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2，按照比例添加 MgCl2·6H2O 補(bǔ)充 Mg2+；磷氮比為0.2、0.4、0.5、0.6、0.8，按照比例添加 Na2HPO4·2H2O 補(bǔ)充磷酸鹽；pH 為 7、8、9、10、11、12。按照 1.3 的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.5.2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)確定的水平條件，以氨氮和磷酸鹽回收率為響應(yīng)值，分析pH值、鎂氮比配比、磷氮配比對(duì)氮磷回收效果的最佳影響。采用Design expert 8.0.6軟件，利用Box-behnken設(shè)計(jì)及前期單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取pH、鎂氮比、磷氮比3個(gè)因素，設(shè)定每個(gè)因素的試驗(yàn)水平。其中，用來分析各因素影響效應(yīng)大小的試驗(yàn)組有12個(gè)，用來估計(jì)試驗(yàn)誤差的中心實(shí)驗(yàn)組有5個(gè)[21]。采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 pH值

分析pH值變化對(duì)氮磷回收效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)MAP結(jié)晶沉淀法的反應(yīng)機(jī)理可知，堿性條件下反應(yīng)才能正常進(jìn)行[7]。隨著pH的增加，回收率呈現(xiàn)增高的趨勢，在pH增加到12時(shí)回收率驟減。由于pH大于10.5時(shí)，氨氮會(huì)有一部分轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氨揮發(fā)[22]，影響了鳥糞石的形成。Lee等[15]試驗(yàn)表明在pH高于11時(shí)，沉淀的主要成分是Mg（OH）2。過高的pH會(huì)耗費(fèi)過量的NaOH，所以在鳥糞石的形成過程中，存在一個(gè)最優(yōu)pH為10，此時(shí)氨氮回收率為51.78%，磷酸鹽回收率為96.38%。Nelson等[23]對(duì)豬場沼液的研究表明，鳥糞石沉淀反應(yīng)的最佳pH在9.10～10.17之間，與本試驗(yàn)結(jié)果相近。

2.1.2 鎂氮配比

沼液成分較復(fù)雜，按照鳥糞石反應(yīng)化學(xué)劑量關(guān)系添加鎂鹽和磷酸鹽，并不能達(dá)到很好的氮磷回收效果，所以本試驗(yàn)中進(jìn)一步優(yōu)化了沼液中鎂氮配比，分析其對(duì)氮磷回收效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

表2 響應(yīng)面分析因素與水平表Table2 The table of different factors and levels of response surface analysis

圖2 pH對(duì)氮磷回收率的影響Figure2 The effect of pH value on nitrogen and phosphorus recovery

氨氮和磷酸鹽回收率隨著鎂氮比的升高而增加，但氨氮回收率在鎂氮比超過1.1之后增加趨勢降低，而磷酸鹽回收率在鎂氮比超過1.1后增加趨勢升高，這是由于過量的Mg2+與反應(yīng)生成了Mg3（PO4）2，氨氮反應(yīng)不完全導(dǎo)致的，所以最佳鎂氮比設(shè)為1.1，此時(shí)氨氮回收率為55.88%，磷酸鹽回收率為85.68%。

圖3 鎂氮比對(duì)氮磷回收率的影響Figure3 The effect of Mg/N ratio on nitrogen and phosphorus recovery

圖4 磷氮比對(duì)氮磷回收率的影響Figure4 The effect of P/N ratio on nitrogen and phosphorus recovery

2.1.3 磷氮配比

改變沼液中磷氮配比，分析其對(duì)氮磷回收效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，增加磷的濃度，有助于氨氮的回收，但過多的磷酸鹽引入了新的污染物，反應(yīng)后的殘磷量增加，最終選擇 n（N）∶n（P）=0.6 作為反應(yīng)最佳條件，此時(shí)氨氮回收率為55.91%，磷酸鹽回收率為81.13%。

綜上，鎂氮比、磷氮比和pH三個(gè)因素對(duì)氮磷回收效果最佳的水平分別是1.1、0.6、10，氨氮回收率最高達(dá)到71.41%，上清液氨氮最低為213 mg·L-1；磷酸鹽回收率最高達(dá)到95.96%，上清液磷酸鹽最低為0.86 mg·L-1。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table3 The experimental design and results

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)氨氮回收率及其預(yù)測值，磷酸鹽回收率及預(yù)測值結(jié)果見表3。

2.2.2 回歸方程及參數(shù)分析

對(duì)表3中氨氮回收率評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，綜合評(píng)價(jià)值以Y表示，pH、磷氮比和鎂氮比分別以 A、B、C表示，得回歸方程：Y=2.47-0.30×A+0.59×B-2.42×C+0.11×AB+0.034×AC-0.068×BC+0.016×A2-0.89×B2+1.083×C2。由表 4 可知，一次項(xiàng) A、B對(duì)氨氮去除效果有極顯著影響，3個(gè)因素對(duì)氨氮回收率的變化影響主次順序?yàn)閜H＞磷氮比＞鎂氮比，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腜＜0.01，顯示模型顯著性較高；而失擬誤差項(xiàng)的P＞0.05，顯示模型對(duì)試驗(yàn)擬合情況較好，試驗(yàn)誤差小，可采用此模型對(duì)氨氮回收率進(jìn)行分析和預(yù)測。

對(duì)表3中磷酸鹽回收率評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，綜合評(píng)價(jià)值以Y表示，pH、磷氮比和鎂氮比分別以A、B、C表示，得回歸方程：Y=15.58+2.82×A-5.79×B+7.92×C+0.073×AB+0.084×AC-2.82×BC-0.15×A2+7.85×B2-3.44×C2。由上表可知，一次項(xiàng) A 對(duì)磷酸鹽去除效果有極顯著影響。由表4可知，三個(gè)因素對(duì)磷酸鹽影響主次順序?yàn)閜H＞鎂氮比＞磷氮比，影響本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腜＜0.01，顯示模型顯著性較高；而失擬誤差項(xiàng)的P＞0.05，顯示模型對(duì)試驗(yàn)擬合情況較好，試驗(yàn)誤差小，可采用此模型對(duì)磷酸鹽回收率進(jìn)行分析和預(yù)測。

2.2.3 各因素對(duì)氮磷回收率變化響應(yīng)面分析

圖5為pH和磷氮比對(duì)氨氮回收率響應(yīng)面圖，由圖5可以看出，氨氮回收率隨著pH的升高呈現(xiàn)增高的趨勢，而隨著磷氮比呈現(xiàn)降低的趨勢；圖6是pH和鎂氮比對(duì)磷酸鹽回收率響應(yīng)面圖，可看出隨著pH的升高，磷酸鹽回收率開始升高較快，在達(dá)到一定范圍后增加緩慢。利用Design-expert軟件分析二次回歸方程得到最佳氮磷去除率的試驗(yàn)條件：pH值為10，鎂氮比為1.1，磷氮比為0.6，此時(shí)氨氮的回收率為65.21%，磷酸鹽的回收率為89.47%。在二次回歸模型確定的試驗(yàn)條件下，進(jìn)行了3次試驗(yàn)，氨氮回收率為65.01%，磷酸鹽回收率為90.81%，與預(yù)測值相差分別為0.20%、1.34%，回歸模型擬合較好，可靠性較高。

圖5 pH和磷氮比對(duì)氨氮回收率響應(yīng)面圖Figure5 The effect of P/N ratio and pH value on nitrogen recovery

圖6 pH和鎂氮比對(duì)磷酸鹽回收率響應(yīng)面圖Figure6 The effect of Mg/N ratio and pH value on phosphorus recovery

表4 氨氮和磷酸鹽回收率試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table4 The ANOVA results of phosphorus and ammonia recovery rate

3 結(jié)論

（1）本文以pH、鎂氮比和磷氮比3個(gè)因素為響應(yīng)變量，以氮磷回收率為響應(yīng)值，通過回歸分析，分別建立氮磷回收率對(duì)pH、鎂氮比和磷氮比的回歸方程。兩個(gè)方程決定系數(shù)R2分別為0.946 7、0.955 1，在0.05水平上顯著，表明回歸方程與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。

（2）根據(jù)方差分析結(jié)果和響應(yīng)曲面圖分析可知，在 pH 為 9～10，鎂氮比為 0.9～1.1，磷氮比為 0.4～0.6的試驗(yàn)條件下，3個(gè)因素對(duì)氨氮回收率的變化影響主次順序?yàn)閜H＞磷氮比＞鎂氮比，對(duì)磷酸鹽回收率的變化影響主次順序?yàn)閜H＞鎂氮比＞磷氮比。

（3）利用Design-expert軟件優(yōu)化回歸方程確定鳥糞石回收豬場沼液的最佳條件。經(jīng)響應(yīng)面分析，在pH為10，磷氮比為0.6，鎂氮比為1.1時(shí)，氨氮回收率為65.21%，磷酸鹽回收率為89.47%，實(shí)際值氨氮回收率為65.01%，磷酸鹽回收率為90.81%，差值分別為0.20%、1.34%，回歸模型擬合較好，在此條件下可以獲得較好的氮磷回收效果，為沼液后續(xù)還田及處理提供參考，但沼液成分復(fù)雜，試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，將試驗(yàn)結(jié)果用于實(shí)際工程處理可能會(huì)存在差異。針對(duì)這個(gè)問題會(huì)在后續(xù)研究中進(jìn)一步完善。

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