不同溫度下納米生物炭對農(nóng)村分散式養(yǎng)殖廢水凈化效果研究

才 碩，張 麗，時 紅,3*，文陽平，黃純輪，姜成名，陳 昱

(1.江西省灌溉試驗中心站 江西省高效節(jié)水與面源污染防治重點實驗室，江西 南昌 330201；2.江西農(nóng)業(yè)大學，江西 南昌 330045；3.東華理工大學，江西 南昌 330013)

分散型養(yǎng)殖是我國畜禽養(yǎng)殖的重要組成部分，與規(guī)模化集約養(yǎng)殖相比，其規(guī)模小且較為分散，大部分分散在農(nóng)村地區(qū)，污染治理方式相對落后，排放的養(yǎng)殖廢水對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境安全造成巨大的影響[1-2]。如何正確防治分散式養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染問題，已成為改善農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量的首要任務(wù)。

納米生物炭主要來源于天然礦物、農(nóng)林生物廢棄物、天然大分子有機質(zhì)、中草藥成分，具有強大的吸附功能、螯合和催化能力。因其具有較大的比表面積、價格低廉、環(huán)境友好[3]，在固炭循環(huán)減排[4]、改善土壤肥力[5-8]、重金屬吸附[9]、環(huán)境治理[10-12]等領(lǐng)域取得了一定的效果，成為環(huán)保領(lǐng)域的研究熱點。

目前，生物炭吸附技術(shù)逐漸應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，其應(yīng)用研究引起了科技人員的廣泛關(guān)注[13-14]。但以往的研究主要集中在生物炭制備的原料種類[15-17]、裂解溫度[18-20]等方面，而關(guān)于環(huán)境溫度對生物炭吸附效果的研究鮮有報道。本文以納米生物炭為試驗材料，開展了不同溫度對養(yǎng)豬廢水污染物凈化效果研究，以期為生物炭在農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖廢水凈化處理提供科學參考，以及為畜禽養(yǎng)殖行業(yè)長期良性發(fā)展提供技術(shù)保障。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為納米生物炭，主要由除氮、磷、BOD、COD的微生物菌群，膨松物，吸附和絮凝的聚合物以及混合型礦石粉(蒙脫石、鈣石粉、膨潤土等)等物質(zhì)組成。

1.2 試驗方法

試驗于2019年1月在江西省灌溉試驗中心站研究基地進行。共設(shè)置6組控制溫度，分別為10、15、20、25、30、35 ℃，分別以T1、T2、T3、T4、T5、T6表示，每組控制溫度下分別設(shè)置納米生物炭處理和不處理的空白對照。試驗時，將取回的新鮮養(yǎng)殖廢水攪拌、靜置、過濾后，分別量取5 L加入到規(guī)格為20 L的PE塑料收納箱中，收納箱分別放置在6個加熱板上加熱，加熱過程中用玻璃棒不斷攪動，待溫度均達到設(shè)定溫度時，分別向納米生物炭處理的塑料收納箱中加入等量納米生物活性炭200 g，并分別于投料前(0 d)和投料后1、2、3、4、5、6、7 d采集水樣，樣品采集統(tǒng)一在早上8：00進行。取樣時，用100 mL取樣瓶取樣，取樣前輕微攪動廢水，靜置一段時間后取樣。取樣后待其冷卻至室溫后，將試樣分梯度稀釋先取10.0 mL原液，稀釋至100.0 mL；再取經(jīng)稀釋10倍的試樣10.0 mL，稀釋至100.0 mL，后續(xù)水質(zhì)指標檢測均使用稀釋100倍后的試樣。

1.3 測定指標與方法

檢測指標主要包括化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)，養(yǎng)殖廢水水質(zhì)指標測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[21]，水質(zhì)檢測方法采用相關(guān)的國家標準(表1)。

1.4 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計方法

通過廢液初始污染物濃度與每次取樣后測定的污染物濃度的差值，可以計算出稀釋100倍后樣品，納米生物炭對污染物的吸附量。各個指標的檢測結(jié)果使用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

表1 廢水水質(zhì)指標的測定方法

吸附量Q(mg/g)的計算公式：

式中，C0：投料前樣品的初始濃度，單位為mg/L；C1為投料后取樣污染物濃度，單位為mg/L；V為養(yǎng)豬廢水溶液體積，單位為L；M為納米生物炭的投加質(zhì)量，單位為g。

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2003軟件進行整理，并運用SPSS 17.0軟件進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)殖廢水的污染特征分析

供試的畜禽養(yǎng)殖廢水來自于江西省南昌縣向塘鎮(zhèn)河頭村一個生豬養(yǎng)殖場，該豬場養(yǎng)殖規(guī)模為500頭左右，屬農(nóng)村分散式養(yǎng)豬場。廢水主要包括豬糞尿和豬場沖洗水，測得廢水原液COD濃度值為2519.60 mg/L，約12.5倍于農(nóng)田灌溉標準值(200 mg/L)；NH3-N濃度值為886.90 mg/L，約11倍于污染物排放標準值；TP濃度值為132.60 mg/L，近16.6倍于污染物排放標準值(表2)。養(yǎng)豬廢水水質(zhì)均遠遠超過了《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染排放標準》(GB 18596─2001)[22]和《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》(GB 5084─2005)[23]的安全排放標準，不論是直接排放還是用于農(nóng)田灌溉，都會造成環(huán)境污染，甚至影響到飲用水水質(zhì)或農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的安全，因此有必要對其進行深度凈化處理。

表2 養(yǎng)殖廢水水質(zhì)與污染物排放標準及農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準比較分析 mg/L

2.2 不同溫度下納米生物炭對養(yǎng)殖廢水COD的吸附效果

COD在一定程度上可以代表養(yǎng)殖廢水中有機物的含量，是污水處理的一個重要指標。由圖1可以看出，在不同溫度下，納米生物炭對COD的吸附量均隨處理時間的增加而增加，T1～T6處理的最大吸附量均為處理后第7天，分別為37.61、37.18、39.09、47.84、53.74、59.42 mg/g，較第1天分別增加216.05%、169.62%、212.72%、228.35%、225.89%、266.11%。在不同溫度下，納米生物炭對COD的吸附能力從第2天開始明顯增強，且之后的幾天內(nèi)，不同溫度處理對COD的吸附量均以T1、T2、T3處理較低，T4、T5、T6處理較高，且以T6處理最高?？梢?，在35 ℃內(nèi)，溫度升高有利于提高納米生物炭對COD的吸附能力，且當溫度超過20 ℃時效果更為明顯，其最佳吸附效果的控制溫度為35 ℃。

圖1 不同溫度下COD吸附量的動態(tài)變化

2.3 不同溫度下納米生物炭對養(yǎng)殖廢水NH3-N的吸附效果

前人針對生物炭對養(yǎng)殖廢水NH3-N的吸附效果進行了大量的研究，Yan等[24]研究表明：生物炭對NH3-N吸附量為2.19 mg/g；張文藝等[25]采用經(jīng)NaCl改性的沸石對養(yǎng)殖廢液進行吸附處理，NH3-N的最大吸附量為1.43 mg/g；Yu等[26]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)KOH活化的生物炭對養(yǎng)豬廢液中NH3-N的吸附量可達26.82 mg/g。可見，在不同試驗的條件下，生物炭對養(yǎng)殖廢水氨氮的吸附效果存在一定差異。楊圣舒等[15]研究表明，在環(huán)境溫度為25 ℃時，生物炭對NH3-N的吸附可自發(fā)進行，且總吸附量的75%均在前30 min進行，4 h達到吸附平衡，然而低于或高于25 ℃的吸附效果如何還有待于進一步研究。

本研究結(jié)果表明(圖2)，在不同溫度條件下，納米生物炭對NH3-N的吸附量均隨處理時間的增加而增加，T1～T6的吸附效果均在處理后第7天達到最大，最大吸附量分別為9.01、8.48、9.03、13.47、15.80、16.28 mg/g，較第1天的吸附量分別提高51.85%、44.46%、54.98%、91.06%、103.87%、101.99%。溫度對納米生物炭NH3-N的吸附在處理后的第1天便產(chǎn)生顯著效果，T4、T5、T6的吸附量明顯高于T1、T2、T3；但在處理第2天后。T1、T2、T3的吸附效果逐漸趨于穩(wěn)定且彼此間差異不大，而T4、T5、T6則始終表現(xiàn)出較強的吸附能力，尤以T6處理的吸附效果最佳。說明納米生物炭對NH3-N的吸附效果在T4～T6的溫度條件下明顯好于T1～T3，且以35 ℃處理7 d的吸附效果最好。

圖2 不同溫度下NH3-N吸附量的動態(tài)變化

2.4 不同溫度下納米生物炭對養(yǎng)殖廢水TN的吸附效果

從圖3可以看出，在不同溫度條件下，納米生物炭對TN的吸附量均隨處理時間的增加而增加，各處理的TN最大吸附量以T6處理最高，為18.98 mg/g，分別較T1～T5增加54.94%、56.99%、40.07%、11.84%、1.23%；各處理的TN最大吸附量較第1天的吸附量增幅最大的為T6處理，增幅達到181.19%。從納米生物炭處理1～7 d的總體效果來看，T3、T4、T5、T6的吸附量明顯高于T1、T2，在處理第3天后，T4、T5、T6的吸附能力持續(xù)增強，而T1、T2、T3則趨于穩(wěn)定。

圖3 不同溫度下TN吸附量的動態(tài)變化

2.5 不同溫度下納米生物炭對養(yǎng)殖廢水TP的吸附效果

磷是衡量水體富營養(yǎng)化的一個重要指標，且相對氮素而言，其去除難度更大。Yan等[24]研究表明，生物炭對TP吸附量為0.5 mg/g；張文藝等[25]研究認為TN的最大吸附量為0.16 mg/g；Estevez等[27]研究發(fā)現(xiàn)TP的去除率為40%～50%。本研究結(jié)果表明(圖4)，納米生物炭對TP的吸附效果相對較差，這與孫麗麗等[3]的研究結(jié)果一致，但不同溫度對TP的吸附效果仍有一定的影響。在納米生物炭理后第1天，在不同溫度條件下TP的吸附量隨溫度的升高而升高，且處理間差異較大，吸附量較低的T1和T2處理分別較最高的T6處理低75.68%和71.62%。不同處理的TP吸附量均隨處理時間的增加而增大，T1～T6的最大吸附量均為處理后第7天，分別為0.52、0.50、0.60、0.87、0.86、0.88 mg/g，與處理后第1天相比，T1和T2處理的吸附量隨時間延長而變化較大(增幅分別為188.89%、138.10%)，而T3、T4、T5、T6處理的變化不大(增幅分別為11.11、27.00、24.28、18.92%)?？梢?，為確保納米生物炭對養(yǎng)殖廢水中TP的吸附效果，在環(huán)境溫度低于20 ℃時應(yīng)適當延長的處理時間，當溫度高于20 ℃時則可適當縮短處理時間。

圖4 不同溫度下TP吸附量的動態(tài)變化

2.6 納米生物炭吸附能力與溫度及處理時間的相關(guān)分析

從表3可以看出，納米生物炭對吸附效果與溫度和處理時間密切相關(guān)。當納米生物炭吸附量達到最大時，COD、NH3-N、TN、TP的吸附量與溫度呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.955、0.930、0.957、0.915；當環(huán)境溫度為35 ℃時，COD、NH3-N、TN、TP的吸附量與處理時間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.967、0.965、0.971、0.960。

3 結(jié)論

納米生物炭對畜禽養(yǎng)殖廢水的吸附凈化效果與溫度和處理時間呈極顯著正相關(guān)，其吸附效果隨溫度和處理時間的增加而增強，COD、NH3-N、TN、TP的最大吸附量為35 ℃處理后的第7天，分別為59.42、16.28、18.98、0.88 mg/g；當環(huán)境溫度超過20 ℃時，納米生物炭對COD、NH3-N、TN的吸附效果隨處理時間的增加而明顯增強，而TP的吸附效果則隨處理時間的變化不大，但受初始溫度影響較大。綜合考慮，納米生物炭凈化畜禽養(yǎng)殖廢水的適宜溫度為20～35 ℃。

表3 單項吸附指標與環(huán)境溫度、處理時間的相關(guān)關(guān)系