地下水中硝酸鹽氮處理技術

于曉梅，李陽，馬艷飛(山東理工大學，山東 淄博 255000)

0 引言

我國當前的飲用水結構中，地下水占總供水量的20%，工業用水量的38%，農田灌溉水量的40%，飲用水供水量的70%。如今地下水資源超采與污染嚴重等現象成為影響地下水質量的主要因素，并且隨著農業生產的快速發展，由于硝態氮引發的地下水污染問題已經成為全世界關注的環境問題[1-2]。人們長期飲用的水源中若含大量硝酸鹽或亞硝酸鹽，會使智力下降，如果兒童經常飲用此類水，會使其視覺與聽覺的反應相對會比較遲緩。部分研究者認為飲用水中含大量的硝酸鹽與甲狀腺功能亢進、高血壓、糖尿病之間也有一定的關聯。李勤等[3]通過水蒸氣活化的方法來制備玉米芯活性炭，對亞甲基藍的吸附性能顯著。Angin等[4]采用紅花籽殼作為生物炭原材料，以ZnCl2為活化劑制備生物炭。吸附法可以有效地去除污染水體中的硝酸鹽，而生物炭作為吸附材料，既經濟又環保，并且改性生物炭可以大大提高對硝酸鹽氮的吸附效果。本實驗研究了改性生物炭對地下水中硝酸鹽氮的處理效果。

1 實驗內容

1.1 實驗方法

本實驗主要研究改性生物炭對地下水中硝酸鹽氮的吸附效果。首先對未改性生物炭(小麥秸稈、木屑、椰殼生物炭)進行篩選，確定最佳的未改性生物炭；然后通過改變實驗條件，研究改性生物炭吸附地下水中硝酸鹽氮的影響因素：鐵炭比、投加量、反應時間、溫度，最終確定改性生物炭吸附地下水中硝酸鹽氮的最佳組合。

1.2 改性生物炭的表征

通過XRF分析儀測定，原椰殼生物炭、鐵炭比為0.28和0.98的改性生物炭中除氫以外的元素組成和含量。

2 結果與討論

2.1 未改性生物炭的篩選

本實驗研究未改性生物炭(小麥秸稈、木屑和椰殼生物炭)對地下水中硝酸鹽氮的吸附效果，最終結果如圖1所示。圖1可以明顯看出椰殼生物炭對地下水中硝酸鹽氮的吸附性能最好，小麥秸稈生物炭次之，木屑生物炭對地下水中硝酸鹽氮的吸附性能最差。因此，確定最佳未改性生物炭為椰殼生物炭。

圖1 不同的生物炭對地下水中硝酸鹽氮吸附性能比較

2.2 鐵炭比對改性生物炭吸附硝酸鹽氮的影響

實驗中設Fe3+與生物炭的質量比值分別為0、0.140、0.280、0.448、0.700、0.840、0.980共7個梯度，制備7種改性炭。通過等式(1)計算出不同鐵炭比的改性椰殼生物炭對地下水中硝酸鹽氮的去除率，具體結果如圖2所示。顯而易見，鐵炭比為0，即未改性的生物炭對地下水中硝酸鹽氮的去除率最低，僅為16.56%；隨著鐵炭比增大，其對硝酸鹽氮的去除率提高，當鐵炭比為0.28時，到達峰值，其對硝酸鹽氮去除率達到39.52%，是未改性生物炭去除率的2.39倍；隨著鐵炭比繼續增大，當鐵炭比為0.98時，其對地下水中硝酸鹽氮的去除率達到40.08%，是未改性生物炭對硝酸鹽氮去除率的2.42倍。因此最終選擇鐵炭比為0.28和0.98的改性椰殼生物炭進行實驗研究。

圖2 鐵炭比對生物炭去除地下水中硝酸鹽氮的影響

式中：ηe為硝酸鹽氮去除率；c0為吸附前溶液中硝酸鹽氮的濃度(mg/L)；ce為吸附平衡時溶液中硝酸鹽氮的濃度(mg/L)。

2.3 投加量對改性生物炭吸附硝酸鹽氮的影響分析

改性生物炭的投加量不同，對地下水中硝酸鹽氮的去除效果也不一樣。實驗分別投加0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0 g改性生物炭，最終結果如圖3所示。當椰殼生物炭的投加量增多時，其對地下水中的硝酸鹽氮的去除率也在提高；當投加量為40 g/L時，鐵炭比為0.28的改性生物炭的去除率達到83.61%，隨著投加量繼續增大，其去除率基本保持穩定；當投加量為30 g/L時，鐵炭比為0.98的改性生物炭的去除率達到78.41%。

圖3 投加量對改性生物炭去除地下水中硝酸鹽氮的影響

2.4 反應時間對改性生物炭吸附硝酸鹽氮的影響分析

在25 ℃條件下，生物炭分別于硝酸鹽氮反應時間為1、2、5、10、15、20、25、30 min，最終結果如圖4所示。原椰殼生物炭與地下水中硝酸鹽氮反應10 min后，去除率可達20.04%；鐵炭比為0.28的改性生物炭與地下水中硝酸鹽氮反應10 min后，去除率和吸附量分別為86.47%和0.431 5 mg/g，是原椰殼生物炭對硝酸鹽氮吸附量的4.3倍；鐵炭比為0.98的改性生物炭與地下水中硝酸鹽氮反應10 min后，去除率和吸附量分別為83.27%和0.415 5 mg/g，是原椰殼生物炭對硝酸鹽氮吸附量的4.2倍。

圖4 不同反應時間下生物炭對地下水中硝酸鹽氮的去除率和吸附量

2.5 地下水溫度對改性生物炭吸附硝酸鹽氮的影響

投加上述篩選出的生物炭，探究地下水溫度分別為21、25、30、35、40 ℃時對地下水中硝酸鹽氮的吸附效果，具體結果如圖5所示。從圖中可以明顯看出，鐵炭比為0.28的改性生物炭在地下水溶液初始溫度為21 ℃時，對硝酸鹽氮的去除率最高，達到81.38%；鐵炭比為0.98的改性生物炭在地下水溶液初始溫度為21 ℃時，對硝酸鹽氮的去除率最高，達到80.87%。雖然隨著地下水溶液初始溫度上升，改性生物炭對硝酸鹽氮的去除率逐漸降低。

圖5 地下水初始溫度對改性生物炭吸附硝酸鹽氮的影響

2.6 改性生物炭的表征結果

通過XRF分析儀測定，可以看出生物炭的表面元素組成和含量，3種生物炭都有很高的C含量，未改性生物炭中含有豐富的N、O、Ca、Sr等元素；改性生物炭具有豐富的Cl、Fe、Ca、Sr等元素，其中鐵炭比為0.98的改性生物炭的鐵元素含量大于鐵炭比為0.28的改性生物炭，符合改性生物炭的改性條件。

3 結語

3.1 最佳未改性生物炭的篩選

通過研究未改性生物炭(小麥秸稈、木屑和椰殼生物炭)對地下水中硝酸鹽氮的吸附效果，得出椰殼、小麥秸稈和木屑生物炭吸附地下水中硝酸鹽氮后剩余硝酸鹽氮含量分別為9.7、15.28和25.62 mg/L。因此，椰殼生物炭對地下水中硝酸鹽氮的吸附效果最佳。

3.2 改性生物炭吸附地下水中硝酸鹽氮的最佳組合條件

結果表明：當鐵炭比為0.28的改性的椰殼生物炭吸附效果最佳。當水溫為21 ℃時，投加20 g/L的改性生物炭與地下水中硝酸鹽氮反應10 min，對硝酸鹽氮去除率達到最佳，為81.38%。

3.3 生物炭的表征

通過對原椰殼生物炭、鐵炭比為0.28和0.98的改性生物炭進行X射線熒光光譜分析，鐵炭比分別為0.28和0.98的改性生物炭的氯元素和鐵元素含量大于未改性的生物炭，氯元素由0.04%分別提高到1.92%和3.25%，鐵元素由0.04%分別提高到1.04%和1.45%，符合改性生物炭經過鹽酸酸洗和鐵離子改性的條件，符合實驗結果。