不同溫度下納米生物炭對農村分散式養殖廢水凈化效果研究

才 碩，張 麗，時 紅,3*，文陽平，黃純輪，姜成名，陳 昱

(1.江西省灌溉試驗中心站 江西省高效節水與面源污染防治重點實驗室，江西 南昌 330201；2.江西農業大學，江西 南昌 330045；3.東華理工大學，江西 南昌 330013)

分散型養殖是我國畜禽養殖的重要組成部分，與規模化集約養殖相比，其規模小且較為分散，大部分分散在農村地區，污染治理方式相對落后，排放的養殖廢水對農村生態環境安全造成巨大的影響[1-2]。如何正確防治分散式養殖產生的污染問題，已成為改善農村水環境質量的首要任務。

納米生物炭主要來源于天然礦物、農林生物廢棄物、天然大分子有機質、中草藥成分，具有強大的吸附功能、螯合和催化能力。因其具有較大的比表面積、價格低廉、環境友好[3]，在固炭循環減排[4]、改善土壤肥力[5-8]、重金屬吸附[9]、環境治理[10-12]等領域取得了一定的效果，成為環保領域的研究熱點。

目前，生物炭吸附技術逐漸應用于污水處理領域，其應用研究引起了科技人員的廣泛關注[13-14]。但以往的研究主要集中在生物炭制備的原料種類[15-17]、裂解溫度[18-20]等方面，而關于環境溫度對生物炭吸附效果的研究鮮有報道。本文以納米生物炭為試驗材料，開展了不同溫度對養豬廢水污染物凈化效果研究，以期為生物炭在農村畜禽養殖廢水凈化處理提供科學參考，以及為畜禽養殖行業長期良性發展提供技術保障。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為納米生物炭，主要由除氮、磷、BOD、COD的微生物菌群，膨松物，吸附和絮凝的聚合物以及混合型礦石粉(蒙脫石、鈣石粉、膨潤土等)等物質組成。

1.2 試驗方法

試驗于2019年1月在江西省灌溉試驗中心站研究基地進行。共設置6組控制溫度，分別為10、15、20、25、30、35 ℃，分別以T1、T2、T3、T4、T5、T6表示，每組控制溫度下分別設置納米生物炭處理和不處理的空白對照。試驗時，將取回的新鮮養殖廢水攪拌、靜置、過濾后，分別量取5 L加入到規格為20 L的PE塑料收納箱中，收納箱分別放置在6個加熱板上加熱，加熱過程中用玻璃棒不斷攪動，待溫度均達到設定溫度時，分別向納米生物炭處理的塑料收納箱中加入等量納米生物活性炭200 g，并分別于投料前(0 d)和投料后1、2、3、4、5、6、7 d采集水樣，樣品采集統一在早上8：00進行。取樣時，用100 mL取樣瓶取樣，取樣前輕微攪動廢水，靜置一段時間后取樣。取樣后待其冷卻至室溫后，將試樣分梯度稀釋先取10.0 mL原液，稀釋至100.0 mL；再取經稀釋10倍的試樣10.0 mL，稀釋至100.0 mL，后續水質指標檢測均使用稀釋100倍后的試樣。

1.3 測定指標與方法

檢測指標主要包括化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)，養殖廢水水質指標測定參照《水和廢水監測分析方法》[21]，水質檢測方法采用相關的國家標準(表1)。

1.4 數據計算與統計方法

通過廢液初始污染物濃度與每次取樣后測定的污染物濃度的差值，可以計算出稀釋100倍后樣品，納米生物炭對污染物的吸附量。各個指標的檢測結果使用Excel 2007軟件進行數據處理分析。

表1 廢水水質指標的測定方法

吸附量Q(mg/g)的計算公式：

式中，C0：投料前樣品的初始濃度，單位為mg/L；C1為投料后取樣污染物濃度，單位為mg/L；V為養豬廢水溶液體積，單位為L；M為納米生物炭的投加質量，單位為g。

試驗數據用Excel 2003軟件進行整理，并運用SPSS 17.0軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 養殖廢水的污染特征分析

供試的畜禽養殖廢水來自于江西省南昌縣向塘鎮河頭村一個生豬養殖場，該豬場養殖規模為500頭左右，屬農村分散式養豬場。廢水主要包括豬糞尿和豬場沖洗水，測得廢水原液COD濃度值為2519.60 mg/L，約12.5倍于農田灌溉標準值(200 mg/L)；NH3-N濃度值為886.90 mg/L，約11倍于污染物排放標準值；TP濃度值為132.60 mg/L，近16.6倍于污染物排放標準值(表2)。養豬廢水水質均遠遠超過了《畜禽養殖業污染排放標準》(GB 18596─2001)[22]和《農田灌溉水質標準》(GB 5084─2005)[23]的安全排放標準，不論是直接排放還是用于農田灌溉，都會造成環境污染，甚至影響到飲用水水質或農產品質量的安全，因此有必要對其進行深度凈化處理。

表2 養殖廢水水質與污染物排放標準及農田灌溉水質標準比較分析 mg/L

2.2 不同溫度下納米生物炭對養殖廢水COD的吸附效果

COD在一定程度上可以代表養殖廢水中有機物的含量，是污水處理的一個重要指標。由圖1可以看出，在不同溫度下，納米生物炭對COD的吸附量均隨處理時間的增加而增加，T1～T6處理的最大吸附量均為處理后第7天，分別為37.61、37.18、39.09、47.84、53.74、59.42 mg/g，較第1天分別增加216.05%、169.62%、212.72%、228.35%、225.89%、266.11%。在不同溫度下，納米生物炭對COD的吸附能力從第2天開始明顯增強，且之后的幾天內，不同溫度處理對COD的吸附量均以T1、T2、T3處理較低，T4、T5、T6處理較高，且以T6處理最高。可見，在35 ℃內，溫度升高有利于提高納米生物炭對COD的吸附能力，且當溫度超過20 ℃時效果更為明顯，其最佳吸附效果的控制溫度為35 ℃。

圖1 不同溫度下COD吸附量的動態變化

2.3 不同溫度下納米生物炭對養殖廢水NH3-N的吸附效果

前人針對生物炭對養殖廢水NH3-N的吸附效果進行了大量的研究，Yan等[24]研究表明：生物炭對NH3-N吸附量為2.19 mg/g；張文藝等[25]采用經NaCl改性的沸石對養殖廢液進行吸附處理，NH3-N的最大吸附量為1.43 mg/g；Yu等[26]研究發現，經KOH活化的生物炭對養豬廢液中NH3-N的吸附量可達26.82 mg/g。可見，在不同試驗的條件下，生物炭對養殖廢水氨氮的吸附效果存在一定差異。楊圣舒等[15]研究表明，在環境溫度為25 ℃時，生物炭對NH3-N的吸附可自發進行，且總吸附量的75%均在前30 min進行，4 h達到吸附平衡，然而低于或高于25 ℃的吸附效果如何還有待于進一步研究。

本研究結果表明(圖2)，在不同溫度條件下，納米生物炭對NH3-N的吸附量均隨處理時間的增加而增加，T1～T6的吸附效果均在處理后第7天達到最大，最大吸附量分別為9.01、8.48、9.03、13.47、15.80、16.28 mg/g，較第1天的吸附量分別提高51.85%、44.46%、54.98%、91.06%、103.87%、101.99%。溫度對納米生物炭NH3-N的吸附在處理后的第1天便產生顯著效果，T4、T5、T6的吸附量明顯高于T1、T2、T3；但在處理第2天后。T1、T2、T3的吸附效果逐漸趨于穩定且彼此間差異不大，而T4、T5、T6則始終表現出較強的吸附能力，尤以T6處理的吸附效果最佳。說明納米生物炭對NH3-N的吸附效果在T4～T6的溫度條件下明顯好于T1～T3，且以35 ℃處理7 d的吸附效果最好。

圖2 不同溫度下NH3-N吸附量的動態變化

2.4 不同溫度下納米生物炭對養殖廢水TN的吸附效果

從圖3可以看出，在不同溫度條件下，納米生物炭對TN的吸附量均隨處理時間的增加而增加，各處理的TN最大吸附量以T6處理最高，為18.98 mg/g，分別較T1～T5增加54.94%、56.99%、40.07%、11.84%、1.23%；各處理的TN最大吸附量較第1天的吸附量增幅最大的為T6處理，增幅達到181.19%。從納米生物炭處理1～7 d的總體效果來看，T3、T4、T5、T6的吸附量明顯高于T1、T2，在處理第3天后，T4、T5、T6的吸附能力持續增強，而T1、T2、T3則趨于穩定。

圖3 不同溫度下TN吸附量的動態變化

2.5 不同溫度下納米生物炭對養殖廢水TP的吸附效果

磷是衡量水體富營養化的一個重要指標，且相對氮素而言，其去除難度更大。Yan等[24]研究表明，生物炭對TP吸附量為0.5 mg/g；張文藝等[25]研究認為TN的最大吸附量為0.16 mg/g；Estevez等[27]研究發現TP的去除率為40%～50%。本研究結果表明(圖4)，納米生物炭對TP的吸附效果相對較差，這與孫麗麗等[3]的研究結果一致，但不同溫度對TP的吸附效果仍有一定的影響。在納米生物炭理后第1天，在不同溫度條件下TP的吸附量隨溫度的升高而升高，且處理間差異較大，吸附量較低的T1和T2處理分別較最高的T6處理低75.68%和71.62%。不同處理的TP吸附量均隨處理時間的增加而增大，T1～T6的最大吸附量均為處理后第7天，分別為0.52、0.50、0.60、0.87、0.86、0.88 mg/g，與處理后第1天相比，T1和T2處理的吸附量隨時間延長而變化較大(增幅分別為188.89%、138.10%)，而T3、T4、T5、T6處理的變化不大(增幅分別為11.11、27.00、24.28、18.92%)。可見，為確保納米生物炭對養殖廢水中TP的吸附效果，在環境溫度低于20 ℃時應適當延長的處理時間，當溫度高于20 ℃時則可適當縮短處理時間。

圖4 不同溫度下TP吸附量的動態變化

2.6 納米生物炭吸附能力與溫度及處理時間的相關分析

從表3可以看出，納米生物炭對吸附效果與溫度和處理時間密切相關。當納米生物炭吸附量達到最大時，COD、NH3-N、TN、TP的吸附量與溫度呈極顯著正相關，相關系數分別為0.955、0.930、0.957、0.915；當環境溫度為35 ℃時，COD、NH3-N、TN、TP的吸附量與處理時間呈極顯著正相關，相關系數分別為0.967、0.965、0.971、0.960。

3 結論

納米生物炭對畜禽養殖廢水的吸附凈化效果與溫度和處理時間呈極顯著正相關，其吸附效果隨溫度和處理時間的增加而增強，COD、NH3-N、TN、TP的最大吸附量為35 ℃處理后的第7天，分別為59.42、16.28、18.98、0.88 mg/g；當環境溫度超過20 ℃時，納米生物炭對COD、NH3-N、TN的吸附效果隨處理時間的增加而明顯增強，而TP的吸附效果則隨處理時間的變化不大，但受初始溫度影響較大。綜合考慮，納米生物炭凈化畜禽養殖廢水的適宜溫度為20～35 ℃。

表3 單項吸附指標與環境溫度、處理時間的相關關系