磷是导致水体富营养化的关键元素之一，磷超标的污水随意排放可导致水体富营养化^[1]，破坏生态平衡. 人工湿地污水处理技术是一种通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等多种途径实现污水净化的技术^[2].该技术作为一种新型的污水处理技术，已被广泛应用于处理各种污水.

钢渣是炼钢过程中产生的一种副产物，其化学组成主要包含钙、铁、硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物，其产量约为粗钢产量的15%~20%.钢渣可作为添加剂用于生产水泥、混凝土、钢渣砖，作为熔剂用于冶炼过程，还可用于农业与道路工程^{[3, 4, 5]}.但是，由于体积安定性等问题，钢渣未能在上述领域得到推广应用^[6].随着钢铁工业的发展，钢渣已成为目前钢铁行业中最大的“固体废物”来源^{[1, 2, 3]}.

研究表明，钢渣具有易于固液分离从而不易形成二次污染等特点^[4].作为一种低耗、低成本、二次污染少的新型污水处理材料，钢渣能够有效去除废水中的磷.钢渣除磷主要有两种机理：一种是钢渣中溶出的钙与磷反应生成钙磷沉淀；另一种是磷以吸附方式被钢渣去除^{[5, 6, 7, 8]}.已有文献研究了钢渣除磷的效果以及相应的热力学和动力学^{[9, 10, 11]}，但各因素对钢渣除磷效果的影响的研究还缺乏系统性.因此，本文系统研究了磷初始质量浓度、钢渣用量、钢渣粒径、温度、pH值等因素对钢渣除磷效果的影响，为钢渣作为有效基质去除废水中磷的实际应用提供基础数据.

钢渣取自鞍山钢铁集团，钢渣经破碎、干燥后研磨，用不同的筛进行筛分，最终钢渣制成粒径不同的样品备用(0~38.5 μm，38.5~45 μm，45~58 μm，58~106 μm，106~180 μm).采用批量实验方法研究反应条件对钢渣除磷效果的影响.将磷酸二氢钾(KH₂PO₄，分析纯)溶于自来水，配制模拟含磷废水(50，75，100，125 mg P/L).准备装有250 mL的模拟废水的烧杯，用NaOH和HCl调节溶液的初始pH值，投入不同剂量与粒径的钢渣，持续恒温反应3.0 h，反应过程中每隔一段时间取样离心，利用紫外分光光度计(岛津UV2550)通过钼酸铵分光光度法检测磷的浓度，进而讨论磷的初始质量浓度、钢渣用量、钢渣粒径、温度、pH值对磷去除率的影响.

钢渣通过X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)分析，主要化学成分包括Ca，Fe和Si，主要矿物成分如图 1所示，主要矿物成分包括Ca₂Fe₂O₅，Ca₂SiO₄，CaFe₂O₄等.这些成分表明钢渣有通过沉淀或者吸附去除磷的潜力.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 钢渣的XRD图谱 Fig. 1 XRD diagram of steel slag

图 2显示了不同初始浓度条件下磷质量浓度随时间的变化.(钢渣(38.5~45 μm)1 g，反应温度25 ℃,pH=7)磷去除率随初始质量浓度的增加而显著降低.初始质量浓度为50 mg/L时，60 min时磷的去除率达到100%；初始质量浓度为150 mg/L时，90 min之后磷浓度变化很小，趋于平衡，磷去除率仅为36.39%.如图 3a所示，磷初始质量浓度对钢渣的除磷能力具有一定影响，初始质量浓度为75 mg/L时，磷的去除量最高，达16.29 mg/g.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 初始质量浓度对除磷效果的影响 Fig. 2 Effects of initial concentration on phosphorus removal

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 不同初始质量浓度下磷的去除率与朗格缪尔吸附曲线拟合结果 Fig. 3 The removal rate of phosphorus under different initial concentration and results of Langmuir adsorption curve fitting(a)—磷的去除率； (b)—朗格缪尔曲线.

不同初始质量浓度下，磷的浓度在120 min后虽有下降，但变化不大，可认为反应已经平衡，可以利用朗格缪尔吸附方程对75,100,125,150 mg/L的平衡数据进行拟合，表达式为

图 4显示了不同钢渣用量条件下磷的浓度随时间的变化(初始质量浓度100 mg/L、钢渣(38.5~45 μm)、反应温度25 ℃、pH=7).可知当其他反应条件一定时，钢渣用量增加，磷的去除率增大.钢渣用量为0.5 g时磷的去除量为10.05 mg/g；钢渣用量为1 g时磷的去除量为13.915 mg/g；钢渣用量为1.5 g时磷的去除率为17.96 mg/g.但是，相对于钢渣用量为1.5 g时磷的去除量，钢渣剂量为2 g时磷的去除量仅微弱增加.这可能由于用量为2 g时，钢渣不能很好地分散于溶液中，从而部分钢渣未起到除磷作用，导致磷的去除率并没有显著提高.可见钢渣去除磷的能力不会随着钢渣用量的增加而不断提高.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 钢渣用量对除磷效果的影响 Fig. 4 Effects of slag dosage on phosphorus removal

图 5显示了不同钢渣粒径条件下磷的浓度随时间的变化(初始质量浓度100 mg/L、钢渣1 g、反应温度25 ℃、pH=7).钢渣粒径越小，磷的去除率越高.时间为3.0 h后，钢渣粒径为0~38.5 μm时钢渣去除率为56.05 %；钢渣粒径为106~180 μm时，磷去除率仅为38.98 %.钢渣粒径越小，钢渣的比表面积越大，钢渣表面的吸附位点越多，从而导致上述实验结果.反应前60 min，钢渣粒径为0~38.5 μm时磷的去除率明显高于钢渣粒径为38.5~45 μm时磷的去除率；但是，180 min时 两种粒径条件下磷的去除率基本一样.可见钢渣粒径越小，磷去除得越快，但对于平衡时磷的去除率，并不是粒径越小越好.这是因为粒径对吸附剂的比表面积和吸附质的扩散速率都有影响，粒径越小，吸附剂的比表面积越大，吸附质的扩散速率也越大，对吸附越有利；但是，粒径过小尽管具有较大的比表面积，但可能会破坏钢渣的微观结构，从而影响了磷的去除率^[12].

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 钢渣粒径对除磷效果的影响 Fig. 5 Effects of size of steel slag on phosphorus removal

图 6显示了不同温度条件下磷的浓度随时间的变化(初始质量浓度100 mg/L、钢渣(38.5~45 μm)1 g、pH=7).反应温度从20 ℃到35 ℃时，磷的去除率从53.09 %到55.16 %，去除率只提高了2 %，可见20 ℃到35 ℃反应时温度对磷的去除率的影响很小.但是，温度为40 ℃时磷的去除率为69.62 %，相对于35 ℃时磷的去除率提高了15.49 %.在实际应用时，室外水体的温度很少能超过40 ℃，故40 ℃以上的磷去除率没有意义，不同温度下钢渣对磷的去除率可能受到季节交替所引起的环境温度变化的影响.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 温度对除磷效果的影响 Fig. 6 Effects of temperature on phosphorus removal

在碱性条件下，氢氧根离子能够与自来水中自然溶解的钙离子发生沉淀而影响钢渣除磷效果，故本文只讨论酸性和中性条件下初始pH值对钢渣除磷效率的影响.如图 7所示，初始溶液的酸性越强，磷的去除率越高(初始质量浓度100 mg/L、钢渣(38.5~45 μm)1 g、反应温度25 ℃).pH值为7时磷的去除量为13.67 mg/g.pH值为3时磷的去除量为17.45 mg/g.这是因为用1∶1盐酸调节pH值后的钢渣与磷的混合溶液，溶液中的H⁺会附着在钢渣表面，同时钢渣表面的H⁺会吸附溶液中的磷酸根，从而有利于磷的去除.另外，钢渣中的碱性物质在反应过程中发生水解，导致反应后溶液呈碱性，pH值在7.5~8.0之间.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图 7 初始pH值对磷去除率的影响以及反应后的溶液pH值 Fig. 7 Effect of removal of phosphorus in different initial pH and pH after the reaction

磷的初始浓度对磷的去除率影响比较显著，初始浓度越高反应平衡得越快.钢渣的量和钢渣的粒径对磷的去除率影响显著，在合适的范围内，钢渣的粒径越小、钢渣的剂量越大，越有利于水中磷的去除.20~35 ℃范围内温度对钢渣除磷效果影响很小，磷的去除率在54%左右；当温度为40 ℃时磷去除率显著增加.初始pH值在酸性条件下更有利于磷的去除，溶液初始pH值为4时磷去除率为70.09%，比初始pH值为7时磷的去除率高了15.43%.