時間和溫度對活性炭吸附沼液中銨態氮和有效磷的影響

張 振，馬留威，李連豪，姬 祥，李宗鵬，韓 碩

(1.河南農業大學 機電工程學院，鄭州 450000；2.鄭州西亞斯學院，河南 新鄭 451100)

0 引言

近年來，規模化畜禽養殖業的快速發展產生了大量糞便，大中型沼氣工程的廣泛應用有效解決了養殖業產生的糞污排放。從2010—2020年的十年間，中國已建成的大中小型沼氣從50 000處增加到130 000處[1]，沼氣年產量由155億m3增加到440億m3[2]，沼氣工程和沼氣年產量增長率分別為260%和283%[3]。由數據可知，沼氣工程建設數量越來越多，規模越來越擴大，產生的沼液數量也在逐年增加[4-5]。沼液中含有大量微量元素和有機物，是一種良好的有機肥料[6]，如果未經處理直接排放，不僅造成資源的巨大浪費，同時也對河流和土地產生難以修復的污染，產生農業面源污染[7]。目前，沼液的處理方式有沼液凈化處理、沼液循環利用繼續發酵和沼液貯存回田等[8-10]。沼液凈化處理目前采取的工藝和傳統污水處理大致相同，需要消耗大量成本且浪費了巨大的沼液資源；沼液循環利用在沼氣工程中雖然減少了用水量，減少沼液排放，但是對沼氣的產氣量卻有一定抑制作用[11-12]；沼液貯存回田可以減少化肥施加、改良土壤和提升農產品品質等[13]，但需要大量貯存場地。目前，大中型沼氣工程多選址在養殖企業附近，閑置土地數量少，就近還田難度大[14]，如果進行遠距離運輸，就會增加成本，所以，對比沼液處理不同方式的優缺點，找出一種低成本高效的沼液處理方式，用來解決大中型沼氣建設和解決農業面源污染等問題。

具有較強吸附能力和成本低廉的活性炭從20世紀60年代開始被國內用來吸附臭味和處理污水[15]。近年來，國內對活性炭的結構改良和吸附作用一直在不斷研究，但是對活性炭吸附沼液中銨態氮和有效磷的研究不多。基于活性炭較強的吸附能力，沼液中又存在銨態氮和有效磷等農作物生長所必需的營養物質，以活性炭和沼液為研究對象，研究在不同溫度下，活性炭對沼液中銨態氮和有效磷的吸附效果，以降低沼氣工程中沼液處理成本，為有機肥生產制造提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 沼液樣品

沼液樣品選用駐馬店汝南中型養殖場配套沼氣工程生產的沼液，顏色為棕黃色，刺鼻性氣味，沼液原液中銨態氮含量為252 mg·L-1，有效磷含量為39.8 mg·L-1。

1.1.2 活性炭

活性炭由水熱制炭工藝制備，由高級煤制活性炭粉中添加高碘值農業廢棄物活性炭粉制成，碘吸附值600 mg·g-1，黑色蜂窩塊狀，尺寸100 mm×100 mm×100 mm，方孔孔徑1.5 mm×1.5 mm，單塊重量790 g。

1.2 方法

取直筒圓柱形玻璃瓶(直徑20 cm，高20 cm)，加入沼液原液3.5 L，覆蓋保鮮膜放入恒溫培養箱中，恒溫培養箱溫度設置25 ℃，待玻璃瓶中沼液溫度穩定在設置溫度時，放入活性炭做吸附試驗，依次在0.5 h，1.5 h，3 h，6 h，9 h，12 h，24 h，48 h后通過注射器取玻璃瓶中樣品50 mL，共8組，選用0.45×2.5白色有機系過濾器對取樣樣品過濾稀釋到20倍和60倍，20倍測有效磷含量，60倍測銨態氮含量，然后分別將培養箱溫度設置為30 ℃、40 ℃、50 ℃，重復進行實驗，分析每次取樣樣品中有效磷和銨態氮的濃度，對比不同溫度條件下活性炭的吸附效果。

1.3 分析項目

1.3.1 銨態氮和有效磷濃度測定

沼液中銨態氮和有效磷的成分測量采用擾動擴散流動分析法，儀器選用IRFA-6000全自動集成反應生物有效態氮磷分析儀(圖1)，測試原理是將過濾稀釋后的沼液樣品和配置好的定量試劑通過糯動泵將混合之后的溶液在反應腔中充分發生化學反應，經過光電探測裝置檢測，最后得到沼液樣品中銨態氮和有效磷的濃度[16]。

圖1 IRFA-6000全自動集成反應生物有效態氮磷分析儀

1.3.2 數據分析

測得不同時間溫度下樣品中銨態氮和有效磷的濃度后，活性炭對沼液的吸附量qe和吸附率q計算公式如式(1)(2)所示[17]

(1)

(2)

式中qe—活性炭對沼液的吸附量，mg·g-1；

q—活性炭對沼液的吸附率，%；

C0—起始濃度，mg·L-1；

Ce—平衡濃度，mg·L-1；

V—沼液體積，L；

m—活性炭質量，g。

2 結果與分析

活性炭吸附量和吸附率不僅受活性炭的組成成分、形狀和添加量等自身條件的影響，而且還受溶液濃度、pH、溫度等外部條件的影響[18-19]，活性炭對沼液中銨態氮和有效磷具有吸附作用，經過分析儀檢測樣品，沼液中銨態氮和有效磷濃度如表1、表2所示。

表1 不同溫度下沼液樣品中銨態氮濃度 單位：mg·L-1

表2 不同溫度下沼液樣品中有效磷濃度 單位：mg·L-1

續表2

2.1 時間對活性炭吸附的影響

活性炭對沼液中銨態氮和有效磷的吸附量可以通過公式(1)進行計算，計算結果如表3、表4所示。

表3 不同時間下活性炭對沼液樣品中銨態氮的吸附量 單位：mg·g-1

表4 不同時間下活性炭對沼液樣品中有效磷的吸附量 單位：mg·g-1

分析表3、表4可知，活性炭放入后在48 h吸附時間內，不同溫度下，銨態氮的最大吸附量均在0.5 h，有效磷的最大吸附量在40 ℃情況下最佳，集中在1.5 h，活性炭對銨態氮的吸附能力大于有效磷。

2.2 溫度對活性炭吸附的影響

活性炭吸附過程是一個放熱過程，在一定溫度范圍內，活性炭吸附率可能隨著溫度的升高而受到抑制[20]，同時隨著溫度的上升，有機物的溶解度也會上升，所以活性炭對沼液中銨態氮和有效磷的吸附將會是一個動態平衡的狀態[21]。活性炭對沼液中銨態氮和有效磷的吸附率可以通過公式(2)進行計算，計算后得到圖2、圖3。

圖2 溫度對活性炭吸附沼液中銨態氮的影響

圖3 溫度對活性炭吸附沼液中有效磷的影響

由圖2可知，活性炭吸附沼液中銨態氮時，溫度的升高會對活性炭的吸附起到抑制作用，在40 ℃的條件下，吸附率最低為8.86%，對活性炭的吸附抑制最強。

由圖3可知，活性炭吸附沼液中有效磷時，初始時不同的溫度對活性炭的吸附影響作用比較小，在40 ℃的條件下，活性炭吸附率波動較大的同時吸附率在1.5 h時達到最大，為46.26%，在50 ℃條件下，活性炭在48 h的吸附量開始上升，由于試驗在48 h停止，沒有繼續進行，所以對吸附量的突然上升不確定是否為偶然現象。

3 結論

活性炭對沼液中銨態氮和有效磷具有吸附作用，在48 h的吸附時間內，活性炭在0.5 h能夠吸附大量的銨態氮，之后吸附效果逐漸下降，在1.5 h能夠吸附大量的有效磷，之后吸附速率逐漸降低，在四組溫度條件下，25 ℃和40 ℃分別是活性炭吸附銨態氮和有效磷的最佳溫度。活性炭成本低廉，對沼液的吸附不需要添加其他化學原料，可用于大中型沼氣工程處理沼液，吸附后可粉碎回田用作有機肥，起到增加農產品品質改良土壤，降低大中型沼氣工程處理沼液的負擔，同時又具有良好的經濟效益，對沼氣工程的可持續發展和降低農業面源污染均起到積極的作用。