地下水中硝酸盐氮处理技术

于晓梅，李阳，马艳飞(山东理工大学，山东 淄博 255000)

0 引言

我国当前的饮用水结构中，地下水占总供水量的20%，工业用水量的38%，农田灌溉水量的40%，饮用水供水量的70%。如今地下水资源超采与污染严重等现象成为影响地下水质量的主要因素，并且随着农业生产的快速发展，由于硝态氮引发的地下水污染问题已经成为全世界关注的环境问题[1-2]。人们长期饮用的水源中若含大量硝酸盐或亚硝酸盐，会使智力下降，如果儿童经常饮用此类水，会使其视觉与听觉的反应相对会比较迟缓。部分研究者认为饮用水中含大量的硝酸盐与甲状腺功能亢进、高血压、糖尿病之间也有一定的关联。李勤等[3]通过水蒸气活化的方法来制备玉米芯活性炭，对亚甲基蓝的吸附性能显著。Angin等[4]采用红花籽壳作为生物炭原材料，以ZnCl2为活化剂制备生物炭。吸附法可以有效地去除污染水体中的硝酸盐，而生物炭作为吸附材料，既经济又环保，并且改性生物炭可以大大提高对硝酸盐氮的吸附效果。本实验研究了改性生物炭对地下水中硝酸盐氮的处理效果。

1 实验内容

1.1 实验方法

本实验主要研究改性生物炭对地下水中硝酸盐氮的吸附效果。首先对未改性生物炭(小麦秸秆、木屑、椰壳生物炭)进行筛选，确定最佳的未改性生物炭；然后通过改变实验条件，研究改性生物炭吸附地下水中硝酸盐氮的影响因素：铁炭比、投加量、反应时间、温度，最终确定改性生物炭吸附地下水中硝酸盐氮的最佳组合。

1.2 改性生物炭的表征

通过XRF分析仪测定，原椰壳生物炭、铁炭比为0.28和0.98的改性生物炭中除氢以外的元素组成和含量。

2 结果与讨论

2.1 未改性生物炭的筛选

本实验研究未改性生物炭(小麦秸秆、木屑和椰壳生物炭)对地下水中硝酸盐氮的吸附效果，最终结果如图1所示。图1可以明显看出椰壳生物炭对地下水中硝酸盐氮的吸附性能最好，小麦秸秆生物炭次之，木屑生物炭对地下水中硝酸盐氮的吸附性能最差。因此，确定最佳未改性生物炭为椰壳生物炭。

图1 不同的生物炭对地下水中硝酸盐氮吸附性能比较

2.2 铁炭比对改性生物炭吸附硝酸盐氮的影响

实验中设Fe3+与生物炭的质量比值分别为0、0.140、0.280、0.448、0.700、0.840、0.980共7个梯度，制备7种改性炭。通过等式(1)计算出不同铁炭比的改性椰壳生物炭对地下水中硝酸盐氮的去除率，具体结果如图2所示。显而易见，铁炭比为0，即未改性的生物炭对地下水中硝酸盐氮的去除率最低，仅为16.56%；随着铁炭比增大，其对硝酸盐氮的去除率提高，当铁炭比为0.28时，到达峰值，其对硝酸盐氮去除率达到39.52%，是未改性生物炭去除率的2.39倍；随着铁炭比继续增大，当铁炭比为0.98时，其对地下水中硝酸盐氮的去除率达到40.08%，是未改性生物炭对硝酸盐氮去除率的2.42倍。因此最终选择铁炭比为0.28和0.98的改性椰壳生物炭进行实验研究。

图2 铁炭比对生物炭去除地下水中硝酸盐氮的影响

式中：ηe为硝酸盐氮去除率；c0为吸附前溶液中硝酸盐氮的浓度(mg/L)；ce为吸附平衡时溶液中硝酸盐氮的浓度(mg/L)。

2.3 投加量对改性生物炭吸附硝酸盐氮的影响分析

改性生物炭的投加量不同，对地下水中硝酸盐氮的去除效果也不一样。实验分别投加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，最终结果如图3所示。当椰壳生物炭的投加量增多时，其对地下水中的硝酸盐氮的去除率也在提高；当投加量为40 g/L时，铁炭比为0.28的改性生物炭的去除率达到83.61%，随着投加量继续增大，其去除率基本保持稳定；当投加量为30 g/L时，铁炭比为0.98的改性生物炭的去除率达到78.41%。

图3 投加量对改性生物炭去除地下水中硝酸盐氮的影响

2.4 反应时间对改性生物炭吸附硝酸盐氮的影响分析

在25 ℃条件下，生物炭分别于硝酸盐氮反应时间为1、2、5、10、15、20、25、30 min，最终结果如图4所示。原椰壳生物炭与地下水中硝酸盐氮反应10 min后，去除率可达20.04%；铁炭比为0.28的改性生物炭与地下水中硝酸盐氮反应10 min后，去除率和吸附量分别为86.47%和0.431 5 mg/g，是原椰壳生物炭对硝酸盐氮吸附量的4.3倍；铁炭比为0.98的改性生物炭与地下水中硝酸盐氮反应10 min后，去除率和吸附量分别为83.27%和0.415 5 mg/g，是原椰壳生物炭对硝酸盐氮吸附量的4.2倍。

图4 不同反应时间下生物炭对地下水中硝酸盐氮的去除率和吸附量

2.5 地下水温度对改性生物炭吸附硝酸盐氮的影响

投加上述筛选出的生物炭，探究地下水温度分别为21、25、30、35、40 ℃时对地下水中硝酸盐氮的吸附效果，具体结果如图5所示。从图中可以明显看出，铁炭比为0.28的改性生物炭在地下水溶液初始温度为21 ℃时，对硝酸盐氮的去除率最高，达到81.38%；铁炭比为0.98的改性生物炭在地下水溶液初始温度为21 ℃时，对硝酸盐氮的去除率最高，达到80.87%。虽然随着地下水溶液初始温度上升，改性生物炭对硝酸盐氮的去除率逐渐降低。

图5 地下水初始温度对改性生物炭吸附硝酸盐氮的影响

2.6 改性生物炭的表征结果

通过XRF分析仪测定，可以看出生物炭的表面元素组成和含量，3种生物炭都有很高的C含量，未改性生物炭中含有丰富的N、O、Ca、Sr等元素；改性生物炭具有丰富的Cl、Fe、Ca、Sr等元素，其中铁炭比为0.98的改性生物炭的铁元素含量大于铁炭比为0.28的改性生物炭，符合改性生物炭的改性条件。

3 结语

3.1 最佳未改性生物炭的筛选

通过研究未改性生物炭(小麦秸秆、木屑和椰壳生物炭)对地下水中硝酸盐氮的吸附效果，得出椰壳、小麦秸秆和木屑生物炭吸附地下水中硝酸盐氮后剩余硝酸盐氮含量分别为9.7、15.28和25.62 mg/L。因此，椰壳生物炭对地下水中硝酸盐氮的吸附效果最佳。

3.2 改性生物炭吸附地下水中硝酸盐氮的最佳组合条件

结果表明：当铁炭比为0.28的改性的椰壳生物炭吸附效果最佳。当水温为21 ℃时，投加20 g/L的改性生物炭与地下水中硝酸盐氮反应10 min，对硝酸盐氮去除率达到最佳，为81.38%。

3.3 生物炭的表征

通过对原椰壳生物炭、铁炭比为0.28和0.98的改性生物炭进行X射线荧光光谱分析，铁炭比分别为0.28和0.98的改性生物炭的氯元素和铁元素含量大于未改性的生物炭，氯元素由0.04%分别提高到1.92%和3.25%，铁元素由0.04%分别提高到1.04%和1.45%，符合改性生物炭经过盐酸酸洗和铁离子改性的条件，符合实验结果。