生物炭在處理農(nóng)村窖水的應(yīng)用及展望

馬嬋媛 李劉軍

摘 要：水窖蓄集雨水存在水質(zhì)總體較差、易引發(fā)各類疾病等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著新農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)程。本文在闡述西北水窖特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著重討論了生物炭在生活污水及工業(yè)污水處理方面的作用機(jī)理與應(yīng)用，同時(shí)對(duì)生物炭技術(shù)在凈化農(nóng)村地區(qū)窖水水質(zhì)的應(yīng)用及推廣的可行性方面進(jìn)行了初步探究和展望。

關(guān)鍵詞：水窖；生物炭；水質(zhì)污染

甘肅省地處西北黃土高原，自然地理?xiàng)l件差，施工條件差、管理難度高等原因限制了該地區(qū)農(nóng)村供水工程的建設(shè)規(guī)模和供水區(qū)域，使得農(nóng)村地區(qū)水資源極其匱乏。為了提倡“聯(lián)村聯(lián)戶，為民富民”行動(dòng)，實(shí)施“121”雨水集流工程，建成集雨水窖近80萬眼，飲用水人口達(dá)220萬人。基本解決了農(nóng)村人口吃水緊缺問題，使得窖水成為農(nóng)村地區(qū)的重要水資源。但通過對(duì)水窖水質(zhì)的取樣調(diào)查，以及查閱大量文獻(xiàn)報(bào)道，發(fā)現(xiàn)水窖水質(zhì)總體較差，并且因水質(zhì)問題引發(fā)的各種疾病的報(bào)道也不斷增加。所以，農(nóng)村地區(qū)飲水安全問題需亟待解決。

到目前為止，水窖水質(zhì)處理方面的技術(shù)主要有超濾技術(shù)、生物慢濾技術(shù)以及吸附處理技術(shù)。但由于前兩種技術(shù)操作復(fù)雜、運(yùn)行成本較高，在窖水處理方面實(shí)施起來比較困難，故常采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的吸附法處理窖水。吸附劑的選擇是此技術(shù)的關(guān)鍵所在。生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，在水處理方面被廣泛應(yīng)用。因此，本文在討論農(nóng)村窖水水質(zhì)特點(diǎn)及其在污、廢水領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)上，探究其對(duì)農(nóng)村窖水的處理效果，旨在為解決農(nóng)村窖水水質(zhì)問題提供科學(xué)依據(jù)。

一、農(nóng)村水窖狀況

1.甘肅部分水窖污染狀況

為了了解甘肅水窖污染情況，我們以會(huì)寧縣和榆中縣作為西北水窖的代表。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，由于兩地都屬于較嚴(yán)重缺水的地區(qū)，人畜的飲用水主要以為雨水、雪水直接沉淀后的水窖水。通過對(duì)兩縣四區(qū)水窖水質(zhì)的取樣調(diào)查得出主要水質(zhì)指標(biāo)（表1）

由表1可知，4個(gè)采樣點(diǎn)窖水濁度均有不同程度的超標(biāo)，超標(biāo)率分別為10%、20%、6.7%和16.7%，總超標(biāo)率為13.3%。4個(gè)采樣點(diǎn)窖水pH值普遍偏高，超標(biāo)率分別為23.0%、40%、53.3%、43.3%，總超標(biāo)率為40%。被檢測(cè)的120個(gè)水樣的氨氮含量較小，有些甚至低于檢測(cè)限（≤0.02 mg·L-1），無超標(biāo)水樣。除會(huì)師鎮(zhèn)南關(guān)回民區(qū)外，其他3個(gè)采樣點(diǎn)的窖水CODMn含量有不同程度的超標(biāo)，超標(biāo)率分別為46.6%、10%、6.7%，總超標(biāo)率為15.8%。總磷含量一般用于檢測(cè)污水水質(zhì)，本研究中窖水總磷含量偏低，基本不存在超標(biāo)現(xiàn)象。對(duì)于甘肅部分農(nóng)村地區(qū)水窖水質(zhì)而言，水中污染物主要為濁度、總磷、CODMn含量和水中pH值。

二、生物炭治理技術(shù)

目前，去除水窖中污染物的方法主要為紫外線、超濾、生物慢濾、吸附等，吸附法相對(duì)于其他方法，具有操作簡(jiǎn)單、無需添加大量化學(xué)制劑、能量消耗少等特點(diǎn)。在吸附法中，吸附材料是關(guān)鍵因子，眾多吸附材料中，生物炭因其原料來源廣、吸附容量大而得到越來越多的關(guān)注。生物炭作為吸附劑在水處理中取得了較好的效果，特別是對(duì)一些難以除去的有害物質(zhì)來說具有成本低、效果好的優(yōu)點(diǎn)，另外生物炭炭化程度較低，殘余的氫氧基團(tuán)可以更有利于金屬離子以及有機(jī)物的去除。

生物炭吸附污染物的主要原理為：生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大，其表面富含羧基、羥基、羰基等官能團(tuán)，且具有較大的比表面積以及較強(qiáng)的離子交換能力，這些特性使其有可能成為一種高效的環(huán)境吸附劑。

1.生物炭的制備與來源

（1）生物炭的制備。生物炭是生物質(zhì)材料在限氧、低溫（<700℃）環(huán)境下，經(jīng)加熱分解最終獲得的一種碳含量豐富的固態(tài)產(chǎn)物，因其表面具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，以及穩(wěn)定的脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)和高度芳香化結(jié)構(gòu)，使其具有很好的吸附性和穩(wěn)定性。由于原材料、技術(shù)工藝及熱解條件的差異，生物炭在結(jié)構(gòu)和粒徑分布、孔容、表面密度、比表面積、pH、揮發(fā)分含量和持水性等理化性質(zhì)上表現(xiàn)出非常廣泛的多樣性，進(jìn)而使其擁有不同的環(huán)境效應(yīng)和環(huán)境應(yīng)用。目前，學(xué)術(shù)屆普遍認(rèn)為生物炭的原材料和熱解溫度對(duì)生物炭的特性和環(huán)境功能影響最為顯著[10]。

（2） 生物炭的來源。生物質(zhì)資源具有來源廣泛，易集中處理低污染，可再生等特點(diǎn)，應(yīng)用潛力巨大。能作為生物質(zhì)包括初級(jí)農(nóng)林生產(chǎn)剩余物，如農(nóng)作物秸稈、殼核、果皮、果樹修剪枝條等；農(nóng)林次級(jí)剩余物，如甘蔗渣、甜菜渣、果渣等；生物利用及轉(zhuǎn)化廢棄物，如畜禽糞便、發(fā)酵渣、酒渣、菌菇栽培廢棄基等。將廢棄物生物質(zhì)制成生物炭后，作為一種較新的環(huán)境功能材料用以去除水體環(huán)境中的污染物，也可避免對(duì)水體環(huán)境中氧的快速耗竭，也是有效解決農(nóng)業(yè)廢棄物的途徑之一。

2.生物炭處理微污染水的影響因素分析

生物炭在處理水窖中的污染物時(shí)，對(duì)污染物的去除效果受很多因素的影響。本文主要從生物炭投加量，生物炭制備溫度、生物炭粒徑大小這幾個(gè)因素說明生物炭處理農(nóng)村水窖的影響因素。以便為生物炭處理農(nóng)村水窖水提供理論依據(jù)。

（1）吸附劑投加量。吸附劑投加量是吸附過程節(jié)約成本的一個(gè)重要的參數(shù)，也影響著對(duì)水質(zhì)的處理效果。馬鋒鋒等[11]做了牛糞制備生物炭吸附水中的氨氮的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氨氮濃度及其他條件不變的情況下，當(dāng)牛糞生物炭投加量較少時(shí)，吸附率明顯上升。這是因?yàn)殡S著吸附劑投加量的增加可供吸附的活性位點(diǎn)增加，從而使得被吸附的吸附質(zhì)總量增加，單位吸附量qe呈減小趨勢(shì)。但當(dāng)牛糞生物炭的投加量達(dá)到20g/L后qe趨于穩(wěn)定，吸附率增加幅度也隨之減小，吸附劑表面活性位點(diǎn)數(shù)量變化減少。所以使用生物炭處理污染物時(shí)要綜合考慮單位吸附量qe、吸附率及成本等因素，確定生物炭投加量。

（2）生物炭熱解溫度。牛糞生物炭的熱解溫度對(duì)污染物的吸附也有較大的影響，有研究表明，隨著生物炭熱解溫度的升高，其裂解程度增加，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)育，表現(xiàn)為微孔逐漸增多，孔隙度增大，比表面積逐漸增大。胡菲菲等[12]用不同熱解溫度制備的雞糞生物炭吸附去除水中的磷取得了較理想的效果，當(dāng)用熱解溫度為500-750℃時(shí)，生物炭對(duì)水中磷的平衡吸附量和吸附速率隨著熱解溫度的升高而增加。林靜雯等也探究了牛糞熱解溫度對(duì)氨氮的去除實(shí)驗(yàn)，隨著牛糞生物炭熱解溫度從300℃增加到500℃，氨氮的去除率也隨之增加。但當(dāng)熱解溫度從500℃繼續(xù)增加700℃，氨氮的去除率開始減小至27.71%。導(dǎo)致這一去除率下降的原因是，隨著生物炭熱解溫度的進(jìn)一步升高，熱解過程中形成的孔隙表面一部分被燒蝕，使基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷。因此，在用生物炭吸附水中的污染物時(shí)，要選擇一個(gè)合適的生物炭的制備溫度[13]。

（3）生物炭粒徑大小。對(duì)于單位質(zhì)量的生物炭來說，粒徑越小，表面積就越大，表面能作用明顯，所以吸附效果就比較顯著。馬鋒鋒[11]等用牛糞吸附水中氨氮的實(shí)驗(yàn)中也表明生物炭粒徑越小，對(duì)氨氮的吸附量越大。當(dāng)生物炭粒徑從40目減小到80目時(shí)，牛糞生物炭對(duì)氨氮的吸附量增大了1.4倍。此外，劉寧[14]等做了玉米秸稈炭對(duì)重金屬Cd2+吸附實(shí)驗(yàn)，也得出在生物炭添加量相同情況下，生物炭的粒徑越小，生物炭對(duì)Cd2+的去除率越大的結(jié)論?？梢娚锾苛酱笮?duì)生物炭吸附量有著較為明顯的影響。

三、生物炭在水窖處理中的應(yīng)用前景分析

與傳統(tǒng)水處理工藝相比，生物炭技術(shù)作為一種新型水處理工藝逐漸被認(rèn)知，劉和平[14]等做了臭氧-生物炭砂工藝處理微污染水試驗(yàn)研究，以中置式高密度沉淀池沉后水作為進(jìn)水，以臭氧-生物炭砂工藝對(duì)微污染水進(jìn)行處理。結(jié)果表明，該工藝流程可以有效去除水中的CODMn、濁度和氨氮。

因此劉建廣[15]等也采用類似方法做了生物炭濾池裝置（如圖1所示），進(jìn)行雨水收集處理，使雨水從進(jìn)水口注入，從出水口流出。當(dāng)雨水流經(jīng)生物炭吸附裝置，生物炭一方面可以去除由庭院、屋頂上的枯枝落葉、塵土等物質(zhì)，降低水窖水的濁度。另一方面由于生物炭具有巨大的比表面積和吸附位點(diǎn)能很好去除水中的氨氮和磷等物質(zhì)。此套設(shè)備成本較低，主要材料為管材與閥門，且操作簡(jiǎn)單，無需費(fèi)電和重新更換生物炭。生物炭再生時(shí)只要通反沖空氣和反沖水。若將反沖水和生物炭填料用于還田，也可改良土壤和提高土壤肥力，可謂一舉兩得。因此，通過合理地選擇生物炭原材料、調(diào)整生物炭投加量及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的淋洗設(shè)備等技術(shù)手段和方式，通過不斷推廣，相信在不久的將來，生物炭將在分散農(nóng)村地區(qū)將具有廣泛的應(yīng)用前景，能更好的服務(wù)于“三農(nóng)”。

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作者簡(jiǎn)介： 馬嬋媛（1983-9-）女，甘肅會(huì)寧人，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲廴究刂苹瘜W(xué)。

基金項(xiàng)目：甘肅省教育廳項(xiàng)目《生物炭?jī)艋r(nóng)村水窖水質(zhì)污染的應(yīng)用研究》；編號(hào)：2016A-133.