生物炭對多介質土壤層系統（MSL）處理農村生活污水的效果

徐顯　鮑安紅　張曉明

摘要：為了提高多介質土壤層（MSL）系統對農村生活污水的處理效果，利用稻殼生物炭為研究對象，探究生物炭對MSL系統處理農村生活污水效果的影響。結果表明，稻殼生物炭作為MSL系統填料時對污水中化學需氧量（COD）、氨態氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的去除效率有明顯的提高，COD、NH3-N、TN、TP去除率分別為木屑填料組的1.10、1.11、1.07、1.09倍，為稻稈填料組的1.20、1.25、1.16、1.16倍，且去除性能穩定。添加了生物炭的MSL系統中COD、NH3-N、TN、TP的降解過程符合一級反應動力學模型。

關鍵詞：生物炭;多介質土壤層系統（MSL）;農村生活污水處理

中圖分類號： X703? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0262-03

農村生活污水的主要特點是污染物含量較低，水質時間和地域性差異大，生活污水中的有毒有害物質較少，含有一定量的氮和磷，可生化性較強。農村人口居住分散，生活污水呈分散式排放的特點。大量農村地區尚無完善的污水處理設施設備，生活污水直接排放進入河流湖泊，對水生態環境造成了極大的危害。因此，發展適宜農村地區的低能耗分散型小型污水處理設施設備對保護農村生態環境具有重要的意義[1-2]。多介質土壤層（MSL）系統是20世紀在日本興起的一種可就地取材、占地面積小、對污水處理負荷高的土壤凈化污水技術，可以作為一種較好的農村生活污水分散型處理方式[2-3]。MSL系統主要由通水層和土壤混合層交替填充形成，主要通過物理吸附和交換以及生物分解等作用去除生活污水中的化學需氧量（COD）、氨態氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）等污染物[4-7]，該系統在處理農村生活污水、餐飲廢水、低污染河水等方面均有研究和報道[2，8-15]。就地取材制作的MSL系統如何具有最大化去除COD、NH3-N、TN、TP的能力，提高污染物去除效率是目前較為關心的問題。

生物炭是生物質（如秸稈、畜禽糞便等）在限氧條件下通過熱化學轉化產生的一種固體富碳物。生物炭本身是一種較好的吸附材料，具有較大的比表面積，對水體中的重金屬、有機物氨態氮均有一定的吸附作用[16-20]。同時，生物炭的孔隙結構可以為系統中的好氧微生物提供有利的生存條件，有利于污水中污染物的去除。本研究利用重慶地區大量可以獲得的稻殼制備稻殼生物炭作為土壤混合層添加材料進行試驗，以期提高土壤滲濾系統處理農村生活污水的能力，解決農村污水處理難的問題。

1 材料與方法

1.1 材料

3個MSL系統填充材料組成見表1。土壤混合層材料所用土壤為普通紫色土，取自重慶市北碚區西南大學竹園后山;木屑，購自南寧市歐彩工藝品制造有限公司;生物炭，購自上海美飛園藝有限公司;稻稈，取自西南大學水稻研究所;鐵屑，購自廣州市大順金屬環保再生資源有限公司;通水層材料為沸石，購自河南弘之源凈水材料有限公司;普通礫石，取自嘉陵江。

1.2 MSL系統構建

供試的3個MSL試驗裝置均采用有機玻璃加工而成，長30 cm，寬20 cm，高70 cm。試驗設計的MSL系統由土壤混合層和通水層交疊填充而成，從下到上共計7層，依次為礫石層、土壤混合層、沸石層、土壤混合層、沸石層、土壤混合層、礫石層，其中土壤混合層和沸石層厚度均為10 cm，礫石層厚度為5 cm，系統頂部不封頂，系統裝置見圖1。

1.3 試驗運行條件

在MSL系統穩定運行后，以土壤混合層添加料為木屑和秸稈的組作為對照組。于2017年10月初，氣溫在15～20 ℃條件下，追蹤測定MSL系統出水中COD、NH3-N、TN、TP等污染物濃度，并構建污水處理的一級動力學模型。污水取自重慶北碚縉云山腳下的農戶家中，供水水質指標見表2。

1.4 水質指標測定

COD的測定采用重鉻酸鉀氧化法; NH3-N的測定采用納氏試劑分光光度法; TN的測定采用紫外可見分光光度法;TP的測定采用鉬酸銨分光光度法，不同指標測定的具體操作步驟見《水和廢水監測分析方法（第4版）》。

2 結果與分析

2.1 MSL系統污水處理效果分析

在水溫為15～20 ℃時，MSL裝置污水中的COD、NH4+-N、TN、TP濃度隨時間的變化見圖2，其中添加生物炭為土壤混合層填料的A裝置中COD、NH3-N、TN、TP等污染物的去除率見圖3。從圖2、圖3可以看出，在水力停留時間內，隨著時間的延長，MSL裝置對生活污水中的COD、NH3-N、TN、TP去除率逐漸增加，最終A裝置對COD、NH3-N、TN、TP的去除率可達到83.30%、79.68%、84.71%、7941%，且各指標去除率分別為B裝置的1.10、1.11、1.07、1.09倍，分別為C裝置的1.20、1.25、1.16、1.16倍。

試驗結果表明，在MSL系統中添加生物炭，相比以木屑和稻稈為MSL系統土壤混合層填料時，對生活污水中COD、NH3-N、TN、TP 的去除效果有明顯的提高， 且去除性能較穩定。其原因可能是：（1）生物炭本身對COD、NH3-N、TN、TP等污染物有一定的吸附作用;（2）生物炭具有較多的孔隙和巨大的比表面積，可以作為消解污染物的相關微生物固定化的載體，富集大量的有利于生活污水處理的細菌，給其一個穩定的生存環境，從而能提高微生物的活性，最終提高系統的污水處理效果[18]。

2.2 MSL系統污水處理的一級動力學模型

污水處理的動力學模型研究主要在建立合適污染物降解模型的基礎上進行，優化其污水處理工藝，為后期的工藝參數和流程提供參考依據。目前應用較多的是在濕地設計中常用的一級動力學模型，其基本設計方程在歐美等許多發達國家均被廣泛應用在了濕地設計和對濕地污染物去除效果的預測上[18]。雖然該模型具有一定的局限，但是由于簡單的計算和求解過程，目前仍把一級動力學模型作為描述濕地中污染物去除過程的常用模型[18，20]：

濕地系統和MSL系統污染物處理的方式基本一致，本研究MSL系統污染物降解的動力學模型建立，借鑒濕地系統的一級動力學模型方程。將污染物在MSL系統中的出水濃度記作Co（水力停留時間內），進水濃度記作Ce，以ln（Co/Ce）為縱坐標，以時間t為橫坐標，繪制二者之間的變化曲線，結果見圖4，可見ln（Co/Ce）和時間t之間為一次函數關系。同時，將在第5天的ln（Co/Ce）值測定結果代入公式（2），計算出的kv值見表3。

常數kv值的大小代表著裝置中污染物降解速率的大小，在水力停留時間內，以生物炭作為土壤混合層填料的MSL系統中的污染物有著較大的降解速率，A裝置COD降解速率為 0.36 d-1，分別是B裝置、C裝置的1.29、1.50倍;A裝置 NH3-N 降解速率為0.32 d-1，分別是B裝置、C裝置的128、1.60倍;A裝置TN降解速率為0.38 d-1，分別是B裝置、C裝置的1.23、1.46倍;A裝置TP降解速率為0.32 d-1，分別是B裝置、C裝置的1.23、1.39 倍。

3 結論

稻殼生物炭作為MSL系統土壤混合層填料時，對農村生活污水有著較好的凈化效果。相比添加木屑和稻稈為土壤混合層填料時，生物炭作為MSL系統填料時對農村生活污水中的COD、NH3-N、TN、TP去除效率有明顯提高，最終對COD、NH3-N、TN、TP的去除率可達到 83.30%、79.68%、8471%、79.41%，各指標去除率分別為B裝置的1.10、111、1.07、1.09倍，分別為C裝置的1.20、1.25、1.16、116倍。

生物炭作為MSL系統填料時，污水的COD、NH3-N、TN和TP降解過程符合一級反應動力學模型，體積去除速率常數kv分別為0.36、0.32、0.38、0.32 d-1。

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