生物炭在污水處理中的應(yīng)用分析

摘要：作為一種新型碳材料，生物炭具有類似活性炭的性質(zhì)，可用于處理污水。試驗(yàn)以竹粉與KHCO3為原料來(lái)制備生物炭，使用生物炭動(dòng)態(tài)吸附裝置處理模擬污水，然后采集實(shí)際污水樣品，分析生物炭吸附+氯化消毒組合工藝處理污染物和病原微生物的有效性。其間分析竹粉與KHCO3投加量對(duì)生物炭性能的影響，研究污染物與病原微生物的穿透曲線，驗(yàn)證實(shí)際污水處理效果。經(jīng)過(guò)生物炭吸附與氯化消毒處理后，污染物濃度和病原微生物數(shù)量均明顯降低，出水能夠達(dá)到相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行二次利用。研究表明，生物炭能夠有效地處理污水，去除污染物與病原微生物，對(duì)于污水安全排放與二次利用具有重要作用。

關(guān)鍵詞：生物炭；吸附；氯化消毒；污水處理；污染物；病原微生物；二次利用

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）07-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.073

analysis on the Application of biochar in sewage treatment

SUO Wei， FANG Yong

（Weifang SIIC Environmental Sewage Treatment Co.， Ltd.， Weifang 261000， China）

Abstract： As a new type of carbon material， biochar has properties similar to activated carbon and can be used for treating sewage. The experiment takes bamboo powder and KHCO3 as raw materials to prepare biochar， and uses a biochar dynamic adsorption device to treat simulated sewage， and collects actual sewage samples to analyze the effectiveness of the biochar adsorption + chlorination disinfection combination process in treating pollutants and pathogenic microorganisms. During this process， the influence of bamboo powder and KHCO3 dosage on the performance of biochar is analyzed， and the penetration curves of pollutants and pathogenic microorganisms are studied， and the actual sewage treatment effect is verified. After biochar adsorption and chlorination disinfection treatment， the concentration of pollutants and the number of pathogenic microorganisms are significantly reduced， and the effluent can meet the relevant discharge standards and can be reused. Research has shown that biochar can effectively treat sewage， remove pollutants and pathogenic microorganisms， and play an important role in the safe discharge and secondary utilization of sewage.

Keywords： biochar; adsorption; chlorination disinfection; sewage treatment; pollutants; pathogenic microorganisms; secondary utilization

污水處理是指采用不同工藝凈化污水，使得出水水質(zhì)達(dá)到外排或者二次利用的要求。污水處理涉及農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)水資源合理利用的重要保障[1]。污水處理可以分為一級(jí)處理、二級(jí)處理和三級(jí)處理，處理對(duì)象分別為固體物質(zhì)、膠體物質(zhì)和難降解有機(jī)物，從而確保出水滿足排放要求。病原微生物是污水中常見(jiàn)的物質(zhì)，是引起人體感染甚至傳染的微生物。病原微生物包括真菌、細(xì)菌、支原體、立克次氏體、衣原體和病毒等方面，對(duì)人體的危害較大[2]。按照危害程度，病原微生物可以分為4類。一是能夠引起人類或動(dòng)物罹患非常嚴(yán)重疾病的微生物；二是能夠引起人類或動(dòng)物罹患嚴(yán)重疾病的微生物；三是能夠引起人類或動(dòng)物罹患疾病但風(fēng)險(xiǎn)有限的微生物；四是通常不會(huì)引起人類或動(dòng)物罹患疾病的微生物[3]。第一類病原微生物危害最大，第四類病原微生物危害最小。無(wú)論是哪種病原微生物，均會(huì)影響人或動(dòng)物的正常生活，需要及時(shí)處理。

生物炭是高溫環(huán)境下由動(dòng)物糞便、動(dòng)物骨頭、植物根莖等有機(jī)垃圾炭化而成的一種多孔碳，性質(zhì)與活性炭相似，比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)。生物炭可以通過(guò)吸附作用直接捕獲污水中的污染物和病原微生物，從而達(dá)到凈化污水的目的[4]。生物炭常用于處理污水中的氨氮和病原微生物的代謝產(chǎn)物存在的氨類物質(zhì)[5]。因此，試驗(yàn)以竹粉與KHCO3為原料來(lái)制備生物炭，使用生物炭動(dòng)態(tài)吸附裝置處理模擬污水，然后采集實(shí)際污水樣品，分析生物炭吸附+氯化消毒組合工藝處理污染物和病原微生物的有效性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試驗(yàn)使用的主要試劑及其規(guī)格如表1所示。其他試劑有8種：C2H5OH、CH3OH、NaOH、HgCl2-KI-KOH溶液和Na2S2O3均為化學(xué)純；KNaC4H4O6為分析純；FeCl3·6H2O純度不小于97%，K4Fe（CN）6·3H2O純度不小于98.5%。主要儀器有元素分析儀、磁力攪拌器、比表面積及微孔物理吸附儀、馬弗爐、紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、pH計(jì)、X射線光電子能譜儀、真空泵、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)和電子自旋共振波譜儀[6]。

1.2 試驗(yàn)方法

竹粉使用去離子水清洗后，干燥1 d。將干燥后的竹粉與KHCO3混合，在高溫環(huán)境下生成一定質(zhì)量的生物炭。以NH4Cl、腐殖酸、KCl、MgCl2和AlCl3為溶質(zhì)，以去離子水為溶劑，配制模擬污水。取

100 mL模擬污水置于錐形瓶，加入H2O2溶液，并加入H2SO4，將污水的pH調(diào)節(jié)到2，完成污水處理前的準(zhǔn)備工作。加入一定質(zhì)量的生物炭，磁力攪拌60 min后，測(cè)定污水中氨、硫化物等物質(zhì)的初始濃度，計(jì)算生物炭吸附代謝產(chǎn)物的效率與氨、硫化物等物質(zhì)的平衡吸附量。使用NaCl溶液清洗生物炭，再使用去離子水清洗一遍，干燥2 h后得到再生生物炭，多次循環(huán)去除污水中的污染物和病原微生物[7]。最后，在某污水處理廠采集1 000 mL污水樣品，驗(yàn)證生物炭吸附+氯化消毒組合工藝的實(shí)際污水處理效果。污水經(jīng)砂濾池過(guò)濾后，使用生物炭吸附污水中的污染物，然后采用氯化消毒去除病原微生物。

生物炭能夠吸附病原微生物的細(xì)胞壁與細(xì)胞膜、核酸與蛋白質(zhì)、毒素與酶、代謝產(chǎn)物等，其中代謝產(chǎn)物包含氨、硫化物等物質(zhì)。生物炭的吸附作用能夠改善水質(zhì)，降低污水的污染程度[8]。采用式（1）計(jì)算生物炭吸附代謝產(chǎn)物的效率，采用式（2）計(jì)算氨、硫化物等物質(zhì)的平衡吸附量。吸附過(guò)程中，采用式（3）計(jì)算生物炭的動(dòng)態(tài)吸附量。

（1）

（2）

（3）

式中：δ為生物炭吸附代謝產(chǎn)物的效率，%；C0為污水中氨、硫化物等物質(zhì)的初始濃度，mg/L；Ce為吸附平衡后的污水中剩余氨、硫化物等物質(zhì)的濃度，mg/L；qe為氨、硫化物等物質(zhì)的平衡吸附量，mg/g；V為污水體積，L；m為投加的生物炭質(zhì)量，g；q為生物炭的動(dòng)態(tài)吸附量，mg/g；t為生物炭耗竭時(shí)間，min；v為進(jìn)水速率，L/min。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)使用的生物炭動(dòng)態(tài)吸附裝置如圖1所示。該裝置的主要部件為玻璃柱，柱內(nèi)兩端為脫脂棉，防止填充物損失。試驗(yàn)采用4種填料，即新型填料1（型號(hào)BC700-PB）、石英砂、新型填料2（型號(hào)NBC-Fe3O4）和生物炭，它們?cè)谖鬯幚碇芯哂形桨钡?、充?dāng)支撐層和吸附病原微生物等作用[9]。通過(guò)蠕動(dòng)泵控制污水流速，避免重力對(duì)污水做正功，減緩污水通過(guò)填料層的速度，延長(zhǎng)污水停留時(shí)間。生物炭對(duì)氨氮有一定的吸附效果，動(dòng)態(tài)吸附裝置能夠處理污水，去除污染物和病原微生物。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 竹粉與KHCO3投加量對(duì)生物炭性能的影響

生物炭不僅能夠去除污水中的氨氮，還能夠吸附病原微生物的代謝產(chǎn)物，從而滿足污水處理需求。在制備生物炭的過(guò)程中，不同竹粉與KHCO3投加量對(duì)生物炭的物理性質(zhì)存在影響。不同投加量對(duì)生物炭性能的影響如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，KHCO3與竹粉的質(zhì)量比從0∶1提升到4∶1時(shí)，生物炭比表面積與孔容均有所增加，因此生物炭更易吸附污水中的氨氮，去除病原微生物的代謝產(chǎn)物。

2.2 污染物與病原微生物的穿透曲線

以吸附時(shí)間為x軸，以模擬污水中污染物濃度、病原微生物數(shù)量為y軸，分別繪制污染物與病原微生物的穿透曲線。數(shù)據(jù)顯示，從病原微生物去除的1 740 min開(kāi)始，生物炭耗竭時(shí)間顯著縮短。此時(shí)，生物炭表面吸附氮、磷兩種污染物，大量的吸附位點(diǎn)被占據(jù)，降低生物炭吸附利用率。生物炭表面清洗后，重復(fù)吸附，直至污染物濃度降低到標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。在污水處理過(guò)程中，過(guò)低的填料高度會(huì)使生物炭過(guò)快耗竭，增加污染物與病原微生物去除的阻力。要想增加動(dòng)態(tài)吸附量，就需要合理降低填料高度。BC700-PB的填料高度為8 cm，NBC-Fe3O4的填料高度為4 cm，能夠滿足污染物與病原微生物去除的需求。

2.3 實(shí)際污水處理效果驗(yàn)證

在污水處理廠采集1 000 mL污水樣品，驗(yàn)證實(shí)際污水處理效果。污水經(jīng)砂濾池過(guò)濾后，使用生物炭吸附污染物，然后采用氯化消毒去除病原微生物。氯化消毒持續(xù)2～4 h，從濾芯中提取中空纖維膜，與200 mL純凈水混合。使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，鑒定污染物濃度和病原微生物數(shù)量。以污染物和病原微生物為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合水溫和鹽度，評(píng)價(jià)生物炭吸附+氯化消毒組合工藝的實(shí)際污水處理效果，如表3所示。其中，污染物主要有高錳酸鹽指數(shù)（Chemical Oxygen Demand，CODMn）、氨氮、硝態(tài)氨和余氨，病原微生物主要有細(xì)菌、大腸桿菌、立克次氏體、原生動(dòng)物和真菌。數(shù)據(jù)顯示，污水的污染物濃度與病原微生物數(shù)量較高，生物炭吸附處理后，污染物濃度和病原微生物數(shù)量明顯減少，水質(zhì)得到改善。生物炭吸附處理期間，水溫始終保持在25～31 ℃，鹽度始終保持在0.18%～0.20%。氯化消毒處理后，污水的病原微生物數(shù)量進(jìn)一步減少，大腸桿菌、立克次氏體、原生動(dòng)物和真菌等病原微生物均未檢出，得到有效去除，對(duì)于污水安全排放和二次利用具有重要作用。

3 結(jié)論

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)污水產(chǎn)生量持續(xù)增加，水環(huán)境保護(hù)面臨巨大壓力。部分污水含有大量的污染物與病原微生物，影響人體健康與生態(tài)環(huán)境安全。這就需要做好污水處理，減少水體富營(yíng)養(yǎng)化，保護(hù)和改善水環(huán)境。試驗(yàn)采用竹粉與KHCO3制備的生物炭處理模擬污水，然后采集實(shí)際污水樣品，驗(yàn)證生物炭吸附+氯化消毒組合工藝處理污染物和病原微生物的有效性。結(jié)果表明，生物炭比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，易吸附污水中的污染物，去除病原微生物的代謝產(chǎn)物。在污水處理過(guò)程中，要合理降低填料高度，增加動(dòng)態(tài)吸附量，因?yàn)檫^(guò)低的填料高度會(huì)使生物炭過(guò)快耗竭，增加污染物與病原微生物去除的阻力?？傊锾磕軌蛴行У靥幚砦鬯?，降低污染物濃度和病原微生物數(shù)量，實(shí)現(xiàn)污水的安全排放和二次利用。

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