生物炭對廢水中氮磷的吸附效果研究

李敭

摘要：指出了我國地下水、地袁水富營養化情況嚴重，而造成水體富營養化的主要原因是氮磷污染，其常用的去除方法是吸附法。而我國化肥利用率低下，在施用過程中也多存在不合理的現象，氮肥磷肥的流失率很高，極容易造成地下水、地表水氮磷污染的環境問題。且我國農業廢棄物秸稈的產量較大，并且仍存在露天焚燒的情況，不僅污染大氣環境，加劇溫室效應，也是資源的浪費。以小麥秸稈、玉米秸稈為原料在一定條件下制備成生物炭為基礎，探討了不同類型生物炭對水體中氮磷的吸附性能.并分析了其實際應用價值。

關鍵詞：生物炭;氨氮;總磷;吸附

中圖分類號：X83 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0142-02

1研究背景和意義

1.1生物炭特性

生物炭（biochar）種類很多，常見的有秸稈炭、木質炭、草炭等，一般是指在完全缺氧或限氧的條件下，秸稈、木材、動物糞便等生物質材料，經高溫熱解（通常溫度控制在700℃以下）產生的一種含碳素的固態物質。

生物炭是一種具有高度芳香化結構的物質，外層是因含有不同的羧基和酚基官能團，而形成的富氧結構，其生物化學穩定性和熱穩定性均較高雎]。生物炭的比表面積和孔隙度較大，孔隙大小不一，納米到微米不等，羧基、酚羥基、羰基、內酯、吡喃酮、酸酐等是生物炭的主要基團，這些孔隙結構和基團的存在，使得生物炭具有良好的吸附能力，能吸附水、土壤或沉積物中的無機離子（Cu²⁺，pb²⁺、Hg²⁺等）以及極性或非極性有機化合物，因此生物炭具有對污染物強烈的吸附作用，不僅能吸附土壤和水體中的重金屬，也可以吸附土壤和水體中的有機和無機污染物。化學性質上生物炭芳香化和羧酸酯化程度較高，除了含有多環芳烴、脂肪族化合物等有機碳外，還有鈣、鎂等礦物質、無機碳酸鹽等，因此生物炭具有較強的熱穩定性及抗生物分解能力。生物炭難溶于水，同時又有較強的吸附能力，生物穩定性強，抗氧化等特性，使得其在土壤改良、減少溫室氣體排放以及環境污染修復等方面具有潛在功效。在工業、農業、能源、環境等領域均有較為廣泛的應用。

1.2氮磷污染現狀

我國化肥生產量和消費量常年居世界前列，其施用方法、施用量、施用時間也多存在不合理的現象，使得肥料的利用率低下，如氮肥的利用率為30%左右，磷肥僅為10%～20%，而全國范圍內的氮肥損失率已達到60%，而這些大量的未被利用的養分通過淋溶或地表徑流等方式進入水體，造成地下水系和地表水系的水體污染。

有研究認為，我國將近1/2比例的地下水、地表水有富營養化的問題，在污染較為嚴重的地區，農業面源污染流失出來的大量的氮磷等營養物質，是造成富營養化等嚴重環境問題的主要因素。而隨著目前日益增加的高氮磷化肥的用量，這種環境問題勢必會變得越來越嚴重。眾所周知，水體富營養化的主要危害體現在水中的藻類瘋長，水中DO迅速消耗，這就造成水環境的大面積缺氧，隨之產生的就是水生動物的大面積死亡，水體功能喪失。

水體中磷的存在形態有溶解態、顆粒態、膠體態磷3種，含磷化合物有正磷酸鹽、聚合磷酸鹽、有機磷，一部分為水體自然含有的成分（正磷酸鹽、聚合磷酸鹽），大部分則來源于生活污水和農業、工業廢水的排放。目前對于水體中磷酸鹽的去除方法主要包括生物法、離子交換法、化學凝聚法、結晶法、吸附法等。吸附法是根據多孔吸附材料的多孔性能和巨大的比表面積來實現對水中磷酸根的吸附，達到去除磷素的效果。常用的吸附劑有活性炭、黏土類礦物等。同時吸附法除磷由于工藝簡單、材料來源廣泛等優點，越來越受到重視。

能作為水中氮素、磷素吸附劑需要滿足吸附容量大、速度快、對吸附溶液選擇性強、不會溶出有毒有害物質、吸附劑原料廉價且可再生的條件。而生物炭的特性在此項研究中具有絕對的優勢。

1.3研究目的及意義

農業廢棄物的浪費是我國很嚴重的問題，我國每年產生大量的農業秸稈，而這些秸稈大多都被露天焚燒，這不僅浪費了生物質資源的行為，也破壞土壤結構，并且導致了環境的污染。若將這些秸稈制備成生物炭，不僅有利于推進二氧化碳的減排從而緩解溫室效應，也是一種很好的資源再利用的方式。因此利用秸稈制備生物炭在水體氮磷污染治理的問題上具有非常重要的研究意義。

2材料與方法

2.1 供試材料

2.1.1生物炭的制備

本試驗中生物炭的制備采用限氧升溫炭化法，具體操作為：分別將經前處理干燥的秸稈生物質分別放入洗凈干燥的反應容器中，密封壓實后置于馬弗爐中，設置馬弗爐升溫程序進行熱解反應，待反應完成自然冷卻至室溫后取出。制得的生物炭粉碎，過120目篩子，放入磨口瓶，置于干燥器中保存備用。

本試驗主要采用小麥和玉米兩種秸稈制備生物炭，用馬弗爐在以10℃/min升溫至500℃并保持，2h條件下燒制而成，秸稈生物炭經粉碎機粉碎，過100目篩，至于70℃烘箱中充分干燥，冷卻后放在干燥器中備用。分別標記為小麥生物炭（MC）和玉米生物炭（YC）。

2.1.2水樣

本試驗采用對實驗室土柱進行模擬降水的淋溶處理過程中，收集的淋溶液作為試驗用原水樣。

2.2試驗方法

本實驗采用實驗室土柱土壤淋溶液作為原污水，取土柱淋溶液淋溶液兩份各100mL于離心管中，檢測其氨氮濃度為5.59mg/L，總磷濃度為0.353mg/L，分別加入1g小麥生物炭和1g玉米生物炭，標記為1#和2#。25℃條件下，150r/min恒溫振蕩2h，取出后經0.22um孔徑濾膜過濾。對濾液進行氨氮、總磷濃度檢測，數據結果如表1。

2.3結果與討論

由以上試驗數據結果顯示，在添加1g小麥和玉米秸稈生物炭的情況下，對水中氨氮的去除效果均比較明顯，其中玉米秸稈生物炭的去除率略高于小麥秸稈生物炭（16%），達到了31%。而對水中總磷的去除率均不理想，小麥秸稈生物炭基本沒有去除效果，而玉米秸稈生物炭對水中總磷有較低的去除率，僅為13%。

分析整個試驗過程，認為出現這種結果的原因主要在以下幾個方面。

（1）本試驗兩種生物炭對于磷素的吸附效果并不理想，這主要是由于秸稈生物炭對于磷素的吸附主要是物理吸附，吸附效果不穩定，極容易解吸，使磷素重新回到水中。因此認為本試驗所采用的兩種秸稈生物炭并不是處理水中磷污染的最佳吸附材料。

（2）本試驗兩種生物炭對于氨氮的吸附效果較為明顯，但處理率仍不算高，達不到污水處理的標準。并且由于本試驗中所用的生物炭種類大多含有較多的陽離子，對NH4⁺的吸附仍有一定的限制。

（3）本試驗只采用了一種生物炭添加劑量，未分析生物炭低或高添加量對于水中氮磷吸附能力的變化，可能試驗中所采用的添加劑量并非最佳處理劑量。

3結論

（1）小麥秸稈生物炭對水中氨氮有一定的去除效果，但處理率不高。玉米秸稈生物炭對水中氨氮的去除率略高。說明在本試驗條件下，玉米秸稈生物炭更適合污水的氨氮處理，但處理率仍需提高。

（2）本試驗中，小麥秸稈生物炭對水中磷素污染幾乎沒有去除效果。玉米秸稈生物炭對水中磷素污染有較低的去除率，遠不能達到污水處理標準。說明小麥秸稈生物炭和玉米秸稈生物炭的理化性質不利于水中磷素的吸附，這可能是由于本試驗采用的兩種秸稈生物炭對磷素的吸附原理主要是物理吸附。

（3）綜合來看，本試驗中對水中氮磷污染的控制效果較好的生物炭類型為玉米秸稈生物炭，但是否能達到污水處理標準，仍需進一步研究。

4展望

（1）在現有生物炭對水中氨氮污染吸附能力未能達到較高水平，以及對于水中磷素污染的吸附效果甚微的情況下，后續試驗可考慮對生物炭進行改性處理，提高其吸附效果，使其能真正應用于水氮磷污染的治理中。

（2）本試驗對生物炭的添加劑量只考慮了一種情況，后續試驗也可嘗試增加不同生物炭添加量的處理，找到生物炭處理水中氮磷污染的最佳添加量，以提高處理效果。