Phoslock®锁磷剂工程应用二十周年特辑——文献解读（8）
Phoslock®锁磷剂自2000s首次参与工程应用以来，一直受到国内外广大科研工作者及水环境工作者的关注，并在国内外学术期刊发表了逾百篇学术论文。目前学者们对该技术产品的研究已经涉及除磷效果、沉积物修复、影响因素、生态安全、深度开发等多个领域。
2022年，在该技术产品全球应用20周年之际，PET中国团队将针对热点关注话题，甄选文献加以解读分享，以便于广大科研工作者和水环境工作者深入了解Phoslock®锁磷剂的学术背景及差异化特性。
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本期针对“Phoslock®锁磷剂在人工湿地中的应用效果”，向大家分享文献如下：
文章题目：Phoslock®锁磷剂应用于复合型人工湿地中除磷的可行性研究
发表期刊：Ecological Engineering
2021年影响因子/JCR分区：4.035/Q2
文献链接：https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2018.07.020
研究亮点：
一、首次研究Phoslock®锁磷剂在复合型人工湿地中的应用，提出了Phoslock®锁磷剂在人工湿地中的应用场景和处理工艺。
二、通过分析Phoslock®锁磷剂的Freundlich和Langmuir吸附等温线，得出了Phoslock®锁磷剂除磷的动力学模型。
三、验证了Phoslock®锁磷剂应用后对水体其他水质指标是否存在影响。
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研究背景：
近年来，人工湿地污水处理技术因为其缓冲容量大、处理效果较好、工艺简单、运行费用低、兼具景观功能等优点，在国内外都受到广泛关注和应用，尤其适用于乡镇和农村生活污水处理。其技术原理是通过人工建造和控制来运行与湿地类似的生态系统，将污水有控制地分配到湿地上，使污水在湿地土壤缝隙和表面沿一定方向流动的过程中，利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用对污水进行处理。
在本研究所在地波兰，只有8%的农村地区配备了下水道系统，因此小型人工湿地成为处理家庭生活污水的有效方法。但该项技术也有其固有的局限性，如易受气候条件影响，南北差异大，湿地运行后期对磷污染物去除率低等。基于此，本研究尝试将Phoslock®锁磷剂应用于人工湿地污水处理系统中，分析Phoslock®锁磷剂的除磷效率及对湿地出水其它常规指标的影响，探索Phoslock®锁磷剂对人工湿地污水处理中磷污染物去除的提升效果，提出具有更高除磷效率的处理工艺模型。
研究方法：
本研究分为三个阶段，每个阶段都在多个间歇式反应器中进行，如下表所示：
第一阶段是评估Phoslock®锁磷剂的除磷能力，并研究混合时间对除磷效率的影响。试验采用间歇式反应器中试装置进行，以PO43--P约为15mg/L的合成污水为受试水样，在经过不同反应时间（5、10、20和30分钟，磁力搅拌1000 rpm）后，分别在0.5、1、2、3、4、24 h后取样，评价以上条件对＊终除磷效果的影响。
第二阶段是吸附平衡研究，确定Phoslock®锁磷剂的Freundlich和Langmuir吸附等温线参数。本阶段在不同浓度的磷酸盐标准液中进行，PO43--P浓度设置依次为5、10、20、50和100 mg/L，在反应1 h后采样，以获得不同初始浓度下的吸附数据，得出吸附动力学模型。
第三阶段以合成污水（PO43--P浓度约为 10mg/L）和来自波兰北部科尼沃（Kniewo）复合型人工湿地出水（PO43--P浓度约为4mg/L）为系统进水，采用两个间歇式反应器进行，以砾石等为填料，并种植芦苇等植物，模拟科尼沃湿地地下垂直流（SSVF）和地下水平流（SSHF）滤床，水力停留时间为48h，待系统运行稳定后开展试验。分别在5、10、30、60、120和300 min后取样，用伪二级动力学模型描述Phoslock®锁磷剂的吸附动力学。此外，还测试了其他参数（pH、电导率、颜色、浊度、TSS），以评价Phoslock®锁磷剂对出水水质的影响。
主要结果：
1、Phoslock®锁磷剂的吸附能力
在第一阶段中，研究发现在搅拌速率一致的条件下，不同搅拌时间对除磷效果没有影响，故后续试验均采用搅拌5min后静置，再在不同时间点采样。本实验各系列的吸附效率（除末尾一个吸附容量耗尽时的结果外）均大于99%，＊后一个接近85%，整个实验吸附效率为97%。第二阶段的研究表明，PO43--P浓度较高时，吸附量超过90 mg/L，吸附容量超过9 mg/g，吸附效率为95%。初始浓度为5-100mg/L，Phoslock®锁磷剂处理后浓度为0.04-4.53mg/L。如下表所示：
2、吸附动力学模型
根据动力学研究可以得出，伪二级动力学模型可以较好地描述Phoslock®锁磷剂的吸附过程（如图所示），合成污水和科尼沃湿地出水吸附过程的相关系数均在0.99以上，但对合成废水的吸附效果相对于湿地出水更佳。
图1 Phoslock®锁磷剂的伪二级动力学模型
3、对其他物理指标的影响
根据系统运行过程中pH值、电导率、TSS、色度、浊度等指标的变化情况，得出结论如下：在Phoslock®锁磷剂加入后短时间内，因为Phoslock®锁磷剂形成的膨润土悬浊液对水体感官的影响，TSS、色度和浊度（以上三个指标互相关联）均有不同程度升高，但在5h后恢复至接近正常水平，其它指标均未有明显变化。
4、处理工艺设计
根据Phoslock®锁磷剂的产品性质，在复合型人工湿地中既可作为湿地填料铺设于湿地滤床中，也可作为湿地出水的末端处理，本研究建议采用末端处理工艺，将Phoslock®锁磷剂过滤单元的位置设置在排水系统的前端，同时配备加药泵和搅拌器与开关系统。应用Phoslock®锁磷剂后，搅拌器搅拌5min，然后沉淀2h，处理后的出水直接进入排水系统进入地表水，同时过滤装置需要便于收集使用过的Phoslock®锁磷剂并更换新料，更换下来的材料可作为缓释磷肥料，其可循环利用的可能性作为新的研究课题，有待进一步研究（如下图所示）。
图2 Phoslock®锁磷剂应用在人工湿地中的设计位置示意图
研究结论：
1.在人工湿地污水处理技术中，Phoslock®锁磷剂对合成污水和湿地出水中的含磷污染物都具有较高的吸附能力，但因为湿地出水成分更复杂，因此在合成污水中的除磷效果更好。
2.Phoslock®锁磷剂不仅使污水中磷浓度迅速下降，而且对其它指标没有明显的影响。
3.Phoslock®锁磷剂除磷单元在人工湿地处理工艺中的＊佳方式为末端处理，可将Phoslock®锁磷剂除磷单元置于排水系统前端，采用投加、搅拌、沉淀的方式进行实际应用，并根据吸附容量定期更换。
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编外语：
1、近两年我国正在加紧进行农村生活污水集中处理和城镇污水处理厂提标改造建设，其中生活污水或者污水处理厂出水经人工湿地处理后达标（提标）排放是主要措施之一，人工湿地运行中后期，滤料吸附饱和后，出水总磷达标是该项技术面临的问题之一，在此阶段采用Phoslock®锁磷剂可作为解决这一问题的途径。
2、本研究中还涉及到Phoslock®锁磷剂在波兰人工湿地污水处理中使用成本及经济效益的测算，这与国内有一定的差异，Phoslock®锁磷剂在人工湿地中的应用成本与处理水量、背景磷含量、出水标准等因素密切相关，需要根据具体情况才能做出科学测算，在末端进行深度处理可在一定程度上节约使用成本，提高经济效益。
3、我们希望与广大客户在人工湿地污水处理及其它应用场景中就Phoslock®锁磷剂的研究和应用加强交流，合作共赢，为我国水环境改善和水生态建设提供更多解决方案。
更多内容后续我们会一一分享，敬请期待
