生物炭对人工快渗系统氨氮去除的影响研究

2022-09-23李晓媛林华峰刘浩霖陆一新

成都工业学院学报 2022年3期

陈佼，李晓媛，刘欢，林华峰，刘浩霖，黄雯，陆一新

(1.成都工业学院材料与环境工程学院，成都 611730；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756)

人工快渗(Constructed Rapid Infiltration，CRI)系统克服了传统污水土地处理系统的缺陷，采用渗透性能更好的天然或人工介质作为滤料，其工艺流程简单、基建费用低、水力负荷高，既适用于村镇分散生活污水的处理，又适用于富营养化湖水、受污染河流水等地表水的处理[1-3]。脱氮是污水处理中最为关键的一环，而滤料作为CRI系统最核心的构成部分，不适当的配置会对最终的脱氮效果带来负面影响[4]。因此，探寻能进一步提高CRI系统脱氮效率的滤料类型和配置方式具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行条件

图1是采用聚氯乙烯(PVC)材料制成的2个CRI反应器，分别编号R1、R2，均柱高130.0 cm，上方设有布水器，由上往下依次设置布水层(不做任何填充)、缓冲层(砾石填充，粒径0.5～1.0 cm)、滤料层、承托层(砾石填充，粒径0.5～1.0 cm)，高分别为20.0，5.0，100.0，5.0 cm，内径为7.0 cm，布水器设置在布水层上方，总出水口设置在承托层底部。自上而下每隔20 cm滤料层设置一个沿程出水口，分别标记为S1～S5。R1、R2的运行条件、进水水质相同，区别在于系统内滤料的构成和组分比例不同，具体为：R1滤料层采用粒径均为0.5～1.0 mm的天然河砂、沸石砂、大理石砂均匀混合而成，体积比为7∶2∶1；R2滤料层混入了生物炭，天然河砂、沸石砂、大理石砂、生物炭体积比为7∶1∶1∶1。通过计量泵控制布水量，继电器控制布水时间。运行阶段温度为(25±5) ℃，按2周期/d、12 h/周期的方式循环运行，其中淹水、落干时间分别为3，9 h，水力负荷q为1.0 m/d。

图1 CRI反应器实验装置图

1.2 实验用水及接种污泥

1.3 实验方案

1)生物炭的制备

选取从养殖场采集的废弃羊粪、兔粪和猪粪，采用限氧热解法制备粪基生物炭[9]。挑除粪便中的泥土、草叶等杂质后，在85 ℃下烘干24 h，粉碎过80目筛。取适量筛出物置于坩埚内压实、密闭，置于马弗炉内以20 ℃/min的升温梯度加热到500 ℃后恒温2 h。待冷却至室温后，依照固液比(m∶V)1∶20加入1.0 mol/L HCl，于25 ℃、150 r/min条件下振荡3次，每次30 min以去除灰分。结束后，用去离子水反复清洗滤渣直至上清液呈中性状态，在100 ℃烘箱烘干48 h，冷却后过100目筛，即制得羊粪、兔粪和猪粪生物炭，依次标记为SMB500、RMB500和PMB500。

2)生物炭对氨氮的吸附效果

3)生物炭对氨氮去除的影响

1.4 分析方法

(1)

(2)

式中：k为与S0，q相关的系数；α为与S0相关的系数；β为与q相关的系数。

(3)

2 结果与讨论

2.1 生物炭的结构特征

SMB500、RMB500和PMB500的元素组成分析结果如表1所示。从表1可知，SMB500的灰分、C、O、N含量均高于RMB500、PMB500。通常而言，根据H/C原子比可以判断生物炭的碳化水平和芳香性，H/C原子比越低，则说明生物炭的碳化水平和芳香性越高，当H/C原子比小于0.6时，表明生物炭具有较高的生化稳定性[12]；根据O/C原子比可以判断生物炭的极性，O/C原子比越高，则说明生物炭的极性越强[13，14]。SMB500的H/C原子比低于RMB500、PMB500，而O/C原子比高于RMB500、PMB500，可见相比其他2种粪基生物炭，SMB500的碳化水平更高，芳香性和极性更强。

表1 生物炭的元素组成

生物炭BET分析结果如表2所示。由表2可知，SMB500的比表面积分别比RMB500、PMB500高6.59，11.02倍，总孔容分别比RMB500、PMB500高3.20，5.88倍，平均孔径分别比RMB500、PMB500高0.16，0.37倍。由此可见，SMB500拥有更大的比表面积和更丰富的孔隙结构。