不同温度下纳米生物炭对农村分散式养殖废水净化效果研究

才 硕，张 丽，时 红,3*，文阳平，黄纯轮，姜成名，陈 昱

(1.江西省灌溉试验中心站 江西省高效节水与面源污染防治重点实验室，江西 南昌 330201；2.江西农业大学，江西 南昌 330045；3.东华理工大学，江西 南昌 330013)

分散型养殖是我国畜禽养殖的重要组成部分，与规模化集约养殖相比，其规模小且较为分散，大部分分散在农村地区，污染治理方式相对落后，排放的养殖废水对农村生态环境安全造成巨大的影响[1-2]。如何正确防治分散式养殖产生的污染问题，已成为改善农村水环境质量的首要任务。

纳米生物炭主要来源于天然矿物、农林生物废弃物、天然大分子有机质、中草药成分，具有强大的吸附功能、螯合和催化能力。因其具有较大的比表面积、价格低廉、环境友好[3]，在固炭循环减排[4]、改善土壤肥力[5-8]、重金属吸附[9]、环境治理[10-12]等领域取得了一定的效果，成为环保领域的研究热点。

目前，生物炭吸附技术逐渐应用于污水处理领域，其应用研究引起了科技人员的广泛关注[13-14]。但以往的研究主要集中在生物炭制备的原料种类[15-17]、裂解温度[18-20]等方面，而关于环境温度对生物炭吸附效果的研究鲜有报道。本文以纳米生物炭为试验材料，开展了不同温度对养猪废水污染物净化效果研究，以期为生物炭在农村畜禽养殖废水净化处理提供科学参考，以及为畜禽养殖行业长期良性发展提供技术保障。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为纳米生物炭，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矿石粉(蒙脱石、钙石粉、膨润土等)等物质组成。

1.2 试验方法

试验于2019年1月在江西省灌溉试验中心站研究基地进行。共设置6组控制温度，分别为10、15、20、25、30、35 ℃，分别以T1、T2、T3、T4、T5、T6表示，每组控制温度下分别设置纳米生物炭处理和不处理的空白对照。试验时，将取回的新鲜养殖废水搅拌、静置、过滤后，分别量取5 L加入到规格为20 L的PE塑料收纳箱中，收纳箱分别放置在6个加热板上加热，加热过程中用玻璃棒不断搅动，待温度均达到设定温度时，分别向纳米生物炭处理的塑料收纳箱中加入等量纳米生物活性炭200 g，并分别于投料前(0 d)和投料后1、2、3、4、5、6、7 d采集水样，样品采集统一在早上8：00进行。取样时，用100 mL取样瓶取样，取样前轻微搅动废水，静置一段时间后取样。取样后待其冷却至室温后，将试样分梯度稀释先取10.0 mL原液，稀释至100.0 mL；再取经稀释10倍的试样10.0 mL，稀释至100.0 mL，后续水质指标检测均使用稀释100倍后的试样。

1.3 测定指标与方法

检测指标主要包括化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)，养殖废水水质指标测定参照《水和废水监测分析方法》[21]，水质检测方法采用相关的国家标准(表1)。

1.4 数据计算与统计方法

通过废液初始污染物浓度与每次取样后测定的污染物浓度的差值，可以计算出稀释100倍后样品，纳米生物炭对污染物的吸附量。各个指标的检测结果使用Excel 2007软件进行数据处理分析。

表1 废水水质指标的测定方法

吸附量Q(mg/g)的计算公式：

式中，C0：投料前样品的初始浓度，单位为mg/L；C1为投料后取样污染物浓度，单位为mg/L；V为养猪废水溶液体积，单位为L；M为纳米生物炭的投加质量，单位为g。

试验数据用Excel 2003软件进行整理，并运用SPSS 17.0软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 养殖废水的污染特征分析

供试的畜禽养殖废水来自于江西省南昌县向塘镇河头村一个生猪养殖场，该猪场养殖规模为500头左右，属农村分散式养猪场。废水主要包括猪粪尿和猪场冲洗水，测得废水原液COD浓度值为2519.60 mg/L，约12.5倍于农田灌溉标准值(200 mg/L)；NH3-N浓度值为886.90 mg/L，约11倍于污染物排放标准值；TP浓度值为132.60 mg/L，近16.6倍于污染物排放标准值(表2)。养猪废水水质均远远超过了《畜禽养殖业污染排放标准》(GB 18596─2001)[22]和《农田灌溉水质标准》(GB 5084─2005)[23]的安全排放标准，不论是直接排放还是用于农田灌溉，都会造成环境污染，甚至影响到饮用水水质或农产品质量的安全，因此有必要对其进行深度净化处理。

表2 养殖废水水质与污染物排放标准及农田灌溉水质标准比较分析 mg/L

2.2 不同温度下纳米生物炭对养殖废水COD的吸附效果

COD在一定程度上可以代表养殖废水中有机物的含量，是污水处理的一个重要指标。由图1可以看出，在不同温度下，纳米生物炭对COD的吸附量均随处理时间的增加而增加，T1～T6处理的最大吸附量均为处理后第7天，分别为37.61、37.18、39.09、47.84、53.74、59.42 mg/g，较第1天分别增加216.05%、169.62%、212.72%、228.35%、225.89%、266.11%。在不同温度下，纳米生物炭对COD的吸附能力从第2天开始明显增强，且之后的几天内，不同温度处理对COD的吸附量均以T1、T2、T3处理较低，T4、T5、T6处理较高，且以T6处理最高。可见，在35 ℃内，温度升高有利于提高纳米生物炭对COD的吸附能力，且当温度超过20 ℃时效果更为明显，其最佳吸附效果的控制温度为35 ℃。

图1 不同温度下COD吸附量的动态变化

2.3 不同温度下纳米生物炭对养殖废水NH3-N的吸附效果

前人针对生物炭对养殖废水NH3-N的吸附效果进行了大量的研究，Yan等[24]研究表明：生物炭对NH3-N吸附量为2.19 mg/g；张文艺等[25]采用经NaCl改性的沸石对养殖废液进行吸附处理，NH3-N的最大吸附量为1.43 mg/g；Yu等[26]研究发现，经KOH活化的生物炭对养猪废液中NH3-N的吸附量可达26.82 mg/g。可见，在不同试验的条件下，生物炭对养殖废水氨氮的吸附效果存在一定差异。杨圣舒等[15]研究表明，在环境温度为25 ℃时，生物炭对NH3-N的吸附可自发进行，且总吸附量的75%均在前30 min进行，4 h达到吸附平衡，然而低于或高于25 ℃的吸附效果如何还有待于进一步研究。

本研究结果表明(图2)，在不同温度条件下，纳米生物炭对NH3-N的吸附量均随处理时间的增加而增加，T1～T6的吸附效果均在处理后第7天达到最大，最大吸附量分别为9.01、8.48、9.03、13.47、15.80、16.28 mg/g，较第1天的吸附量分别提高51.85%、44.46%、54.98%、91.06%、103.87%、101.99%。温度对纳米生物炭NH3-N的吸附在处理后的第1天便产生显著效果，T4、T5、T6的吸附量明显高于T1、T2、T3；但在处理第2天后。T1、T2、T3的吸附效果逐渐趋于稳定且彼此间差异不大，而T4、T5、T6则始终表现出较强的吸附能力，尤以T6处理的吸附效果最佳。说明纳米生物炭对NH3-N的吸附效果在T4～T6的温度条件下明显好于T1～T3，且以35 ℃处理7 d的吸附效果最好。

图2 不同温度下NH3-N吸附量的动态变化

2.4 不同温度下纳米生物炭对养殖废水TN的吸附效果

从图3可以看出，在不同温度条件下，纳米生物炭对TN的吸附量均随处理时间的增加而增加，各处理的TN最大吸附量以T6处理最高，为18.98 mg/g，分别较T1～T5增加54.94%、56.99%、40.07%、11.84%、1.23%；各处理的TN最大吸附量较第1天的吸附量增幅最大的为T6处理，增幅达到181.19%。从纳米生物炭处理1～7 d的总体效果来看，T3、T4、T5、T6的吸附量明显高于T1、T2，在处理第3天后，T4、T5、T6的吸附能力持续增强，而T1、T2、T3则趋于稳定。

图3 不同温度下TN吸附量的动态变化

2.5 不同温度下纳米生物炭对养殖废水TP的吸附效果

磷是衡量水体富营养化的一个重要指标，且相对氮素而言，其去除难度更大。Yan等[24]研究表明，生物炭对TP吸附量为0.5 mg/g；张文艺等[25]研究认为TN的最大吸附量为0.16 mg/g；Estevez等[27]研究发现TP的去除率为40%～50%。本研究结果表明(图4)，纳米生物炭对TP的吸附效果相对较差，这与孙丽丽等[3]的研究结果一致，但不同温度对TP的吸附效果仍有一定的影响。在纳米生物炭理后第1天，在不同温度条件下TP的吸附量随温度的升高而升高，且处理间差异较大，吸附量较低的T1和T2处理分别较最高的T6处理低75.68%和71.62%。不同处理的TP吸附量均随处理时间的增加而增大，T1～T6的最大吸附量均为处理后第7天，分别为0.52、0.50、0.60、0.87、0.86、0.88 mg/g，与处理后第1天相比，T1和T2处理的吸附量随时间延长而变化较大(增幅分别为188.89%、138.10%)，而T3、T4、T5、T6处理的变化不大(增幅分别为11.11、27.00、24.28、18.92%)。可见，为确保纳米生物炭对养殖废水中TP的吸附效果，在环境温度低于20 ℃时应适当延长的处理时间，当温度高于20 ℃时则可适当缩短处理时间。

图4 不同温度下TP吸附量的动态变化

2.6 纳米生物炭吸附能力与温度及处理时间的相关分析

从表3可以看出，纳米生物炭对吸附效果与温度和处理时间密切相关。当纳米生物炭吸附量达到最大时，COD、NH3-N、TN、TP的吸附量与温度呈极显著正相关，相关系数分别为0.955、0.930、0.957、0.915；当环境温度为35 ℃时，COD、NH3-N、TN、TP的吸附量与处理时间呈极显著正相关，相关系数分别为0.967、0.965、0.971、0.960。

3 结论

纳米生物炭对畜禽养殖废水的吸附净化效果与温度和处理时间呈极显著正相关，其吸附效果随温度和处理时间的增加而增强，COD、NH3-N、TN、TP的最大吸附量为35 ℃处理后的第7天，分别为59.42、16.28、18.98、0.88 mg/g；当环境温度超过20 ℃时，纳米生物炭对COD、NH3-N、TN的吸附效果随处理时间的增加而明显增强，而TP的吸附效果则随处理时间的变化不大，但受初始温度影响较大。综合考虑，纳米生物炭净化畜禽养殖废水的适宜温度为20～35 ℃。

表3 单项吸附指标与环境温度、处理时间的相关关系