秸秆生物炭在污水处理中的应用

吴得意

（南昌市国昌环保科技有限公司，南昌 330000）

随着农业的发展，我国每年的农作物秸秆产量已经超过9 亿t，如果不能及时有效地进行处理和利用，将会导致严重的环境污染和资源浪费。传统的秸秆资源化利用方式虽然可以创造一定的经济效益，但是存在较低的利用效率、较高的加工成本以及较大的二次污染风险。因此，开发有效利用秸秆的新技术，实现现代农业的可持续发展，已经成为当务之急。近年来，随着秸秆生物炭的研究越来越深入，这种新型资源化利用技术已经取得巨大的进步[1-3]，它不仅可以有效减轻秸秆处理的负担，而且可以为污水处理带来全新的思路，因此已经迅速成为国际研究焦点。

1 秸秆生物炭的制备与改性方法

生物炭的原材料非常丰富，既有来自粮食作物的秸秆，也有来自经济作物的秸秆。秸秆是一种重要的原料，通常富含碳、氢、氧等元素，其中固定碳的含量可超过15%。秸秆与其他生物质（动物粪便、污泥等）按一定比例混合，可以制备生物炭。这种方法能够提高生物炭的功能性和安全性，为废弃有机物的高效利用和污水处理提供一种双赢策略，具有广阔的应用前景。

1.1 制备方法

目前，秸秆生物炭主要有两种制备方法[4-7]。一是限氧热解法，即将秸秆生物质放入特定环境中进行高温热解处理，获得生物炭。根据热解温度、升温速率以及停留时间的不同，秸秆生物质的热解方式可以分为4 类，即慢速热解、中速热解、快速热解和闪速热解。由于各类秸秆的物理性质不尽相同，其生物炭的表面特征会有所不同，如比表面积、总孔容、平均孔径和碳含量等，因此，在相同的热解条件下，各类秸秆生物炭的表现会有所差别。虽然限氧热解法能够提供较高的炭产量，但它的反应温度往往需要控制在400～900 ℃。二是水热炭化法，其无须限制秸秆生物质含水率，具有可控的废气排放量和低廉的操作成本，反应温度低，应用广泛。随着科学技术的不断发展，水热炭化法已经被证明是一种高效、可行的有机生物质再利用方法。

1.2 改性方法

为了提高综合性能，秸秆生物炭可以进行改性处理[8-10]，如物理改性、化学改性和生物改性。物理改性可以提高秸秆生物炭的吸附性能，如球磨、紫外辐射和蒸汽活化。经球磨处理，秸秆生物炭的比表面积、孔体积和孔径都得到显著增加，同时它具有更多的石墨结构，具备更强的吸附性能。另外，紫外辐射可以提高秸秆生物炭的比表面积和表面含氧官能团，进而大幅提升其对铬元素的吸附能力。化学改性可以有效地改变秸秆生物炭的性能，常用的改性剂包括酸、碱、有机试剂和金属盐等。这些改性剂可以有效地降低秸秆生物炭的灰分含量，改变其表面的元素组成、官能团分布、比表面积和孔隙结构，从而提高其性能。有机试剂改性可以改变秸秆生物炭的元素和表面官能团组成，常用的改性剂有聚乙烯亚胺、壳聚糖和戊二醇等。相比物理改性和化学改性，生物改性的优势显而易见。其改性成本较低，安全性较高，二次污染较少。此外，秸秆生物炭的孔隙结构不仅能够有效地吸附污染物，还能为微生物提供良好的繁殖环境。

2 秸秆生物炭的污水净化原理

秸秆生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，含有大量的表面官能团，这些特性使得它能够有效地吸附和去除水体中的污染物[11-12]。吸附过程主要涉及静电引力、离子交换、共沉淀、表面络合和氢键作用等机制[13-14]，从而有效地净化水体。秸秆生物炭的吸附机制受到多种因素的影响，包括原料的孔结构、元素含量和官能团。热解条件、改性方法、污染物类型和污水中的共存成分都会对吸附效果产生影响。通常，秸秆生物炭的吸附效果是多种因素共同作用的结果。秸秆生物炭可以通过微孔捕获、氢键作用等多种方式，有效地吸附氟环唑，从而实现对氟环唑的有效净化。

3 秸秆生物炭在污水处理中的具体应用

3.1 去除有机污染物

印染废水含有大量的有机染料，其生化特性较弱，组成十分复杂，使得传统的生物处理技术难以达到预期的净化效果，因此，开发一种有效的、低毒的净化技术已经成为当务之急。秸秆生物炭表面添加Fe3O4颗粒改性后，它可以更好地净化水体，减少对环境的不良影响，特别是亚甲基蓝，其最大吸附量增加2.5 倍。秸秆生物炭可以用于处理印染废水中的有机污染物，具有较高的去除率和可靠性。

3.2 去除重金属

冶金、电镀、皮革、机械加工等行业排放的废水含有大量重金属，具有较高毒性。秸秆生物炭作为一种高效的吸附材料，受到越来越多的关注，以有效地减少重金属对环境和动植物的危害。生物炭的吸附性能受到多种因素的影响，尤其是热解温度，热解温度为600 ℃时，生物炭的吸附量最高，而pH 为5.5 时，生物炭的吸附量最低。秸秆生物炭具有多种优异的吸附性能，它不仅可以单独用于重金属的去除，而且可以与其他反应体系相结合，从而大大提升净化效率。此外，秸秆生物炭具有良好的孔隙结构，使得多种微生物能够在稳定的环境中获得足够的营养，促进生长和繁殖，大大增加重金属净化效果。

3.3 去除氮磷污染物

氮和磷的过量排放导致水体的富营养化，严重危害人体健康，也破坏水生态系统的生物多样性。秸秆生物炭可以吸附废水中的氮磷污染物，改善水环境。水体的富营养化程度取决于无机氮和无机磷的含量，然而，它们具有负电荷，与带有正电荷的生物炭表面产生强烈的静电吸附，从而限制生物炭的吸附效率。常见的改性方法是将具有负电荷的物质转变为正电荷，并将其浸入到秸秆生物炭中。反应体系掺入铝和镁元素，可以有效地覆盖生物炭表面，形成吸附位点，发挥架桥作用，促进磷酸根的化学沉淀，从而提高去除率。

3.4 去除抗生素

传统的生物方法无法有效地清除废水中的抗生素，这给水环境带来严重的污染，并且给水生动植物及人类带来极大的危害。吸附法是去除废水中抗生素的有效方法。在不同的热解温度下，制备的水稻秸秆生物炭可以用于去除废水中的四环素。在700 ℃的热解温度下，水稻秸秆生物炭的吸附性能最佳。为了进一步提高去除率，在700 ℃的温度下对生物炭进行改性，改性生物炭具有更多的官能团、石墨碳结构和磁性成分。改性处理后，其对四环素的吸附量大幅提升。3.5 去除其他污染物

秸秆生物炭具有出色的净化能力，不仅可以有效吸附废水中的重金属、氮、磷和抗生素，还能够有效去除放射性核素、藻毒素、酚类、烃类和醛类等污染物。水稻秸秆生物炭热解处理后，进行硝酸氧化处理。随着废水的pH、污染物浓度和温度的变化，其对废水中铀的吸附率也会发生变化。水稻秸秆生物炭是一种理想的高效吸附剂，可以有效地从水介质中分离铀。随着研究的不断深入，秸秆生物炭作为一种高效、低成本的吸附材料，在污水处理领域的应用越来越广泛，取得显著的成效。

4 结论

秸秆生物炭具有出色的吸附性能，是一种极具潜力的环保材料，在污水处理领域得到越来越多的关注。近年来，随着制备和改性方法的不断发展，秸秆生物炭的应用范围不断扩大。秸秆生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，能够有效地吸附和去除废水中的多种污染物，从而净化水质。为了充分发挥秸秆生物炭的应用价值，更好地控制水体中的污染物，未来需要深入研究生物炭吸附技术，明确污染物吸附机理，通过改性来强化秸秆生物炭的吸附性能。必须深入研究秸秆生物炭与水环境的作用机理，明确秸秆生物炭可能带来的生态危害，寻求有效的解决方案，以提高其稳定性，减少生态风险。秸秆生物炭的原料价格较低，但其吸附饱和后的回收和再生仍然面临挑战，成本不菲。因此，有必要开发更加高效、节能的回收和再生技术，同时加强对秸秆生物炭与微生物体系或化学体系协同作用的污水处理研究，以降低应用成本，扩大应用范围。