碳化秸稈對城市生活污水中氮磷吸附效能的研究

林兵　楊新敏　李麗娜

摘 要：活性炭由于具有較大的比表面積和較強的吸附能力，常被用來吸附污水中的氮磷等物質(zhì)。該研究采用連續(xù)式回轉(zhuǎn)技術(shù)對玉米、紅麻秸稈進行碳化，利用碳化后碳粉對城市生活污水進行氮磷吸附實驗，并對不同實驗條件下2種秸稈的吸附性能進行了對比。結(jié)果表明，碳化紅麻秸稈對污水中氮磷的吸附效能大于碳化玉米秸稈，二者差異不顯著；且2種碳化秸稈對氮磷的吸附效能都隨著吸附劑投加量的增加而增大；隨著吸附時間的增加，碳化秸稈對磷的吸附效能在吸附時間為1h時達到最大，而對氮的吸附效能則在吸附時間為12h時達到最大；碳化秸稈對氮磷的吸附效能隨著pH的變化呈現(xiàn)不規(guī)則的變化趨勢，對磷的吸附效能在堿性條件下要優(yōu)于酸性條件，而對氮的吸附效能在中性條件下是最高的。

關(guān)鍵詞：碳化秸稈；氮磷吸附；城市生活污水

中圖分類號 X703 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）14-0080-03

Abstract：The activated carbon with the large specific surface area and the strong adsorption capacity is often used to absorb nitrogen and phosphorus in sewage and other substances. The straws carbonized by continuous rotary technology had been carried on in this studies in the city sewage treatment，and comparation of the adsorptivity of cornstalk with kenaf core are carried out. The results show that the adsorption rate of kenaf stalk was better than the corn straws，and the adsorption rate of two kinds of carbonized straw on nitrogen and phosphorus increased with the adsorbent adding；The adsorption rate of carbonized straw on phosphorus reached the maximum when the adsorption time is 1h，and nitrogen is 12h；the effect of the pH was complicated，the adsorption on phosphorus is better in alkaline circumstance than in acidity，nitrogen is the highest in neutral conditions.

Key words：Carbonized straw；Absorption of nitrogen and phosphorus；City sewage

生活污水中含有大量的氮、磷等營養(yǎng)元素，排入水體中會引起藻類及其他浮游生物大量生長繁殖，水中溶解氧量下降，魚類及其他生物大量死亡，造成水體富營養(yǎng)化，水質(zhì)惡化。目前，常用的脫氮除磷的方法有沉淀法[1]、混凝法[2，3]、生物法[4]與接觸法[5]等。碳化秸稈是植物秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣碳化后形成的化肥，是一種質(zhì)地疏松的熱性速效肥，除含速效鉀外，還含有磷、鈣、鐵、鎂、硫等有效養(yǎng)分[6]。秸稈碳化是將秸稈經(jīng)烘干或曬干、粉粹，然后在制碳設(shè)備中，經(jīng)干燥、干餾、冷卻等工藝，將松散的秸稈制成木炭的過程[7]。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源十分豐富，每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈總量超過6億t，其中可以作為能源利用的在3億t以上。近年來，隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高，大部分農(nóng)村地區(qū)把煤炭、液化氣等常規(guī)能源作為炊事取暖用能的首選，大量的剩余秸稈被遺棄在田間地頭付之一炬，既浪費了資源又污染了環(huán)境[8]。碳化秸稈取材方便，不僅成本低，節(jié)約資源，而且能達到以廢治廢的目的，吸附后還能為植物提供生長所需的元素。為了提高秸稈利用效率，在連續(xù)回轉(zhuǎn)式工藝條件下碳化玉米、紅麻2種秸稈，利用碳化后碳粉吸附宜春市污水處理廠生活污水中的氮磷，分別用納氏試劑分光光度法和鉬酸銨分光光度法測定吸附后污水中氮磷含量并優(yōu)化不同條件下的氮磷去除率，最后對比2種碳化秸稈的吸附性能，以期為秸稈的開發(fā)利用提供新前景。

1 材料與方法

1.1 供試材料 試驗中所用秸稈均采自當(dāng)季本地農(nóng)田，秸稈碳化采用連續(xù)回轉(zhuǎn)式的碳化工藝，在300～350℃碳化10min。試驗用生活污水取自宜春市污水處理廠，在-2℃的條件下保存，實驗前提前冷卻至室溫。

1.2 試驗方法 分別采用納氏試劑分光光度法和鉬酸銨分光光度法測污水中的氮磷，分為3種不同的實驗條件，并優(yōu)化不同條件下的氮磷去除率。

1.2.1 確定最佳投加量實驗 將不同量的碳化秸稈與污水放入離心管中，再放入電動離心機中振蕩吸附0.5h，之后離心、過濾，分別用納氏試劑分光光度法和鉬酸銨分光光度法測濾液中殘留的氨氮與磷的濃度，根據(jù)吸附去除率確定最佳投加量。

1.2.2 確定最佳吸附時間實驗 在最佳投加量的基礎(chǔ)上，將一定量的碳化秸稈與污水放入離心管中，放入電動離心機中振蕩吸附，設(shè)置不同的吸附時間，之后離心、過濾，測定氨氮與磷的濃度，計算吸附去除率，確定最佳吸附時間。

1.2.3 確定最佳pH值實驗 在最佳吸附時間下，將一定量的碳化秸稈與污水放入離心管中，調(diào)節(jié)溶液的pH在2～11之間，放入電動離心機中振蕩吸附，之后離心、過濾，測定氨氮與磷的濃度，計算吸附去除率，確定吸附最佳pH值。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳化秸稈對磷的吸附優(yōu)化實驗

2.1.1 磷標(biāo)準(zhǔn)曲線 用磷酸二氫鉀配制的磷標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制磷標(biāo)準(zhǔn)曲線，為之后測污水中的氮磷含量提供依據(jù)（圖1）。

2.1.2 不同投加量下碳化秸稈對磷的吸附 由圖2可以看出，在一定的投加量范圍內(nèi)，2種碳化秸稈呈現(xiàn)出相同的規(guī)律性，隨著碳化秸稈投加量的增加，磷的濃度逐漸下降，直至最大投加量下磷濃度最低。實際過程中，投加量要適當(dāng)，滿足出水水質(zhì)要求即可（考慮碳粉的去除及成本）。另外，對比了不同投加量下的碳化玉米秸稈和碳化紅麻秸稈對磷的吸附效能（P>0.05），二者差異不顯著。

2.1.3 不同吸附時間下碳化秸稈對磷的吸附 圖3顯示，投加量在0.08g的情況下，不同吸附時間磷濃度都有所不同。玉米、紅麻2種碳化秸稈對磷的吸附規(guī)律趨向一致，磷的濃度都是先降低后緩慢升高又逐漸下降，1h和12h時磷濃度都比較低，此時吸附效能較大，考慮到實際污水處理量，選擇1h為最佳吸附時間。從圖3可以看出，玉米碳化秸稈的吸附效能略低于紅麻碳化秸稈的吸附效能，在最佳吸附時間下比較二者的吸附效能（P>0.05），差異不顯著。

2.1.4 不同pH值下碳化秸稈對磷的吸附 從圖4中可以看出，不同的pH值對吸附效能的影響非常大；不同PH值條件下，玉米、紅麻兩種碳化秸稈的吸附規(guī)律基本一致，都是在低pH值下有較低的吸附效能，隨著pH值的增加吸附效能迅速上升，中性狀態(tài)時已有較高的去除率，弱堿性及堿性狀態(tài)，幾乎完全可以把磷吸附出去。因此，吸附實驗最好在中性或弱堿性條件下進行，此時對磷的吸附性能最好，去除率也高。圖4顯示，紅麻秸稈碳化后吸附情況稍好于玉米碳化秸稈，具體比較二者在弱堿性中的去除率（P>0.05），差異不顯著。

2.2 碳化秸稈對氮的吸附優(yōu)化實驗

2.2.1 氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線 用氯化銨配制的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制氮標(biāo)準(zhǔn)曲線，為之后測污水中的氨氮和磷提供依據(jù)（圖5）。

2.2.2 不同投加量下碳化秸稈對氮的吸附 從圖6可以看出，碳化秸稈對氮的吸附有一定的影響，隨著兩種碳化秸稈投加量的增加氮濃度的變化呈現(xiàn)出近似的規(guī)律性，隨著玉米碳化秸稈的量增加氮濃度迅速下降隨后緩慢下降，而隨著碳化紅麻秸稈的加入量增加，氮濃度起伏波動，并最終保持在一定的水平上，總體而言隨投加量的增加，碳化玉米秸稈對氮的吸附效能上升；碳化紅麻秸稈對氮的吸附先下降，后上升，然后稍下降。碳化玉米秸稈是在最大投加量下，表現(xiàn)出吸附效能最好，而碳化紅麻秸稈在投加量0.04g和0.08g情況下都有較好的吸附效能。綜合二者，選擇0.08g為最佳投加量。在最佳投加量下，對比二者的吸附效能（P>0.05），結(jié)果表明差異不顯著。

2.2.3 不同吸附時間下碳化秸稈對氮的吸附 由圖7可知，在不同的吸附時間下，氨氮濃度都有所不同，在最初的吸附時間內(nèi)吸附效果不顯著，在吸附達到3h時氨氮濃度下降，隨后隨著時間增加又有所增加而后下降的趨勢，2種碳化秸稈呈現(xiàn)出相同的規(guī)律性，二者幾乎都是在12h時對氨氮的吸附達到最好。玉米碳化后秸稈表現(xiàn)出較好去除率對氨氮，紅麻稍差。對比二者的去除率（P>0.05），結(jié)果顯示二者在最佳吸附時間下，去除效果差異不顯著。

2.2.4 不同pH值下碳化秸稈對氮的吸附 根據(jù)圖8顯示，不同的pH值條件下，碳化秸稈對氨氮的吸附作用有較大的波動，隨著pH值的增長氨氮濃度上升，吸附性能下降，而后氨氮濃度逐漸下降，吸附性能又逐漸上升，在中性條件下濃度達到最低，吸附性能也最好，隨著PH值越來越大，氨氮濃度也越大，吸附性能下降，由此可知，在中性條件下，碳化秸稈對氨氮的吸附性能最好，此時的去除率最高。對比此條件下二者的去除率（P>0.05），結(jié)果顯示差異不顯著。

2.3 討論 通過實驗條件的優(yōu)化，可以看出，碳化紅麻秸稈對污水中磷的吸附效能優(yōu)于碳化玉米秸稈，碳化玉米秸稈對污水中氮的吸附效能比碳化紅麻秸稈略強，然而2種情況下，二者的吸附效能均差異不顯著，由此，碳化秸稈的種類可能對城市生活污水的氮磷吸附效能影響不大。另外，根據(jù)優(yōu)化實驗結(jié)果，也可看出碳化秸稈對氮磷的吸附效能比較強，對城市污水中氮磷的去除有較強的能力。表1通過對比使用碳化秸稈前后的水質(zhì)情況，顯示出在優(yōu)化條件下，碳化秸稈對城市生活污水的氮磷去除效率能達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

研究表明，碳化秸稈對城市生活污水中的氮磷有較強的吸附能力，具體吸附情況如下：

（1）對污水中磷的吸附：玉米和紅麻2種碳化秸稈對磷的吸附都隨投加量的增加而增加，隨吸附時間變化的規(guī)律相似，都在pH為1h時吸附性能最好；隨pH的變化有相同的變化趨勢，在堿性條件下的吸附性能優(yōu)于酸性條件。

（2）對污水中氨氮的吸附：玉米和紅麻2種碳化秸稈對氨氮的吸附隨投加量的變化有一定的波動，但是總體而言，在一定投加量范圍內(nèi)，呈現(xiàn)上升趨勢；隨著吸附時間的變化呈現(xiàn)一定的浮動趨勢，但是總體隨吸附時間的增加，吸附效能增加；隨著pH的變化則有不規(guī)律的變化趨勢，但都是在pH值為中性時吸附性能最好。

（3）比較2種碳化秸稈的吸附性能，發(fā)現(xiàn)二者對污水中氮磷的吸附效能沒有顯著性差異，有可能碳化秸稈的種類對氮磷的吸附效能影響不大。

參考文獻

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（責(zé)編：張宏民）