玉米秸稈生物炭對(duì)甘肅農(nóng)村窖水水質(zhì)污染處理效果研究＊

馬嬋媛，姜 霞

（甘肅農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000）

在西北地區(qū)實(shí)施了“121”雨水集流工程后，甘肅農(nóng)村地區(qū)建成集雨水窖近80 萬眼，飲用窖水人口達(dá)220 萬人[1]，基本解決了農(nóng)村人畜吃水緊缺的問題，使得窖水成為農(nóng)村地區(qū)的重要水資源。然而，由于廣大農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施差，資金投入少，管理水平較低，水源水質(zhì)保護(hù)技術(shù)落后，加之農(nóng)民群眾水源保護(hù)意識(shí)淡薄，為此相關(guān)的水質(zhì)問題也隨之而來[2]。

大量研究表明，生物炭具有發(fā)達(dá)的孔洞結(jié)構(gòu)、表面電荷和表面官能團(tuán)（如羧基、羥基、酚羥基、羰基等）等特征，施入水體后通過物理吸附、離子交換、表面配位及表面沉淀反應(yīng)等機(jī)制去除污水中的常規(guī)污染物[3，4]。但利用秸稈生物炭對(duì)農(nóng)村窖水水質(zhì)污染處理效果的研究鮮有報(bào)道。前期調(diào)查甘肅省榆中縣啟營(yíng)村、石頭溝水窖和會(huì)寧縣會(huì)師鎮(zhèn)南關(guān)回民區(qū)、東關(guān)漢民區(qū)共60 眼水窖發(fā)現(xiàn)[5]，這兩個(gè)地區(qū)的水窖水質(zhì)中CODMn、濁度超出了飲用水相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此，本研究以這兩種污染物為主，利用玉米秸稈生物炭吸附過濾技術(shù)，對(duì)窖水水質(zhì)進(jìn)行凈化，以期為凈化農(nóng)村水窖水質(zhì)污染提供新的方法和途徑。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，該裝置由兩組同尺寸的模型吸附過濾柱組成。反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制作而成，柱高1100mm，內(nèi)徑為90mm。1 號(hào)柱為普通石英砂濾池作為對(duì)照組，底部裝填高度為100mm 的鵝卵石作為承托層，中間裝填高度為800mm 的石英細(xì)砂，上部裝填高度為100mm 粒徑大小不同的混合沙石作為保護(hù)層。2 號(hào)柱作為實(shí)驗(yàn)組，吸附過濾反應(yīng)器中間裝有高度比為1:1 的玉米秸稈生物炭和石英細(xì)砂的混合物，其中玉米秸稈生物炭粒徑在（0.6～0.8mm）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，以“CODMn、濁度”為主要污染研究指標(biāo)，其主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 原窖水水質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方法

玉米秸稈生物炭濾同時(shí)通過自然掛膜啟動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)采取自上向下的連續(xù)流恒速過濾方式，系統(tǒng)掛膜期間，進(jìn)水流量均保持在10mL/min，水溫為15～23℃。當(dāng)各項(xiàng)污染物的去除率趨于穩(wěn)定狀態(tài)，表明反應(yīng)器內(nèi)濾料表面已形成了比較穩(wěn)定的生物膜。定期取樣測(cè)量?jī)山M反應(yīng)器進(jìn)、出水CODMn 和濁度濃度，比較玉米秸稈生物炭對(duì)污染物的去除效果。

水樣采用清潔棕色玻璃瓶收集后立即進(jìn)行水質(zhì)檢驗(yàn)。各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均按《水和廢水標(biāo)準(zhǔn)分析方法》檢測(cè)[6]。其中，濁度采用WTW 公司Turb550 濁度儀測(cè)定；高錳酸鉀耗氧量（CODMn）按酸性高錳酸鉀氧化法測(cè)定。此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin8.0 軟件進(jìn)行繪圖，采用SPSS21.0 軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米秸稈生物炭吸附濾池對(duì)濁度的去除效果

在濾池不間斷運(yùn)行的半年間，定期取窖水、玉米秸稈生物炭濾-砂慢濾以及石英砂慢濾出水測(cè)定其濁度，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 窖水濁度去除效果圖

從圖2 可以看出，玉米秸稈生物炭吸附濾池以及石英砂濾池對(duì)濁度的去除效果能夠保持穩(wěn)定，玉米秸稈生物炭-砂慢濾池出水平均濁度為0.64NTU，平均去除率為92.12%，石英砂慢濾池出水平均濁度為2.47NTU，平均去除率為70.86%，所以玉米秸稈生物炭-砂慢濾池對(duì)對(duì)濁度的去除效果優(yōu)于石英砂慢濾池。除了吸附作用外，一般認(rèn)為在石英砂慢濾池中濁度的去除是由傳統(tǒng)吸附截留作用和生物吸附作用共同完成的[7，8]。未被生物膜覆蓋的濾料表面對(duì)懸浮顆粒的傳統(tǒng)吸附截留作用,濾料上附著的微生物膜借助于較大的比表面積和微生物分泌的粘性物質(zhì)對(duì)懸浮顆粒具有生物吸附作用。玉米秸稈生物炭-砂慢濾池在濾料成熟后即表層具有粘性的生物濾膜形成后,吸附截留作用得到很好地發(fā)揮，并且由于這種生物粘性濾膜的存在，使濾料的間隙變小，幾乎可以截留水中存在95%以上的懸浮雜質(zhì)。

2.2 玉米秸稈生物炭吸附濾池對(duì)CODMn 的去除效果

玉米秸稈生物炭-砂慢濾以及普通石英砂慢濾對(duì)水中CODMn 的去除效果如圖3 所示。

圖3 窖水耗氧量去除效果圖

在實(shí)驗(yàn)室不間斷運(yùn)行半年間，定期取窖水、石英砂慢濾池出水及玉米秸稈生物炭-砂慢濾池出水測(cè)定其CODMn，結(jié)果如圖3 所示。

在濾池運(yùn)行半年間，玉米秸稈生物炭濾池對(duì)待窖水CODMn 的去除效果要明顯優(yōu)于砂濾池，玉米秸稈濾池對(duì)CODMn 的平均去除率為53.48%，而石英砂慢濾池對(duì)CODMn 的平均去除率僅有11.79%。總體來看，倆濾池去除效果皆極不穩(wěn)定，出水CODMn 有時(shí)還會(huì)有所升高，一方面這可能由于進(jìn)水水質(zhì)不穩(wěn)定導(dǎo)致異養(yǎng)菌死亡破裂釋放出細(xì)胞物質(zhì)，從而增加了出水的CODMn 濃度。另一方面可能由于玉米秸稈生物炭-砂慢濾池出水可能會(huì)帶出炭表面吸附的一些有機(jī)物，造成出水CODMn 值波動(dòng)。運(yùn)行后期發(fā)現(xiàn)石英砂慢濾池的去除率稍有下降，可能是因?yàn)樗ω?fù)荷小，窖水在濾柱內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng),而使水中一些物質(zhì)在厭氧作用下，發(fā)生性質(zhì)上的一些變化，造成出水中的CODMn 值有波動(dòng)。

2.3 玉米秸稈生物炭的吸附過濾特性

比較石英砂慢濾池和玉米秸稈生物炭-砂慢濾池，普通石英砂中填充1：1 玉米秸稈生物炭后，使其呈現(xiàn)出更加復(fù)雜多孔的結(jié)構(gòu)，其表面積比普通石英砂明顯增大，表面粗糙度更大，帶有更多的孔隙，水中的微細(xì)顆粒更容易被吸附，提高了玉米秸稈生物炭-砂慢濾池的吸附容量和截留能力[9]。

3 結(jié)論

綜上所述，玉米秸稈生物炭-砂慢濾池對(duì)各項(xiàng)污染物去除率均高于普通石英砂慢濾池，可見添加玉米秸稈生物炭的濾池對(duì)污染物去除效果要優(yōu)于普通的石英砂濾池。

1）當(dāng)原水濁度在4.5～18.10NTU 內(nèi)波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，出水濁度穩(wěn)定，低于1.0NTU，去除率高達(dá)92.12%；而普通石英砂慢濾池對(duì)濁度的去除率只有70.86%，且出水濁度波動(dòng)較大。

2）當(dāng)原水CODMn 在3.97～7.1mg/L 變化時(shí)，系統(tǒng)具有抗沖擊負(fù)荷能力，玉米秸稈生物炭-砂慢濾池對(duì)CODMn 平均去除率為53.48%左右；而普通的石英砂慢濾池對(duì)CODMn 的平均去除率僅為11.79%左右，且去除率隨著原水水質(zhì)的變化波動(dòng)較大。