CN103792216A - 一种废水磷回收产品的养分释放特性的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废水磷回收产品的养分释放特性的测定方法。该方法包括如下步骤：（1）组装激光诱导击穿光谱检测装置，激光诱导击穿光谱检测装置包括激光光源发射系统、激光传输系统、光谱接收系统、信号控制系统和样品检测管；（2）将废水磷回收产品鸟粪石与浸提液混合；（3）将混合后的浸提液加入至样品检测管中；利用激光诱导击穿光谱检测装置对浸提液进行养分动态测定，即实现对废水磷回收产品的养分释放特性的测定。本发明废水磷回收产品养分释放特性的测定方法，可实现废水磷回收产品的养分动态释放规律的快速检测，同步动态测定磷回收产品中养分镁元素、氮元素和磷元素的含量，为优化磷结晶过程参数，提高磷回收产品农用价值，提供快速检测反馈。

Description

一种废水磷回收产品的养分释放特性的测定方法

技术领域

本发明涉及一种废水磷回收产品的养分释放特性的测定方法，属于农业资源环境技术领域。

背景技术

近年，废水中磷的过量排放已经成为世界性的资源环境问题，既是水体富营养化的关键影响因子，又是环境过程磷资源流失的重要途径。因此，随着经济社会的发展，开展废水磷素资源的回收再利用，对于可持续发展和生态文明建设，具有重要的研究价值。

目前，回收废水中磷的方法主要有生物摄磷法、电解法、结晶法等。生物摄磷法可利用聚磷菌过量摄取磷贮存于细胞体内，回收高磷污泥，但存在碳源不足和菌群纯培养等难题。电解法存在处理水量小、需频繁更换电极，成本过高等技术难点。结晶法则是通过投加结晶剂，产生磷素晶体沉淀而被回收，具有快速高效的特点。

废水磷结晶法被国内外学者公认为是一种可持续发展新技术，磷回收产品鸟粪石，是重要的磷肥原料，可用于农业生产，缓解全球范围的磷素资源紧张矛盾。但是，由于废水中存在大量的可溶性有机杂质和无机杂质，易与废水中的磷素共结晶沉淀，影响磷回收产品的养分释放特性，导致磷回收产品存在农用不确定性，成为目前该技术推广应用的主要技术瓶颈之一。因此，加强对废水磷回收产品养分释放特性的分析测定，对于优化废水磷结晶过程参数，提高磷回收产品农用价值，推广磷结晶技术在废水磷资源回收领域的应用，具有重要意义。

检测农用磷肥养分释放特性的方法主要是化学分析法和光谱分析法。化学分析法存在预处理程序复杂，灵敏度不高的缺点。光谱分析法存在仪器操作复杂，检测时间较长的问题。近年，激光诱导击穿光谱技术以其可对元素定性定量快捷灵敏检测的优点，逐渐获得国内外学者的关注。该技术与传统的化学分析法和光谱分析法相比，具有不需要或只需要简单的样品预处理、仪器操作简便、检测速度快、全元素分析等优点，在液体动态组分检测方面具有突出优势。

因此，开发一种废水磷回收产品的养分释放特性的测定方法，利用激光诱导击穿光谱技术，实现废水磷回收产品的养分动态释放规律的快速检测，成为研究与实践的重点内容，目前未见文献报道和专利公开。

发明内容

本发明针对传统化学分析法和光谱分析法检测产品养分释放特性存在操作程序复杂、灵敏度低、检测时间长等问题，本发明提供了一种废水磷回收产品的养分释放特性的测定方法，利用激光诱导击穿光谱技术，实现了废水磷回收产品的养分动态释放规律的快速检测，克服化学分析法预处理程序复杂、灵敏度不高，以及光谱分析法操作复杂、需要较长时间等缺点。

本发明所提供的一种废水磷回收产品的养分释放特性的测定方法，包括如下步骤：

（1）组装激光诱导击穿光谱检测装置，所述激光诱导击穿光谱检测装置包括激光光源发射系统、激光传输系统、光谱接收系统、信号控制系统和样品检测管；

（2）将废水磷回收产品鸟粪石和浸提液混合；

（3）将步骤（2）混合后的所述浸提液加入至所述样品检测管中；利用所述激光诱导击穿光谱检测装置对所述浸提液进行养分动态测定，即实现对所述废水磷回收产品的养分释放特性的测定。

本发明的方法中“养分动态测定”指的是废水磷回收产品中各元素的含量；“养分释放特性”指的是各元素含量的动态释放曲线。

上述的测定方法中，步骤（1）中，所述激光光源发射系统采用Nd：YAG激光器；

所述Nd：YAG激光器的操作参数为：激光功率密度为10～200mJ，具体可为10～150mJ、50～100mJ、100～150mJ、10mJ、50mJ、100mJ、150mJ或200mJ，脉冲宽度为3～20ns，具体可为3～15ns、10～15ns、3ns、10ns、15ns或20ns，重复频率为1～20Hz，具体可为1～15Hz、5～10Hz、10～15Hz、1Hz、5Hz、10Hz、15Hz或20Hz，波长为1064nm、532nm或355nm，延时时间为500～3000ns，具体可为500～2000ns、1000～2000ns、500ns、1000ns、2000ns或3000ns。

上述的测定方法中，步骤（1）中，所述激光传输系统包括反射镜、穿透镜和透光镜Ⅰ；

所述反射镜与激光光源之间呈30～60°，具体可为30～45°、45～60°、30°、45°或60°，所述反射镜与激光光源之间的距离为5～15cm，具体可为5～10cm、10～15cm、5cm、10cm或15cm；

所述穿透镜与所述反射镜之间的距离为5～15cm且为平行设置，具体可为5～10cm、10～15cm、5cm、10cm或15cm；

所述透光镜Ⅰ与所述穿透镜之间呈30～60°，具体可为30～45°、45～60°、30°、45°或60°，所述透光镜Ⅰ与所述穿透镜之间的距离为5～15cm，具体可为5～10cm、10～15cm、5cm、10cm或15cm，所述透光镜Ⅰ的焦距为5～15cm，具体可为5～10cm、10～15cm、5cm、10cm或15cm。

上述的测定方法中，步骤（1）中，所述光谱接收系统包括透光镜Ⅱ、光纤探头和光谱仪；

所述透光镜Ⅱ与所述光纤探头之间的距离为5～15cm且为平行设置，具体可为5～10cm、10～15cm、5cm、10cm或15cm，所述透光镜Ⅱ的焦距为5～15cm，具体可为5～10cm、10～15cm、5cm、10cm或15cm；

所述光谱仪的操作参数为：可测光谱范围为200～1100nm，具体可为200～317nm、929～1100nm、315～417nm、497～565nm、563～637nm或748～931nm，分辨率为0.05～0.2nm，具体可为0.05～0.1nm、0.05nm、0.1nm或0.2nm，积分时间为2～200ms，具体可为2～100ms、10～50ms、50～150ms、2ms、10ms、50ms、100ms、150ms或200ms。

上述的测定方法中，步骤（1）中，所述信号控制系统采用脉冲信号控制器，其频率调节范围为1～10Hz，具体可为1～5Hz、5～10Hz、1Hz、5Hz或1～10Hz。

上述的测定方法中，步骤（1）中，所述样品检测管的内径为5～20cm，具体可为5～15cm、5～10cm、10～15cm、10～20cm、5cm、10cm、15cm或20cm。

上述的测定方法中，步骤（2）中，所述废水磷回收产品鸟粪石的质量含水率为5～30%，具体可为5～20%、5～15%、15～30%、20～30%、5%、15%、20%或30%；

所述浸提液由去离子水和/或柠檬酸配制得到，所述浸提液的pH值可为4～7，具体可为4～6、5～7、4、5、6或7，所述浸提液的温度可为5～35℃，具体可为5～25℃、5～20℃、15～35℃、15～25℃、20～35℃、5℃、15℃、20℃、25℃或35℃；

所述废水磷回收产品鸟粪石在所述浸提液中进行解离。

上述的测定方法中，步骤（2）中，所述废水磷回收产品鸟粪石与所述浸提液的质量比可为1：10～100，具体可为1：10～50、1：50～100、1：10、1：50或1：100；

所述混合在搅拌的条件下进行，所述搅拌的速度可为30～120r/min，具体可为30～60r/min、30～90r/min、60～120r/min、90～120r/min、30r/min、60r/min、90r/min或120r/min。

上述的测定方法中，步骤（3）中，所述浸提液加入至所述样品检测管中的流速可为1～10mL/min，具体可为1～5mL/min、5～10mL/min、1mL/min、5mL/min或10mL/min。

上述的测定方法中，步骤（3）中，所述养分动态测定的指标包括镁元素的含量、氮元素的含量和磷元素的含量；

所述镁元素、氮元素和磷元素的含量是信号控制系统采集的信号数据通过预制标准曲线计算得到的。

本发明还进一步提供了激光诱导击穿光谱检测装置在测定废水磷回收产品的养分释放特性中的应用。

本发明提供的废水磷回收产品养分释放特性的测定方法，可实现废水磷回收产品的养分动态释放规律的快速检测，同步动态测定磷回收产品中养分镁元素、氮元素和磷元素的含量，为优化磷结晶过程参数，提高磷回收产品农用价值，提供快速检测反馈。

附图说明

图1为实施例1的养分释放测定结果。

图2为实施例2的养分释放测定结果。

图3为实施例3的养分释放测定结果。

图4为实施例4的养分释放测定结果。

图5为实施例5的养分释放测定结果。

图6为实施例6的养分释放测定结果。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、废水磷回收产品中养分释放特性的测定

组装激光诱导击穿光谱检测装置，包括：激光光源发射系统，采用Nd:YAG激光器，其主要操作参数为：激光功率密度为200mJ，脉冲宽度为10ns，重复频率为10Hz，波长为1064nm，延时时间为1000ns；激光传输系统，包括反射镜、穿透镜和透光镜Ⅰ，其中反射镜与激光光源呈锐角45度且距离为5cm，穿透镜与反射镜平行设置且距离为10cm，焦距为10cm的透光镜Ⅰ与穿透镜呈锐角45度且距离为10cm；光谱接收系统，包括透光镜Ⅱ、光纤探头和光谱仪，焦距为15cm的透光镜Ⅱ与光纤探头平行且距离为15cm，光谱仪的主要操作参数为：可测光谱范围为200～317nm，分辨率为0.05nm，积分时间为200ms；信号控制系统采用信号频率1Hz的脉冲信号控制器；样品检测管的内径为20cm。

将质量含水率5%的废水磷回收产品鸟粪石与去离子水配制pH值为7的浸提液按肥水质量比1：10加入养分解离槽混合，搅拌速度为30r/min，浸提液温度为35℃。将养分解离槽混合后的浸提液以流速10mL/min加入样品检测管中，激光诱导击穿光谱检测装置对浸提液样品进行养分动态测定，养分测定指标包括镁元素、氮元素和磷元素的含量，检测后的浸提液循环回流至养分解离槽。

养分释放测定结果如图1所示。

实施例2、废水磷回收产品中养分释放特性的测定

组装激光诱导击穿光谱检测装置，包括：激光光源发射系统，采用Nd:YAG激光器，其主要操作参数为：激光功率密度为100mJ，脉冲宽度为20ns，重复频率为1Hz，波长为355nm，延时时间为500ns；激光传输系统，包括反射镜、穿透镜和透光镜Ⅰ，其中反射镜与激光光源呈锐角60度且距离为15cm，穿透镜与反射镜平行且距离为5cm，焦距为15cm的透光镜Ⅰ与穿透镜呈锐角30度且距离为15cm；光谱接收系统，包括透光镜Ⅱ、光纤探头和光谱仪，焦距为10cm的透光镜Ⅱ与光纤探头平行且距离为10cm，光谱仪的主要操作参数为：可测光谱范围为929～1100nm，分辨率为0.2nm，积分时间100ms；信号控制系统采用信号频率5Hz的脉冲信号控制器；样品检测管的内径为5cm。

将质量含水率为30%的废水磷回收产品鸟粪石与去离子水和柠檬酸配制pH值为4的浸提液按肥水质量比1：100加入养分解离槽混合，搅拌速度为120r/min，浸提液温度为25℃。将养分解离槽混合后的浸提液以流速5mL/min加入样品检测管中，激光诱导击穿光谱检测装置对浸提液样品进行养分动态测定，养分测定指标包括镁元素、氮元素和磷元素的含量，检测后的浸提液循环回流至养分解离槽。

养分释放测定结果如图2所示。

实施例3、废水磷回收产品中养分释放特性的测定

组装激光诱导击穿光谱检测装置，包括：激光光源发射系统，采用Nd:YAG激光器，其主要操作参数为激光功率密度为10mJ，脉冲宽度为3ns，重复频率为5Hz，波长为532nm，延时时间为3000ns；激光传输系统，包括反射镜、穿透镜和透光镜Ⅰ，其中反射镜与激光光源呈锐角30度且距离为10cm，穿透镜与反射镜平行且距离为15cm，焦距为5cm的透光镜Ⅰ与穿透镜呈锐角60度且距离为5cm；光谱接收系统，包括透光镜Ⅱ、光纤探头和光谱仪，焦距为5cm的透光镜Ⅱ与光纤探头平行且距离为5cm，光谱仪的主要操作参数为：可测光谱范围为315～417nm，分辨率为0.1nm，积分时间为150ms；信号控制系统采用信号频率10Hz的脉冲信号控制器；样品检测管的内径为10cm。

将质量含水率为20%的废水磷回收产品鸟粪石与去离子水和柠檬酸配制pH值为5的浸提液按肥水质量比1：50加入养分解离槽混合，搅拌速度为60r/min，浸提液温度为15℃。将养分解离槽混合后的浸提液以流速1mL/min加入样品检测管中，激光诱导击穿光谱检测装置对浸提液样品进行养分动态测定，养分测定指标包括镁元素、氮元素和磷元素的含量，检测后的浸提液循环回流至养分解离槽。

养分释放测定结果如图3所示。

实施例4、废水磷回收产品中养分释放特性的测定

组装激光诱导击穿光谱检测装置，包括：激光光源发射系统，采用Nd:YAG激光器，其主要操作参数为：激光功率密度为200mJ，脉冲宽度为10ns，重复频率为15Hz，波长为532nm，延时时间为500ns；激光传输系统，包括反射镜、穿透镜和透光镜Ⅰ，其中反射镜与激光光源呈锐角30度且距离为10cm，穿透镜与反射镜平行且距离为15cm，焦距为5cm的透光镜Ⅰ与穿透镜呈锐角60度且距离为5cm；光谱接收系统，包括透光镜Ⅱ、光纤探头和光谱仪，焦距为15cm的透光镜Ⅱ与光纤探头平行且距离为15cm，光谱仪的主要操作参数为：可测光谱范围为497～565nm，分辨率为0.1nm，积分时间为50ms；信号控制系统采用信号频率10Hz的脉冲信号控制器；样品检测管的内径为20cm。

将质量含水率为5%的废水磷回收产品鸟粪石与去离子水和柠檬酸配制pH值为6的浸提液按肥水质量比1：100加入养分解离槽混合，搅拌速度为90r/min，浸提液温度为5℃。将养分解离槽混合后的浸提液以流速1mL/min加入样品检测管中，激光诱导击穿光谱检测装置对浸提液样品进行养分动态测定，养分测定指标包括镁元素、氮元素和磷元素的含量，检测后的浸提液循环回流至养分解离槽。

养分释放测定结果如图4所示。

实施例5、废水磷回收产品中养分释放特性的测定

组装激光诱导击穿光谱检测装置，包括：激光光源发射系统，采用Nd:YAG激光器，其主要操作参数为：激光功率密度为150mJ，脉冲宽度为3ns，重复频率为20Hz，波长为1064nm，延时时间为1000ns；激光传输系统，包括反射镜、穿透镜和透光镜Ⅰ，其中反射镜与激光光源呈锐角45度且距离为5cm，穿透镜与反射镜平行且距离为10cm，焦距为10cm的透光镜Ⅰ与穿透镜呈锐角45度且距离为10cm；光谱接收系统，包括透光镜Ⅱ、光纤探头和光谱仪，焦距为10cm的透光镜Ⅱ与光纤探头平行且距离为10cm，光谱仪的主要操作参数为：可测光谱范围为563～673nm，分辨率为0.05nm，积分时间为10ms；信号控制系统采用信号频率5Hz的脉冲信号控制器；样品检测管的内径为5cm。

将质量含水率15%的废水磷回收产品鸟粪石与去离子水配制pH值为7的浸提液按肥水质量比1：50加入养分解离槽混合，搅拌速度为120r/min，浸提液温度为35℃。将养分解离槽混合后的浸提液以流速5mL/min加入样品检测管中，激光诱导击穿光谱检测装置对浸提液样品进行养分动态测定，养分测定指标包括镁元素、氮元素和磷元素的含量，检测后的浸提液循环回流至养分解离槽。

养分释放测定结果如图5所示。

实施例6、废水磷回收产品中养分释放特性的测定

组装激光诱导击穿光谱检测装置，包括：激光光源发射系统，采用Nd:YAG激光器，其主要操作参数为：激光功率密度为50mJ，脉冲宽度为15ns，重复频率为10Hz，波长为355nm，延时时间为2000ns；激光传输系统，包括反射镜、穿透镜和透光镜Ⅰ，其中反射镜与激光光源呈锐角60度且距离为15cm，穿透镜与反射镜平行且距离为5cm，焦距为15cm的透光镜Ⅰ与穿透镜呈锐角30度且距离为15cm；光谱接收系统，包括透光镜Ⅱ、光纤探头和光谱仪，焦距为5cm的透光镜Ⅱ与光纤探头平行且距离为5cm，光谱仪的主要操作参数为：可测光谱范围为748～931nm，分辨率为0.2nm，积分时间为2ms；信号控制系统采用信号频率1Hz的脉冲信号控制器；样品检测管的内径为15cm。

将质量含水率为30%的废水磷回收产品鸟粪石与去离子水和柠檬酸配制pH值为4的浸提液按肥水质量比1：10加入养分解离槽混合，搅拌速度为30r/min，浸提液温度为20℃。将养分解离槽混合后的浸提液以流速10mL/min加入样品检测管中，激光诱导击穿光谱检测装置对浸提液样品进行养分动态测定，养分测定指标包括镁元素、氮元素和磷元素的含量，检测后的浸提液循环回流至养分解离槽。

养分释放测定结果如图6所示。

Claims (10)

1.一种废水磷回收产品的养分释放特性的测定方法，包括如下步骤：

（1）组装激光诱导击穿光谱检测装置，所述激光诱导击穿光谱检测装置包括激光光源发射系统、激光传输系统、光谱接收系统、信号控制系统和样品检测管；

（2）将废水磷回收产品鸟粪石与浸提液混合；

（3）将步骤（2）混合后的所述浸提液加入至所述样品检测管中；利用所述激光诱导击穿光谱检测装置对所述浸提液进行养分动态测定，即实现对所述废水磷回收产品的养分释放特性的测定。

2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：步骤（1）中，所述激光光源发射系统采用Nd：YAG激光器；

所述Nd：YAG激光器的操作参数为：激光功率密度为10～200mJ，脉冲宽度为3～20ns，重复频率为1～20Hz，波长为1064nm、532nm或355nm，延时时间为500～3000ns。

3.根据权利要求1或2所述的测定方法，其特征在于：步骤（1）中，所述激光传输系统包括反射镜、穿透镜和透光镜Ⅰ；

所述反射镜与激光光源之间呈30～60°，所述反射镜与激光光源之间的距离为5～15cm；

所述穿透镜与所述反射镜之间的距离为5～15cm且为平行设置；

所述透光镜Ⅰ与所述穿透镜之间呈30～60°，所述透光镜Ⅰ与所述穿透镜之间的距离为5～15cm，所述透光镜Ⅰ的焦距为5～15cm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤（1）中，所述光谱接收系统包括透光镜Ⅱ、光纤探头和光谱仪；

所述透光镜Ⅱ与所述光纤探头之间的距离为5～15cm且为平行设置，所述透光镜Ⅱ的焦距为5～15cm；

所述光谱仪的操作参数为：可测光谱范围为200～1100nm，分辨率为0.05～0.2nm，积分时间为2～200ms。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤（1）中，所述信号控制系统采用脉冲信号控制器，其频率调节范围为1～10Hz。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤（1）中，所述样品检测管的内径为5～20cm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤（2）中，所述废水磷回收产品鸟粪石的质量含水率为5～30%；

所述浸提液由去离子水和/或柠檬酸配制得到，所述浸提液的pH值为4～7，所述浸提液的温度为5～35℃。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤（2）中，所述废水磷回收产品鸟粪石与所述浸提液的质量比为1：10～100；

所述混合在搅拌的条件下进行，所述搅拌的速度为30～120r/min。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的测定方法，其特征在于：步骤（3）中，所述浸提液加入至所述样品检测管中的流速为1～10mL/min；

步骤（3）中，所述养分动态测定的指标包括镁元素的含量、氮元素的含量和磷元素的含量。

10.激光诱导击穿光谱检测装置在测定废水磷回收产品的养分释放特性中的应用。

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