生物炭对废水中氮磷的吸附效果研究

李敭

摘要：指出了我国地下水、地袁水富营养化情况严重，而造成水体富营养化的主要原因是氮磷污染，其常用的去除方法是吸附法。而我国化肥利用率低下，在施用过程中也多存在不合理的现象，氮肥磷肥的流失率很高，极容易造成地下水、地表水氮磷污染的环境问题。且我国农业废弃物秸秆的产量较大，并且仍存在露天焚烧的情况，不仅污染大气环境，加剧温室效应，也是资源的浪费。以小麦秸秆、玉米秸秆为原料在一定条件下制备成生物炭为基础，探讨了不同类型生物炭对水体中氮磷的吸附性能.并分析了其实际应用价值。

关键词：生物炭;氨氮;总磷;吸附

中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0142-02

1研究背景和意义

1.1生物炭特性

生物炭（biochar）种类很多，常见的有秸秆炭、木质炭、草炭等，一般是指在完全缺氧或限氧的条件下，秸秆、木材、动物粪便等生物质材料，经高温热解（通常温度控制在700℃以下）产生的一种含碳素的固态物质。

生物炭是一种具有高度芳香化结构的物质，外层是因含有不同的羧基和酚基官能团，而形成的富氧结构，其生物化学稳定性和热稳定性均较高雎]。生物炭的比表面积和孔隙度较大，孔隙大小不一，纳米到微米不等，羧基、酚羟基、羰基、内酯、吡喃酮、酸酐等是生物炭的主要基团，这些孔隙结构和基团的存在，使得生物炭具有良好的吸附能力，能吸附水、土壤或沉积物中的无机离子（Cu²⁺，pb²⁺、Hg²⁺等）以及极性或非极性有机化合物，因此生物炭具有对污染物强烈的吸附作用，不仅能吸附土壤和水体中的重金属，也可以吸附土壤和水体中的有机和无机污染物。化学性质上生物炭芳香化和羧酸酯化程度较高，除了含有多环芳烃、脂肪族化合物等有机碳外，还有钙、镁等矿物质、无机碳酸盐等，因此生物炭具有较强的热稳定性及抗生物分解能力。生物炭难溶于水，同时又有较强的吸附能力，生物稳定性强，抗氧化等特性，使得其在土壤改良、减少温室气体排放以及环境污染修复等方面具有潜在功效。在工业、农业、能源、环境等领域均有较为广泛的应用。

1.2氮磷污染現状

我国化肥生产量和消费量常年居世界前列，其施用方法、施用量、施用时间也多存在不合理的现象，使得肥料的利用率低下，如氮肥的利用率为30%左右，磷肥仅为10%～20%，而全国范围内的氮肥损失率已达到60%，而这些大量的未被利用的养分通过淋溶或地表径流等方式进入水体，造成地下水系和地表水系的水体污染。

有研究认为，我国将近1/2比例的地下水、地表水有富营养化的问题，在污染较为严重的地区，农业面源污染流失出来的大量的氮磷等营养物质，是造成富营养化等严重环境问题的主要因素。而随着目前日益增加的高氮磷化肥的用量，这种环境问题势必会变得越来越严重。众所周知，水体富营养化的主要危害体现在水中的藻类疯长，水中DO迅速消耗，这就造成水环境的大面积缺氧，随之产生的就是水生动物的大面积死亡，水体功能丧失。

水体中磷的存在形态有溶解态、颗粒态、胶体态磷3种，含磷化合物有正磷酸盐、聚合磷酸盐、有机磷，一部分为水体自然含有的成分（正磷酸盐、聚合磷酸盐），大部分则来源于生活污水和农业、工业废水的排放。目前对于水体中磷酸盐的去除方法主要包括生物法、离子交换法、化学凝聚法、结晶法、吸附法等。吸附法是根据多孔吸附材料的多孔性能和巨大的比表面积来实现对水中磷酸根的吸附，达到去除磷素的效果。常用的吸附剂有活性炭、黏土类矿物等。同时吸附法除磷由于工艺简单、材料来源广泛等优点，越来越受到重视。

能作为水中氮素、磷素吸附剂需要满足吸附容量大、速度快、对吸附溶液选择性强、不会溶出有毒有害物质、吸附剂原料廉价且可再生的条件。而生物炭的特性在此项研究中具有绝对的优势。

1.3研究目的及意义

农业废弃物的浪费是我国很严重的问题，我国每年产生大量的农业秸秆，而这些秸秆大多都被露天焚烧，这不仅浪费了生物质资源的行为，也破坏土壤结构，并且导致了环境的污染。若将这些秸秆制备成生物炭，不仅有利于推进二氧化碳的减排从而缓解温室效应，也是一种很好的资源再利用的方式。因此利用秸秆制备生物炭在水体氮磷污染治理的问题上具有非常重要的研究意义。

2材料与方法

2.1 供试材料

2.1.1生物炭的制备

本试验中生物炭的制备采用限氧升温炭化法，具体操作为：分别将经前处理干燥的秸秆生物质分别放入洗净干燥的反应容器中，密封压实后置于马弗炉中，设置马弗炉升温程序进行热解反应，待反应完成自然冷却至室温后取出。制得的生物炭粉碎，过120目筛子，放入磨口瓶，置于干燥器中保存备用。

本试验主要采用小麦和玉米两种秸秆制备生物炭，用马弗炉在以10℃/min升温至500℃并保持，2h条件下烧制而成，秸秆生物炭经粉碎机粉碎，过100目筛，至于70℃烘箱中充分干燥，冷却后放在干燥器中备用。分别标记为小麦生物炭（MC）和玉米生物炭（YC）。

2.1.2水样

本试验采用对实验室土柱进行模拟降水的淋溶处理过程中，收集的淋溶液作为试验用原水样。

2.2试验方法

本实验采用实验室土柱土壤淋溶液作为原污水，取土柱淋溶液淋溶液两份各100mL于离心管中，检测其氨氮浓度为5.59mg/L，总磷浓度为0.353mg/L，分别加入1g小麦生物炭和1g玉米生物炭，标记为1#和2#。25℃条件下，150r/min恒温振荡2h，取出后经0.22um孔径滤膜过滤。对滤液进行氨氮、总磷浓度检测，数据结果如表1。

2.3结果与讨论

由以上试验数据结果显示，在添加1g小麦和玉米秸秆生物炭的情况下，对水中氨氮的去除效果均比较明显，其中玉米秸秆生物炭的去除率略高于小麦秸秆生物炭（16%），达到了31%。而对水中总磷的去除率均不理想，小麦秸秆生物炭基本没有去除效果，而玉米秸秆生物炭对水中总磷有较低的去除率，仅为13%。

分析整个试验过程，认为出现这种结果的原因主要在以下几个方面。

（1）本试验两种生物炭对于磷素的吸附效果并不理想，这主要是由于秸秆生物炭对于磷素的吸附主要是物理吸附，吸附效果不稳定，极容易解吸，使磷素重新回到水中。因此认为本试验所采用的两种秸秆生物炭并不是处理水中磷污染的最佳吸附材料。

（2）本试验两种生物炭对于氨氮的吸附效果较为明显，但处理率仍不算高，达不到污水处理的标准。并且由于本试验中所用的生物炭种类大多含有较多的阳离子，对NH4⁺的吸附仍有一定的限制。

（3）本试验只采用了一种生物炭添加剂量，未分析生物炭低或高添加量对于水中氮磷吸附能力的变化，可能试验中所采用的添加剂量并非最佳处理剂量。

3结论

（1）小麦秸秆生物炭对水中氨氮有一定的去除效果，但处理率不高。玉米秸秆生物炭对水中氨氮的去除率略高。说明在本试验条件下，玉米秸秆生物炭更适合污水的氨氮处理，但处理率仍需提高。

（2）本试验中，小麦秸秆生物炭对水中磷素污染几乎没有去除效果。玉米秸秆生物炭对水中磷素污染有较低的去除率，远不能达到污水处理标准。说明小麦秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭的理化性质不利于水中磷素的吸附，这可能是由于本试验采用的两种秸秆生物炭对磷素的吸附原理主要是物理吸附。

（3）综合来看，本试验中对水中氮磷污染的控制效果较好的生物炭类型为玉米秸秆生物炭，但是否能达到污水处理标准，仍需进一步研究。

4展望

（1）在现有生物炭对水中氨氮污染吸附能力未能达到较高水平，以及对于水中磷素污染的吸附效果甚微的情况下，后续试验可考虑对生物炭进行改性处理，提高其吸附效果，使其能真正应用于水氮磷污染的治理中。

（2）本试验对生物炭的添加剂量只考虑了一种情况，后续试验也可尝试增加不同生物炭添加量的处理，找到生物炭处理水中氮磷污染的最佳添加量，以提高处理效果。