基于活性炭與生物炭的水體原位修復技術中試探討

劉冬

摘要 中試試驗選擇生物炭與活性炭為吸附材料，在白洋淀某水域鋪設炭材料，探索其對上覆水磷酸鹽（SRP）、總磷（TP）的吸附效果，探討活性炭、生物炭在水體原位修復過程中的機理與作用。測試結果表明，生物炭（鋪設厚度為6～8 cm）組上覆水TP、SRP濃度低于空白對照組，對上覆水TP、SRP具有較好的吸附效果;活性炭（鋪設厚度為6～8 cm）組上覆水TP濃度低于空白對照組，對上覆水TP具有較好的吸附效果。基于2種不同類型碳質材料較高的比表面積、較大的陽離子交換量，中試區上覆水磷酸鹽濃度呈現逐漸降低趨勢。中試試驗對于探索炭材料在水體原位修復中降低污染物濃度的潛在市場及規模化應用具有參考價值與指導意義。

關鍵詞 生物炭;活性炭;中試試驗;磷酸鹽;水體原位修復

中圖分類號 X 52 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）12-0087-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.024

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Abstract In the pilot test，biochar and activated carbon were selected as adsorbent materials，the carbon material was laid in a water area of Baiyangdian Lake to explore its adsorption effect on the overlying water phosphate （SRP） and total phosphorus （TP），the mechanism and role of activated carbon and biochar in the insitu remediation process of water were discussed.The results showed that the concentration of TP and SRP on the surface of the biochar （laying thickness of 6-8 cm） was lower than that of the blank control group，and it had better adsorption effect on the overlying water TP and SRP.The concentration of TP on the activated carbon （laying thickness of 6-8 cm） was lower than that of the blank control group，and it had a good adsorption effect on the overlying water TP.Based on the high specific surface area and large cationic exchange capacity of the two types of carbon materials，the phosphate concentration of overlying water in the pilot area showed a gradual decreasing trend.Pilot test has reference value and guiding significance for exploring the potential market and largescale application of carbon materials in the insitu remediation of water.

Key words Biochar;Activated carbon;Pilot test;Phosphate;Insitu restoration of water

富營養化是一種氮、磷等植物營養物質含量過多所引起的水質污染現象[1]。但由于人類的活動，將大量工業廢水和生活污水以及農田徑流中的植物營養物質排入湖泊、水庫、河口，加速水體富營養化。目前，湖泊富營養化治理一般應該遵循的路線是控源、生態修復和流域管理。

目前，國內外針對沉積物中磷的釋放進行了諸多研究，主要研究方法包括物理、化學和微生物措施，方法涉及清淤疏浚[2]、原位化學試劑注入[3]、原位覆蓋[4-5]和生物強化修復[6]。其中，原位覆蓋是一種傳統且被廣泛應用于處理營養鹽污染的方法[7]，該方法的核心問題是選擇合適的覆蓋材料。因此，糞便、煤灰、活性炭、自然和改性沸石與其他材料已被選擇作為覆蓋材料。但是，基于現有覆蓋材料的低效率、高成本與對底棲生物產生的負面影響，目前還未找到一種理想的材料。相反，生物炭在土壤修復中的成功應用為水體原位修復奠定了堅實的基礎。

生物炭修復污染水體針對的污染物主要包括有機物（如除草劑、抗生素、藥品、芳香族陽離子燃料、PAHs及VOCs等）和無機物（重金屬離子、磷酸鹽、NO-3 及NH+4等）[8-9]。此外，生物炭與活性炭具有同源性，都是利用生物質在高溫低氧條件下炭化形成。中試試驗地點選在白洋淀某水域，對生物炭與活性炭去除上覆水磷酸鹽的效果進行測試，探究生物炭作為原位覆蓋材料的潛力，為水體原位修復技術的研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 炭質材料比選

前期在實驗室階段，測試了不同活性炭、生物炭的基本理化性質，包括碳材料的pH、沉降效果、氨氮吸附效果等，經過數據對比分析，挑選出符合場地應用的活性炭、生物炭新材料。

活性炭強調生產過程中為增強表面特性的應用而人為采用大于700 ℃高溫碳化、物理化學手段活化的，常用于受污染的環境修復[10];生物炭是生物質在缺氧和高溫（<700 ℃）條件下熱裂解干餾形成穩定的、高度芳香化的、富含碳素的固態物質，表面物炭帶有大量負電荷和較高的電荷密度，并且富含含氧、含氮、含硫官能團，具有很大的陽離子交換量和較強的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力，是一種良好的吸附材料[11-13]。

1.2 樣品采集 場地試驗共布設6個圍擋，分別為B-1為原始對照，即未經任何處理;B-2為試驗對照，即只攪動水體;B-B為生物質炭試驗鋪設一區;B-H為生物質炭試驗鋪設二區;AC-B為活性炭試驗鋪設一區;AC-H為活性炭試驗鋪設二區。利用既定裝置對水體及沉積物進行攪動，并利用自制炭鋪灑裝置進行均勻鋪炭（圖1）。采集樣品空間順序為：上層（表層水下20 cm）、下層（沉積物水界面）、中間層;試驗過程分不同時間，共采集19次樣品，且6個圍擋同步進行樣品采集，其中試驗第1階段，每隔5 min同步采集1次樣品，第2階段，每隔1 h采集1次樣品，第3階段，每隔6 h采集1次樣品，第4階段，每隔24 h采集1次樣品。

樣品采集后，對上覆水中的TP、DTP、SRP、PP、DOP濃度進行測定，分析生物炭投加對上覆水中磷的去除效率的影響。上覆水總磷采用《水與廢水監測分析方法（第四版）》鉬銻抗分光光度法測定：5% 的過硫酸鉀溶液消解，10%的抗壞血酸與鉬酸鹽溶液顯色，700 nm波長處比色。

2 結果與分析

2.1 磷酸鹽（SRP）吸附效果分析

試驗分別針對短期培養條件（3 d）與長期培養條件（48 d）活性磷（SRP）變化趨勢進行分析。結果顯示（圖2），短期內（3 d），空白、攪動對照組濃度基本保持不變，且BC薄（生物炭厚度為2～4 cm）與AC（活性炭）顯著增加上覆水SRP濃度，BC厚（生物炭厚度為6～8 cm）對上覆水SRP濃度的降低效果不明顯;長期內（48 d），生物炭（BC）和活性炭（AC）對上覆水SRP濃度的降低效果不明顯。BC厚與攪動對照組上覆水SRP濃度差別不大，且均呈現逐漸降低趨勢;BC薄與AC（活性炭）變化趨勢基本保持一致，且顯著高于空白、攪動對照組上覆水SRP濃度。

試驗分別針對第30分鐘與第48天內不同層上覆水活性磷（SRP）變化趨勢進行分析，結果顯示（圖3），第30分鐘，BC（生物炭）、AC（活性炭）上覆水上（表層水下20 cm）、中（中間層）、下（沉積物水界面）3層SRP濃度基本保持一致;第48天，BC（生物炭）、AC（活性炭）上覆水上、中、下3層SRP濃度差別不大，且相對于第30分鐘時，SRP濃度變小。

2.2 總磷（TP）吸附效果分析

試驗分別針對短期培養條件（3 d）與長期培養條件（48 d）總磷（TP）變化趨勢進行分析，結果顯示（圖4），短期內（3 d），生物炭（BC）和活性炭（AC）對上覆水TP濃度的降低效果不明顯，TP濃度基本保持不變。BC厚與攪動對照組上覆水TP濃度差別不大，且變化趨勢基本一致;BC薄與AC與空白對照組上覆水TP濃度差別不大，且變化趨勢基本一致;長期內（48 d），生物炭（BC）和活性炭（AC）對上覆水TP濃度的降低效果不明顯，BC厚與攪動對照組上覆水TP濃度差別不大，且均呈現逐漸降低趨勢;BC薄與AC與空白對照組上覆水TP濃度差別不大，但是顯著高于攪動對照組上覆水TP濃度。

試驗分別針對第30分鐘與第48天內不同層上覆水總磷（TP）變化趨勢進行分析。上覆水分層試驗結果顯示（圖5），第30分鐘，BC（生物炭）、AC（活性炭）上覆水上（表層水下20 cm）、中（中間層）、下（沉積物水界面）3層濃度差別不大;第48天，BC、AC上覆水上、中、下3層TP濃度基本相同。

研究表明，炭化溫度升高，比表面積增大。Ahmad等[14]研究發現，黃豆秸稈生物炭的比表面積從300 ℃的5.6 m2/g增加至700 ℃的420.3 m2/g，但是低于商業活性炭的比表面積（1 239 m2/g）[15]。結合SRP濃度結果，BC組上覆水SRP濃度低于AC組，可見生物炭對SRP的吸附為非物理吸附，此外，生物炭表面一般帶負電荷，磷酸根離子帶負電荷，兩者相斥，證明生物炭對磷酸根的吸附不以靜電吸引為主，存在其他吸附形式，如化學吸附（鈣鎂等物質對磷酸根的吸附去除），這與程偉風等[15]的研究結果（脫水污泥經過厭氧發酵后的金屬元素出現不同程度的增加，其中鈣、鐵、鎂元素含量均呈現出上升趨勢）一致。

總體而言，活性炭對上覆水SRP沒有較好的去除效果，短時間內，活性炭較厚組TP濃度低于空白對照組，SRP濃度較高，基于活性炭較高的比表面積，活性炭以物理吸附顆粒態磷為主;生物炭較厚組TP與SRP濃度均低于空白對照組，對磷酸鹽具有一定的去除效果，磷酸鹽由于化學吸附能夠很快與生物炭上的表面官能團結合而被吸附去除[13]。

3 結論與討論

活性炭去除污染物機理以提高比表面積、增加吸附效果為主;生物炭表面物炭帶有大量負電荷和較高的電荷密度，并且富含含氧、含氮、含硫官能團，具有很大的陽離子交換量和較強的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力。二者修復機理不同，去除污染物效果略有差別。

同時，從試驗結果可以得出，單一使用活性炭或生物炭對污染物的去除效果不理想，且有釋放無機污染物的風險。故需要對其改性或輔助其他材料進行使用，增加活性炭與生物炭對污染物的去除效果。

現階段，生物炭主要應用在受污染土壤的修復領域，在水體及沉積物修復體系生物炭應用也逐漸受到重視，環境修復領域研究熱點主要集中在以下研究方向：①針對影響生物炭性能的因素（熱解溫度[16]、升溫速率、原材料）和特征污染物，對生物炭制備過程進行優化控制。

②進行生物炭改性，以提高其使用效率，如Chen等[17]和Han等[18]制作磁性生物炭，使吸附材料與修復主體容易分離;生物炭負載Fe離子以增加陽離子的交換能力;Joseph等[19]將生物炭顆粒制作為納米顆粒，以提高其吸附能力;③將生物炭作為一種穩定性載體，負載活性物質，如納米零價鐵或特定馴化微生物[20]等，對環境樣品中生物難降解有機污染物進行還原去除。

綜上所述，生物炭作為修復材料具有環境友好、經濟廉價、取材方便、修復效果好、效率較高、無二次污染等優點，在環境修復工程領域具有較大的應用前景。

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