生物炭對(duì)人工快滲系統(tǒng)氨氮去除的影響研究

陳 佼，李曉媛，劉 歡，林華峰，劉浩霖，黃 雯，陸一新

(1.成都工業(yè)學(xué)院 材料與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611730；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756)

人工快滲(Constructed Rapid Infiltration，CRI)系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)污水土地處理系統(tǒng)的缺陷，采用滲透性能更好的天然或人工介質(zhì)作為濾料，其工藝流程簡(jiǎn)單、基建費(fèi)用低、水力負(fù)荷高，既適用于村鎮(zhèn)分散生活污水的處理，又適用于富營(yíng)養(yǎng)化湖水、受污染河流水等地表水的處理[1-3]。脫氮是污水處理中最為關(guān)鍵的一環(huán)，而濾料作為CRI系統(tǒng)最核心的構(gòu)成部分，不適當(dāng)?shù)呐渲脮?huì)對(duì)最終的脫氮效果帶來(lái)負(fù)面影響[4]。因此，探尋能進(jìn)一步提高CRI系統(tǒng)脫氮效率的濾料類型和配置方式具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

圖1是采用聚氯乙烯(PVC)材料制成的2個(gè)CRI反應(yīng)器，分別編號(hào)R1、R2，均柱高130.0 cm，上方設(shè)有布水器，由上往下依次設(shè)置布水層(不做任何填充)、緩沖層(礫石填充，粒徑0.5～1.0 cm)、濾料層、承托層(礫石填充，粒徑0.5～1.0 cm)，高分別為20.0，5.0，100.0，5.0 cm，內(nèi)徑為7.0 cm，布水器設(shè)置在布水層上方，總出水口設(shè)置在承托層底部。自上而下每隔20 cm濾料層設(shè)置一個(gè)沿程出水口，分別標(biāo)記為S1～S5。R1、R2的運(yùn)行條件、進(jìn)水水質(zhì)相同，區(qū)別在于系統(tǒng)內(nèi)濾料的構(gòu)成和組分比例不同，具體為：R1濾料層采用粒徑均為0.5～1.0 mm的天然河砂、沸石砂、大理石砂均勻混合而成，體積比為7∶2∶1；R2濾料層混入了生物炭，天然河砂、沸石砂、大理石砂、生物炭體積比為7∶1∶1∶1。通過(guò)計(jì)量泵控制布水量，繼電器控制布水時(shí)間。運(yùn)行階段溫度為(25±5) ℃，按2周期/d、12 h/周期的方式循環(huán)運(yùn)行，其中淹水、落干時(shí)間分別為3，9 h，水力負(fù)荷q為1.0 m/d。

圖1 CRI反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)用水及接種污泥

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1)生物炭的制備

選取從養(yǎng)殖場(chǎng)采集的廢棄羊糞、兔糞和豬糞，采用限氧熱解法制備糞基生物炭[9]。挑除糞便中的泥土、草葉等雜質(zhì)后，在85 ℃下烘干24 h，粉碎過(guò)80目篩。取適量篩出物置于坩堝內(nèi)壓實(shí)、密閉，置于馬弗爐內(nèi)以20 ℃/min的升溫梯度加熱到500 ℃后恒溫2 h。待冷卻至室溫后，依照固液比(m∶V)1∶20加入1.0 mol/L HCl，于25 ℃、150 r/min條件下振蕩3次，每次30 min以去除灰分。結(jié)束后，用去離子水反復(fù)清洗濾渣直至上清液呈中性狀態(tài)，在100 ℃烘箱烘干48 h，冷卻后過(guò)100目篩，即制得羊糞、兔糞和豬糞生物炭，依次標(biāo)記為SMB500、RMB500和PMB500。

2)生物炭對(duì)氨氮的吸附效果

3)生物炭對(duì)氨氮去除的影響

1.4 分析方法

(1)

(2)

式中：k為與S0，q相關(guān)的系數(shù)；α為與S0相關(guān)的系數(shù)；β為與q相關(guān)的系數(shù)。

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭的結(jié)構(gòu)特征

SMB500、RMB500和PMB500的元素組成分析結(jié)果如表1所示。從表1可知，SMB500的灰分、C、O、N含量均高于RMB500、PMB500。通常而言，根據(jù)H/C原子比可以判斷生物炭的碳化水平和芳香性，H/C原子比越低，則說(shuō)明生物炭的碳化水平和芳香性越高，當(dāng)H/C原子比小于0.6時(shí)，表明生物炭具有較高的生化穩(wěn)定性[12]；根據(jù)O/C原子比可以判斷生物炭的極性，O/C原子比越高，則說(shuō)明生物炭的極性越強(qiáng)[13，14]。SMB500的H/C原子比低于RMB500、PMB500，而O/C原子比高于RMB500、PMB500，可見相比其他2種糞基生物炭，SMB500的碳化水平更高，芳香性和極性更強(qiáng)。

表1 生物炭的元素組成

生物炭BET分析結(jié)果如表2所示。由表2可知，SMB500的比表面積分別比RMB500、PMB500高6.59，11.02倍，總孔容分別比RMB500、PMB500高3.20，5.88倍，平均孔徑分別比RMB500、PMB500高0.16，0.37倍。由此可見，SMB500擁有更大的比表面積和更豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。

表2 生物炭的BET分析結(jié)果

2.2 生物炭對(duì)氨氮的吸附效果

圖2 生物炭對(duì)的吸附效果

2.3 生物炭對(duì)氨氮去除的影響

2.3.1 對(duì)氨氮去除效果的影響

圖3 生物炭添加前后的去除情況

圖轉(zhuǎn)化機(jī)理示意

2.3.2 氨氮的沿程變化

圖的沿程變化情況

2.3.3 氨氮去除動(dòng)力學(xué)

(a)R1

表3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)m值

本研究中q值為1.0 m/d，式(2)可簡(jiǎn)化為：

(4)

以S0為橫坐標(biāo)、m為縱坐標(biāo)，對(duì)式(4)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示。

圖7 S0與m的擬合曲線

將擬合得到的參數(shù)值代入式(4)中，得到m與S0的關(guān)系式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3.4 動(dòng)力學(xué)模型的作用解析

2)優(yōu)化CRI系統(tǒng)的濾料層高度設(shè)計(jì)

3 結(jié)論