秸稈生物炭在污水處理中的應(yīng)用

吳得意

（南昌市國(guó)昌環(huán)?？萍加邢薰?，南昌 330000）

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)每年的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量已經(jīng)超過9 億t，如果不能及時(shí)有效地進(jìn)行處理和利用，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。傳統(tǒng)的秸稈資源化利用方式雖然可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，但是存在較低的利用效率、較高的加工成本以及較大的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)有效利用秸稈的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。近年來(lái)，隨著秸稈生物炭的研究越來(lái)越深入，這種新型資源化利用技術(shù)已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步[1-3]，它不僅可以有效減輕秸稈處理的負(fù)擔(dān)，而且可以為污水處理帶來(lái)全新的思路，因此已經(jīng)迅速成為國(guó)際研究焦點(diǎn)。

1 秸稈生物炭的制備與改性方法

生物炭的原材料非常豐富，既有來(lái)自糧食作物的秸稈，也有來(lái)自經(jīng)濟(jì)作物的秸稈。秸稈是一種重要的原料，通常富含碳、氫、氧等元素，其中固定碳的含量可超過15%。秸稈與其他生物質(zhì)（動(dòng)物糞便、污泥等）按一定比例混合，可以制備生物炭。這種方法能夠提高生物炭的功能性和安全性，為廢棄有機(jī)物的高效利用和污水處理提供一種雙贏策略，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 制備方法

目前，秸稈生物炭主要有兩種制備方法[4-7]。一是限氧熱解法，即將秸稈生物質(zhì)放入特定環(huán)境中進(jìn)行高溫?zé)峤馓幚?，獲得生物炭。根據(jù)熱解溫度、升溫速率以及停留時(shí)間的不同，秸稈生物質(zhì)的熱解方式可以分為4 類，即慢速熱解、中速熱解、快速熱解和閃速熱解。由于各類秸稈的物理性質(zhì)不盡相同，其生物炭的表面特征會(huì)有所不同，如比表面積、總孔容、平均孔徑和碳含量等，因此，在相同的熱解條件下，各類秸稈生物炭的表現(xiàn)會(huì)有所差別。雖然限氧熱解法能夠提供較高的炭產(chǎn)量，但它的反應(yīng)溫度往往需要控制在400～900 ℃。二是水熱炭化法，其無(wú)須限制秸稈生物質(zhì)含水率，具有可控的廢氣排放量和低廉的操作成本，反應(yīng)溫度低，應(yīng)用廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水熱炭化法已經(jīng)被證明是一種高效、可行的有機(jī)生物質(zhì)再利用方法。

1.2 改性方法

為了提高綜合性能，秸稈生物炭可以進(jìn)行改性處理[8-10]，如物理改性、化學(xué)改性和生物改性。物理改性可以提高秸稈生物炭的吸附性能，如球磨、紫外輻射和蒸汽活化。經(jīng)球磨處理，秸稈生物炭的比表面積、孔體積和孔徑都得到顯著增加，同時(shí)它具有更多的石墨結(jié)構(gòu)，具備更強(qiáng)的吸附性能。另外，紫外輻射可以提高秸稈生物炭的比表面積和表面含氧官能團(tuán)，進(jìn)而大幅提升其對(duì)鉻元素的吸附能力?；瘜W(xué)改性可以有效地改變秸稈生物炭的性能，常用的改性劑包括酸、堿、有機(jī)試劑和金屬鹽等。這些改性劑可以有效地降低秸稈生物炭的灰分含量，改變其表面的元素組成、官能團(tuán)分布、比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高其性能。有機(jī)試劑改性可以改變秸稈生物炭的元素和表面官能團(tuán)組成，常用的改性劑有聚乙烯亞胺、殼聚糖和戊二醇等。相比物理改性和化學(xué)改性，生物改性的優(yōu)勢(shì)顯而易見。其改性成本較低，安全性較高，二次污染較少。此外，秸稈生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)不僅能夠有效地吸附污染物，還能為微生物提供良好的繁殖環(huán)境。

2 秸稈生物炭的污水凈化原理

秸稈生物炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，含有大量的表面官能團(tuán)，這些特性使得它能夠有效地吸附和去除水體中的污染物[11-12]。吸附過程主要涉及靜電引力、離子交換、共沉淀、表面絡(luò)合和氫鍵作用等機(jī)制[13-14]，從而有效地凈化水體。秸稈生物炭的吸附機(jī)制受到多種因素的影響，包括原料的孔結(jié)構(gòu)、元素含量和官能團(tuán)。熱解條件、改性方法、污染物類型和污水中的共存成分都會(huì)對(duì)吸附效果產(chǎn)生影響。通常，秸稈生物炭的吸附效果是多種因素共同作用的結(jié)果。秸稈生物炭可以通過微孔捕獲、氫鍵作用等多種方式，有效地吸附氟環(huán)唑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氟環(huán)唑的有效凈化。

3 秸稈生物炭在污水處理中的具體應(yīng)用

3.1 去除有機(jī)污染物

印染廢水含有大量的有機(jī)染料，其生化特性較弱，組成十分復(fù)雜，使得傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)難以達(dá)到預(yù)期的凈化效果，因此，開發(fā)一種有效的、低毒的凈化技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。秸稈生物炭表面添加Fe3O4顆粒改性后，它可以更好地凈化水體，減少對(duì)環(huán)境的不良影響，特別是亞甲基藍(lán)，其最大吸附量增加2.5 倍。秸稈生物炭可以用于處理印染廢水中的有機(jī)污染物，具有較高的去除率和可靠性。

3.2 去除重金屬

冶金、電鍍、皮革、機(jī)械加工等行業(yè)排放的廢水含有大量重金屬，具有較高毒性。秸稈生物炭作為一種高效的吸附材料，受到越來(lái)越多的關(guān)注，以有效地減少重金屬對(duì)環(huán)境和動(dòng)植物的危害。生物炭的吸附性能受到多種因素的影響，尤其是熱解溫度，熱解溫度為600 ℃時(shí)，生物炭的吸附量最高，而pH 為5.5 時(shí)，生物炭的吸附量最低。秸稈生物炭具有多種優(yōu)異的吸附性能，它不僅可以單獨(dú)用于重金屬的去除，而且可以與其他反應(yīng)體系相結(jié)合，從而大大提升凈化效率。此外，秸稈生物炭具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，使得多種微生物能夠在穩(wěn)定的環(huán)境中獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)生長(zhǎng)和繁殖，大大增加重金屬凈化效果。

3.3 去除氮磷污染物

氮和磷的過量排放導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重危害人體健康，也破壞水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性。秸稈生物炭可以吸附廢水中的氮磷污染物，改善水環(huán)境。水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度取決于無(wú)機(jī)氮和無(wú)機(jī)磷的含量，然而，它們具有負(fù)電荷，與帶有正電荷的生物炭表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸附，從而限制生物炭的吸附效率。常見的改性方法是將具有負(fù)電荷的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎姾?，并將其浸入到秸稈生物炭中。反?yīng)體系摻入鋁和鎂元素，可以有效地覆蓋生物炭表面，形成吸附位點(diǎn)，發(fā)揮架橋作用，促進(jìn)磷酸根的化學(xué)沉淀，從而提高去除率。

3.4 去除抗生素

傳統(tǒng)的生物方法無(wú)法有效地清除廢水中的抗生素，這給水環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的污染，并且給水生動(dòng)植物及人類帶來(lái)極大的危害。吸附法是去除廢水中抗生素的有效方法。在不同的熱解溫度下，制備的水稻秸稈生物炭可以用于去除廢水中的四環(huán)素。在700 ℃的熱解溫度下，水稻秸稈生物炭的吸附性能最佳。為了進(jìn)一步提高去除率，在700 ℃的溫度下對(duì)生物炭進(jìn)行改性，改性生物炭具有更多的官能團(tuán)、石墨碳結(jié)構(gòu)和磁性成分。改性處理后，其對(duì)四環(huán)素的吸附量大幅提升。3.5 去除其他污染物

秸稈生物炭具有出色的凈化能力，不僅可以有效吸附廢水中的重金屬、氮、磷和抗生素，還能夠有效去除放射性核素、藻毒素、酚類、烴類和醛類等污染物。水稻秸稈生物炭熱解處理后，進(jìn)行硝酸氧化處理。隨著廢水的pH、污染物濃度和溫度的變化，其對(duì)廢水中鈾的吸附率也會(huì)發(fā)生變化。水稻秸稈生物炭是一種理想的高效吸附劑，可以有效地從水介質(zhì)中分離鈾。隨著研究的不斷深入，秸稈生物炭作為一種高效、低成本的吸附材料，在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，取得顯著的成效。

4 結(jié)論

秸稈生物炭具有出色的吸附性能，是一種極具潛力的環(huán)保材料，在污水處理領(lǐng)域得到越來(lái)越多的關(guān)注。近年來(lái)，隨著制備和改性方法的不斷發(fā)展，秸稈生物炭的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。秸稈生物炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，能夠有效地吸附和去除廢水中的多種污染物，從而凈化水質(zhì)。為了充分發(fā)揮秸稈生物炭的應(yīng)用價(jià)值，更好地控制水體中的污染物，未來(lái)需要深入研究生物炭吸附技術(shù)，明確污染物吸附機(jī)理，通過改性來(lái)強(qiáng)化秸稈生物炭的吸附性能。必須深入研究秸稈生物炭與水環(huán)境的作用機(jī)理，明確秸稈生物炭可能帶來(lái)的生態(tài)危害，尋求有效的解決方案，以提高其穩(wěn)定性，減少生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。秸稈生物炭的原料價(jià)格較低，但其吸附飽和后的回收和再生仍然面臨挑戰(zhàn)，成本不菲。因此，有必要開發(fā)更加高效、節(jié)能的回收和再生技術(shù)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)秸稈生物炭與微生物體系或化學(xué)體系協(xié)同作用的污水處理研究，以降低應(yīng)用成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。