活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑在農(nóng)村河道污水氮磷去除的應(yīng)用研究

陳 昱，才 碩*，時 紅,2，文陽平，黃純輪，吳彩云

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

自20世紀(jì)起，我國對于城市污染已引起了足夠的重視，但是對于農(nóng)村的環(huán)境污染和治理認(rèn)識嚴(yán)重不足。農(nóng)村水污染已迅速上升為我國水環(huán)境的第一大污染源[1]。由于深層次的農(nóng)村經(jīng)濟與社會背景，使得我國農(nóng)村水污染治理的艱巨性遠遠超過城市與工業(yè)污染治理。我國當(dāng)前農(nóng)村水污染治理的水平十分低下，種植業(yè)污染治理幾近空白，村莊生活污水及養(yǎng)殖業(yè)污水處理設(shè)施擁有率不足10%，設(shè)施建設(shè)質(zhì)量不高且正常運行率不足20%。除受保護的水源地外，80%的農(nóng)村地表水體已經(jīng)不適宜人體直接接觸，40%的地下水已不適合飲用。盡管目前環(huán)境生態(tài)保護工作取得了積極進展，但由于生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)村環(huán)境保護工作仍然滯后，農(nóng)村和農(nóng)業(yè)環(huán)境問題未能得到有效遏制。由于公共衛(wèi)生設(shè)施跟不上社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，農(nóng)村污水、農(nóng)村生活中農(nóng)藥、化肥及居民生活垃圾、畜禽養(yǎng)殖廢棄物未能得到有效處理而直接排入水體，導(dǎo)致農(nóng)村河道出現(xiàn)臟、亂、差的現(xiàn)狀。這為實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，加強鄉(xiāng)村水生態(tài)保護與修復(fù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

農(nóng)村水環(huán)境污染主要是由于水質(zhì)富營養(yǎng)化導(dǎo)致，主要營養(yǎng)元素為氮、磷。常見的方法有：物理化學(xué)法、生物法和生態(tài)法等。物理化學(xué)法包括有引水換水或活水循環(huán)[2]、增氧曝氣[3]、底泥清淤疏浚[4]和投入絮凝劑或活性炭進行混凝沉淀和吸附、結(jié)晶進行物理沉降[5-8]等方法。生物法主要有投放微生物種群[9]。生態(tài)法包括人工濕地[10]、生態(tài)塘[11]和生態(tài)浮床[12]等技術(shù)。與以上技術(shù)措施相比，本技術(shù)無需工程和動力投入，也不需要像人工濕地和生態(tài)塘一樣需要較大的占地面積，只需在枯水季節(jié)將活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投入到受污河道水體中。

生物炭在環(huán)境中的應(yīng)用前人已經(jīng)做了較多研究。研究表明，陳金媛等在活性污泥中添加生物炭后對氮、磷的去除效果更好，有利于污水出水水質(zhì)的改善[13]。在潛流人工濕地系統(tǒng)中添加鐵礦石和生物炭，提高了對TN和COD的去除率，進一步提高了污水處理效果[14]。周旭[15]在生物炭聯(lián)合曝氣強化人工濕地處理低碳氮比污水的效能研究中表明，生物炭自身釋放的部分有機物不利于微生物的降解利用，生物炭主要是通過對污水中有機物的吸附-解析過程來加強濕地系統(tǒng)反硝化作用，生物炭的添加能減少濕地N2O的排放。在前人的研究基礎(chǔ)上，通過對生物炭技術(shù)改進，采用活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑作為農(nóng)村河道污水處理材料，它包括生物炭、酶和微生物等，結(jié)合了物理化學(xué)法和生物法，可通過與土壤、水體中重金屬等有害殘留發(fā)生吸附、沉淀、離子交換、催化、螯合等物理化學(xué)作用，對重金屬等有害殘留的鈍化/穩(wěn)定化，又可通過中草藥對有害生物抑制和有益生物調(diào)理及酵素酶(微生物發(fā)酵劑)進行生物修復(fù)。本文通過模擬和實地應(yīng)用研究活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑不同用量對河道污水總磷、總氮和氨氮的去除效果，以篩選出活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑適宜用量，為農(nóng)村河道水環(huán)境治理提供參考意見。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)村河道水污染現(xiàn)狀

本試驗在南昌縣向塘鎮(zhèn)禮坊村河道開展。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究結(jié)果顯示，該農(nóng)村河道水污染情況較為嚴(yán)重，水質(zhì)較差，有異味。經(jīng)過對水的成分及周圍環(huán)境的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)河道水污染主要是由于水質(zhì)富營養(yǎng)化導(dǎo)致，主要營養(yǎng)元素為氮、磷。該區(qū)域水污染的主要來源為居民廁所污水、生活雜排水、上游農(nóng)業(yè)面源污水及養(yǎng)殖廢水的排放。

圖1 農(nóng)村河道水污染現(xiàn)狀圖

1.2 試驗材料與場地

試驗材料為活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑，由江西農(nóng)業(yè)大學(xué)提供?；钚陨锾繌?fù)合調(diào)節(jié)劑作以秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物有機質(zhì)為主料，還包含礦石粉、微生物種群和酵素酶等作為輔料。

模擬試驗于2019年8月至10月在江西省灌溉試驗中心站高田基地進行，采用方形塑料水槽(30 cm×50 cm×40 cm)作為試驗容器，原位打撈農(nóng)村河道底泥和河道污水，用以模擬農(nóng)村河道現(xiàn)狀。試驗容器有河道底泥和河道污水，底泥和河道污水在塑料水槽深度分別為5和30 cm。實地應(yīng)用于2019年11月至12月在江西省某農(nóng)村河道進行，選取一小段河道作為試驗場地，河道寬度約3 m，正值枯水期，水深較淺，水流較緩。試驗小區(qū)長度為2.5 m，寬度1.6 m，水深30 cm，污泥厚5 cm，每個小區(qū)均與原河道隔離且互不影響。

1.3 試驗設(shè)計

模擬試驗，共設(shè)3個處理，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑分別設(shè)定100、200和300 g，分別以T1、T2、T3表示。與河道污水的質(zhì)量體積比分別為1∶450、1∶225、1∶150。容器中河道污水靜置1 d后，直接將活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑按設(shè)定的量進行投放。

實地應(yīng)用共設(shè)計3個處理，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑分別設(shè)定3、6和12 kg，分別以M1、M2、M3表示。與河道污水的質(zhì)量體積比分別為1∶400、1∶200、1∶100。搭建好試驗小區(qū)后，靜置1 d后開始投放活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑。

1.4 樣品采集與測定

模擬試驗，在投料后第1、2、3、4、5天采集1次水樣，每次100 mL，用于檢測總磷、總氮、氨氮的濃度。實地應(yīng)用，投料后第1、3、5、7、9天采集1次水樣，每次100 mL，共采集5次，用于檢測總磷、總氮、氨氮的濃度。

測定方法：檢測指標(biāo)主要包括、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)。水質(zhì)檢測方法采用國家指標(biāo)的檢測方法進行檢測，參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[16]?？偭?TP)采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893─1989)檢測；總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀法(GB 11894─1989)檢測；氨氮(NH3-N)采用納氏試劑分光光度法(GB 7479─1987)檢測。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用Excel 2016進行處理，計算去除率并分析比較各種處理下的凈化效果。根據(jù)污水初始的污染濃度及處理后的濃度計算出去除率，去除率的計算公式如下：

式中：D為去除率；C初為廢水的初始各項水質(zhì)指標(biāo)濃度；C末為廢水處理后各項水質(zhì)指標(biāo)濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬試驗對河道污水總磷濃度的影響

圖2為河道污水總磷濃度隨活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投加量及處理時間的變化關(guān)系，由圖2可知，3個處理下隨處理時間的延長，河道污水總磷濃度均逐漸下降。在處理第2天時，3個處理河道污水總磷濃度分別降低了14.22%、10.62%和12.53%。隨著處理時間延長，總磷濃度降低的速度越慢，在第4天和第5天總磷濃度幾乎無異。T1、T2和T3處理活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑A的投加量逐漸遞增，但在第2天的除磷效果反而是投加量最低的處理效果最好。在第3天時，投加量加大的處理T3才表現(xiàn)最優(yōu)；直至第5天，T1和T2處理間也未表現(xiàn)出顯著的差異。

2.2 模擬試驗對河道污水總氮和氨氮濃度的影響

活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對河道污水總氮的處理效果如圖3A所示。3種不同投加量處理均能有效地降低河道污水總氮濃度，并且隨著處理時間的延長，河道污水總氮濃度越來越低，但降低總氮的速度也逐漸下降。在處理第4天時，3個處理下河道污水總氮濃度非常接近，河道污水總磷濃度分別為13.18、13.29和13.17 mg/L；與第1天相比，河道污水總磷濃度分別降低了12.44%、11.91%和13.13%。在第5天時，河道污水總磷濃度從高到低依次是T1、T2、T3。除氮效果以T3處理最佳，但與其余2個處理相比，除氮效果并未表現(xiàn)出絕對優(yōu)勢。

圖2 不同處理河道污水總磷濃度的動態(tài)變化

不同活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投加量隨時間變化下對氨氮處理效果如圖3B所示。隨著處理時間的延長，河道污水的氨氮濃度逐漸下降，可見活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對氨氮的去除效果很明顯。隨著投加量的增加，河道污水氨氮的去除效果越好，但與其他處理相比，并未表現(xiàn)出與投加量比例相同的處理效果。在第3天時，3個處理氨氮濃度分別降低了13.85%、12.20%和14.64%。最終3個處理氨氮的濃度分別為11.43、11.44和11.23 mg/L。除氨氮的效果仍是T3處理最佳。

2.3 模擬試驗對河道污水總磷、總氮及氨氮去除率的影響

如表1所示，不同活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投加量第5天總磷、總氮、氨氮的去除率。從表1可知，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對河道污水總磷、總氮、氨氮均有一定的去除效果。3個處理總磷、總氮、氨氮去除率均以T3處理最高，隨著活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投加量的增加，的去除率逐漸升高。與T1處理相比，T3處理第5天總磷、總氮、氨氮的去除率分別提高了2.51、1.75和3.44個百分點。

2.4 實地應(yīng)用對河道污水總磷濃度的影響

活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑不同投加量隨處理時間對河道污水總磷濃度的影響如圖4所示。農(nóng)村河道試驗小區(qū)水質(zhì)較差，總磷濃度含量過高，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑仍可以有效降低總磷的濃度。隨著處理時間的延長，總磷濃度逐漸降低。在第3天時，M3處理對河道污水總磷濃度降幅最大，僅2 d就下降了0.42 mg/L，去除率為24.59%。在第5天后，M2處理河道污水總磷濃度一直保持在處理間最低。第9天時，3個處理河道污水總磷濃度分別為0.87、0.79和0.89 mg/L。由此可知，處理效果表現(xiàn)為M2>M1>M3。

圖3 不同處理河道污水總氮和氨氮濃度的動態(tài)變化

表1 不同處理對河道污水總磷、總氮及氨氮的去除率 %

圖4 不同處理對河道污水總磷濃度的動態(tài)變化

2.5 實地應(yīng)用對河道污水總氮和氨氮濃度的影響

由圖5A可知，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑可以有效降低河道污水總氮的濃度，隨著處理時間的延長，河道污水總氮濃度逐漸降低，3個處理總氮濃度下降趨勢基本一致。第3天后，3個處理河道污水總氮濃度依次為M3>M1>M2，降低總氮濃度以M2處理最快。在第7天出現(xiàn)明顯拐點，去除效率降低，此時，M1、M2、M3處理河道污水總氮濃度分別為5.62、5.39、5.82 mg/L，去除效率分別為50.52%、52.90%、48.33%。

活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對河道污水氨氮濃度的影響，如圖5B所示。隨著處理時間推移，氨氮濃度逐漸降低，3個處理均可以有效降低河道污水氨氮的濃度，并且下降趨勢基本保持一致。第3天時，M3處理河道污水氨氮的濃度下降速度最快，比第2天下降了2.48 mg/L，去除率達到39.35%。第5天之后，則是M2處理河道污水氨氮的濃度最低，此時去除率達到62.50%。第7天至第9天河道污水氨氮的濃度下降速度明顯降低，河道污水氨氮濃度依次為M3>M1>M2，其中M2處理表現(xiàn)最佳。

2.6 實地應(yīng)用對河道污水總磷、總氮及氨氮去除率的影響

如表2所示，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑在第9天對河道污水總磷、總氮、氨氮的去除率。3個處理對河道污水中氮磷元素均有明顯的去除效果，其對河道污水總磷、總氮、氨氮的去除率均呈現(xiàn)出M2>M1>M3的變化規(guī)律。M2處理的去除效果最佳，較M3處理總磷、總氮、氨氮的去除率分別提高了5.79、4.79和10.31個百分點。

表2 不同處理對河道污水總磷、總氮及氨氮的去除率 %

3 討論與結(jié)論

生物炭通常是指生物質(zhì)在缺氧或無氧的情況下，通過高溫?zé)峤馓炕?，發(fā)生不完全燃燒熱裂解后所形成穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物[17]。生物炭通常由木材、農(nóng)作物廢棄物、植物組織和動物骨骼等生物質(zhì)或其他生物質(zhì)廢棄物制備而成[18]。生物炭一般是由芳香烴、單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳不規(guī)則疊層堆積而成的一種有機碳混合物，其中大多數(shù)碳以穩(wěn)定芳香環(huán)形式存在[19]。同時，生物炭還具有較大的孔隙度和比表面積，正是這些基本結(jié)構(gòu)決定了生物炭具有吸附、沉淀、離子交換、催化、螯合等物理化學(xué)特性[20]。因此，生物炭常應(yīng)用在污水處理中，對重金屬、放射性元素、無機氮、無染料和有機污染物等有較強的吸附特性[21]。馬子川等[22]研究表明：蘆葦和玉米芯制生物炭對雨水有較好凈化效果，對TP的去除率分別為55.48%、36.22%，但對于總氮和銨態(tài)氮的去除率相對較低，并且兩者相差不大。湯逸帆等[23]也對雨水做了相同的氮磷去除模擬試驗，采用稻殼制生物炭，其對雨水中總氮、總磷和銨氮的去除率分別為34.4%、48.0%和35.0%。本試驗結(jié)果也表明，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對河道污水中氮、磷元素有較好的去除效果，實地應(yīng)用中M2處理在第9天對總磷、總氮和氨氮的去除率分別為53.05%、55.46%和72.84%；在模擬試驗中，T3處理在第5天對總磷、總氮和氨氮的去除率分別為21.77%、14.32%和23.05%。雖然模擬試驗和實地應(yīng)用的去除效果不一，但仍可以證明，生物炭在污水治理中有較好的應(yīng)用效果。

圖5 不同處理對河道污水總氮和氨氮濃度的動態(tài)變化

本試驗以某農(nóng)村河道為研究對象，通過模擬和實地應(yīng)用深入探討了活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑在污水富營養(yǎng)化治理中的應(yīng)用效果，并進一步研究分析活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對河道污水總磷、總氮、氨氮的濃度和去除率的治理效果，得出以下結(jié)論。

(1)活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑無論在模擬試驗中，還是在實地應(yīng)用中，對富營養(yǎng)化污水中氮、磷元素的去除均具有良好的處理效果，但是不同投放量也有著不同的去除效果。

(2)模擬試驗中，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑處理河道污水5 d后，對總磷、氨氮的去除率在19%以上，對總氮的去除率在12%以上，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑與河道污水的投放質(zhì)量體積比為1∶150時，凈化效果最佳。

(3)實地應(yīng)用中，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑與河道污水質(zhì)量體積比為1∶200時，處理效果最佳。在第9天時，M2處理對總磷、總氮和氨氮的去除率分別為53.05%、55.46%和72.84%。

綜上所述，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑在農(nóng)村河道應(yīng)用適宜用量在1∶150～1∶200之間。