生物炭對(duì)廢水中氮磷的吸附效果研究

李敭

摘要：指出了我國(guó)地下水、地袁水富營(yíng)養(yǎng)化情況嚴(yán)重，而造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因是氮磷污染，其常用的去除方法是吸附法。而我國(guó)化肥利用率低下，在施用過(guò)程中也多存在不合理的現(xiàn)象，氮肥磷肥的流失率很高，極容易造成地下水、地表水氮磷污染的環(huán)境問(wèn)題。且我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的產(chǎn)量較大，并且仍存在露天焚燒的情況，不僅污染大氣環(huán)境，加劇溫室效應(yīng)，也是資源的浪費(fèi)。以小麥秸稈、玉米秸稈為原料在一定條件下制備成生物炭為基礎(chǔ)，探討了不同類型生物炭對(duì)水體中氮磷的吸附性能.并分析了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：生物炭;氨氮;總磷;吸附

中圖分類號(hào)：X83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）16-0142-02

1研究背景和意義

1.1生物炭特性

生物炭（biochar）種類很多，常見(jiàn)的有秸稈炭、木質(zhì)炭、草炭等，一般是指在完全缺氧或限氧的條件下，秸稈、木材、動(dòng)物糞便等生物質(zhì)材料，經(jīng)高溫?zé)峤猓ㄍǔ囟瓤刂圃?00℃以下）產(chǎn)生的一種含碳素的固態(tài)物質(zhì)。

生物炭是一種具有高度芳香化結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，外層是因含有不同的羧基和酚基官能團(tuán)，而形成的富氧結(jié)構(gòu)，其生物化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均較高雎]。生物炭的比表面積和孔隙度較大，孔隙大小不一，納米到微米不等，羧基、酚羥基、羰基、內(nèi)酯、吡喃酮、酸酐等是生物炭的主要基團(tuán)，這些孔隙結(jié)構(gòu)和基團(tuán)的存在，使得生物炭具有良好的吸附能力，能吸附水、土壤或沉積物中的無(wú)機(jī)離子（Cu²⁺，pb²⁺、Hg²⁺等）以及極性或非極性有機(jī)化合物，因此生物炭具有對(duì)污染物強(qiáng)烈的吸附作用，不僅能吸附土壤和水體中的重金屬，也可以吸附土壤和水體中的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物?；瘜W(xué)性質(zhì)上生物炭芳香化和羧酸酯化程度較高，除了含有多環(huán)芳烴、脂肪族化合物等有機(jī)碳外，還有鈣、鎂等礦物質(zhì)、無(wú)機(jī)碳酸鹽等，因此生物炭具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性及抗生物分解能力。生物炭難溶于水，同時(shí)又有較強(qiáng)的吸附能力，生物穩(wěn)定性強(qiáng)，抗氧化等特性，使得其在土壤改良、減少溫室氣體排放以及環(huán)境污染修復(fù)等方面具有潛在功效。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境等領(lǐng)域均有較為廣泛的應(yīng)用。

1.2氮磷污染現(xiàn)狀

我國(guó)化肥生產(chǎn)量和消費(fèi)量常年居世界前列，其施用方法、施用量、施用時(shí)間也多存在不合理的現(xiàn)象，使得肥料的利用率低下，如氮肥的利用率為30%左右，磷肥僅為10%～20%，而全國(guó)范圍內(nèi)的氮肥損失率已達(dá)到60%，而這些大量的未被利用的養(yǎng)分通過(guò)淋溶或地表徑流等方式進(jìn)入水體，造成地下水系和地表水系的水體污染。

有研究認(rèn)為，我國(guó)將近1/2比例的地下水、地表水有富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題，在污染較為嚴(yán)重的地區(qū)，農(nóng)業(yè)面源污染流失出來(lái)的大量的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是造成富營(yíng)養(yǎng)化等嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題的主要因素。而隨著目前日益增加的高氮磷化肥的用量，這種環(huán)境問(wèn)題勢(shì)必會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重。眾所周知，水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要危害體現(xiàn)在水中的藻類瘋長(zhǎng)，水中DO迅速消耗，這就造成水環(huán)境的大面積缺氧，隨之產(chǎn)生的就是水生動(dòng)物的大面積死亡，水體功能喪失。

水體中磷的存在形態(tài)有溶解態(tài)、顆粒態(tài)、膠體態(tài)磷3種，含磷化合物有正磷酸鹽、聚合磷酸鹽、有機(jī)磷，一部分為水體自然含有的成分（正磷酸鹽、聚合磷酸鹽），大部分則來(lái)源于生活污水和農(nóng)業(yè)、工業(yè)廢水的排放。目前對(duì)于水體中磷酸鹽的去除方法主要包括生物法、離子交換法、化學(xué)凝聚法、結(jié)晶法、吸附法等。吸附法是根據(jù)多孔吸附材料的多孔性能和巨大的比表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水中磷酸根的吸附，達(dá)到去除磷素的效果。常用的吸附劑有活性炭、黏土類礦物等。同時(shí)吸附法除磷由于工藝簡(jiǎn)單、材料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到重視。

能作為水中氮素、磷素吸附劑需要滿足吸附容量大、速度快、對(duì)吸附溶液選擇性強(qiáng)、不會(huì)溶出有毒有害物質(zhì)、吸附劑原料廉價(jià)且可再生的條件。而生物炭的特性在此項(xiàng)研究中具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

1.3研究目的及意義

農(nóng)業(yè)廢棄物的浪費(fèi)是我國(guó)很嚴(yán)重的問(wèn)題，我國(guó)每年產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)秸稈，而這些秸稈大多都被露天焚燒，這不僅浪費(fèi)了生物質(zhì)資源的行為，也破壞土壤結(jié)構(gòu)，并且導(dǎo)致了環(huán)境的污染。若將這些秸稈制備成生物炭，不僅有利于推進(jìn)二氧化碳的減排從而緩解溫室效應(yīng)，也是一種很好的資源再利用的方式。因此利用秸稈制備生物炭在水體氮磷污染治理的問(wèn)題上具有非常重要的研究意義。

2材料與方法

2.1 供試材料

2.1.1生物炭的制備

本試驗(yàn)中生物炭的制備采用限氧升溫炭化法，具體操作為：分別將經(jīng)前處理干燥的秸稈生物質(zhì)分別放入洗凈干燥的反應(yīng)容器中，密封壓實(shí)后置于馬弗爐中，設(shè)置馬弗爐升溫程序進(jìn)行熱解反應(yīng)，待反應(yīng)完成自然冷卻至室溫后取出。制得的生物炭粉碎，過(guò)120目篩子，放入磨口瓶，置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

本試驗(yàn)主要采用小麥和玉米兩種秸稈制備生物炭，用馬弗爐在以10℃/min升溫至500℃并保持，2h條件下燒制而成，秸稈生物炭經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，過(guò)100目篩，至于70℃烘箱中充分干燥，冷卻后放在干燥器中備用。分別標(biāo)記為小麥生物炭（MC）和玉米生物炭（YC）。

2.1.2水樣

本試驗(yàn)采用對(duì)實(shí)驗(yàn)室土柱進(jìn)行模擬降水的淋溶處理過(guò)程中，收集的淋溶液作為試驗(yàn)用原水樣。

2.2試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室土柱土壤淋溶液作為原污水，取土柱淋溶液淋溶液兩份各100mL于離心管中，檢測(cè)其氨氮濃度為5.59mg/L，總磷濃度為0.353mg/L，分別加入1g小麥生物炭和1g玉米生物炭，標(biāo)記為1#和2#。25℃條件下，150r/min恒溫振蕩2h，取出后經(jīng)0.22um孔徑濾膜過(guò)濾。對(duì)濾液進(jìn)行氨氮、總磷濃度檢測(cè)，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1。

2.3結(jié)果與討論

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在添加1g小麥和玉米秸稈生物炭的情況下，對(duì)水中氨氮的去除效果均比較明顯，其中玉米秸稈生物炭的去除率略高于小麥秸稈生物炭（16%），達(dá)到了31%。而對(duì)水中總磷的去除率均不理想，小麥秸稈生物炭基本沒(méi)有去除效果，而玉米秸稈生物炭對(duì)水中總磷有較低的去除率，僅為13%。

分析整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，認(rèn)為出現(xiàn)這種結(jié)果的原因主要在以下幾個(gè)方面。

（1）本試驗(yàn)兩種生物炭對(duì)于磷素的吸附效果并不理想，這主要是由于秸稈生物炭對(duì)于磷素的吸附主要是物理吸附，吸附效果不穩(wěn)定，極容易解吸，使磷素重新回到水中。因此認(rèn)為本試驗(yàn)所采用的兩種秸稈生物炭并不是處理水中磷污染的最佳吸附材料。

（2）本試驗(yàn)兩種生物炭對(duì)于氨氮的吸附效果較為明顯，但處理率仍不算高，達(dá)不到污水處理的標(biāo)準(zhǔn)。并且由于本試驗(yàn)中所用的生物炭種類大多含有較多的陽(yáng)離子，對(duì)NH4⁺的吸附仍有一定的限制。

（3）本試驗(yàn)只采用了一種生物炭添加劑量，未分析生物炭低或高添加量對(duì)于水中氮磷吸附能力的變化，可能試驗(yàn)中所采用的添加劑量并非最佳處理劑量。

3結(jié)論

（1）小麥秸稈生物炭對(duì)水中氨氮有一定的去除效果，但處理率不高。玉米秸稈生物炭對(duì)水中氨氮的去除率略高。說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，玉米秸稈生物炭更適合污水的氨氮處理，但處理率仍需提高。

（2）本試驗(yàn)中，小麥秸稈生物炭對(duì)水中磷素污染幾乎沒(méi)有去除效果。玉米秸稈生物炭對(duì)水中磷素污染有較低的去除率，遠(yuǎn)不能達(dá)到污水處理標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明小麥秸稈生物炭和玉米秸稈生物炭的理化性質(zhì)不利于水中磷素的吸附，這可能是由于本試驗(yàn)采用的兩種秸稈生物炭對(duì)磷素的吸附原理主要是物理吸附。

（3）綜合來(lái)看，本試驗(yàn)中對(duì)水中氮磷污染的控制效果較好的生物炭類型為玉米秸稈生物炭，但是否能達(dá)到污水處理標(biāo)準(zhǔn)，仍需進(jìn)一步研究。

4展望

（1）在現(xiàn)有生物炭對(duì)水中氨氮污染吸附能力未能達(dá)到較高水平，以及對(duì)于水中磷素污染的吸附效果甚微的情況下，后續(xù)試驗(yàn)可考慮對(duì)生物炭進(jìn)行改性處理，提高其吸附效果，使其能真正應(yīng)用于水氮磷污染的治理中。

（2）本試驗(yàn)對(duì)生物炭的添加劑量只考慮了一種情況，后續(xù)試驗(yàn)也可嘗試增加不同生物炭添加量的處理，找到生物炭處理水中氮磷污染的最佳添加量，以提高處理效果。