炭化的蘆葦秸稈能凈化富營養(yǎng)化污水嗎

◎南京市科利華中學 張立陽

本期點評專家

黃新階 正高級教師，特級教師，全國優(yōu)秀教師，中國化學會2017年度基礎化學獎獲得者，湖北省首批十大名師，教育部第三批國培計劃專家?guī)鞂＜遥啾谑小笆虚L杯”青少年科技創(chuàng)新大賽評審專家。

一、研究背景

周末，我和爸爸到附近的公園游玩，發(fā)現(xiàn)公園中池塘的水混濁，水面上還有一層綠色浮渣。爸爸說：“這是水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，主要是水中氮、磷等營養(yǎng)物質過多，藻類生物瘋狂生長，導致水中溶解氧下降，嚴重時魚大量死亡，水變濁發(fā)臭。”

圖1 池塘水富營養(yǎng)化

圖2 池塘及旁邊的蘆葦

如何改善水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象呢？我看到池塘邊一大片枯干的蘆葦長出幼嫩的莖稈，心想：幼嫩的蘆葦生長時會吸收池塘中的氮、磷等營養(yǎng)物質，那么，這一大片干枯蘆葦秸稈能否凈化富營養(yǎng)化污水呢？如果可以，那就能實現(xiàn)“就地取材，綜合利用”的生態(tài)治理效果。

我把這個想法告訴了老師，老師建議我運用所學知識，通過實驗等方法進行探究，我決定進行嘗試。

在了解植物秸稈高溫炭化形成生物質炭，可作為吸附材料凈化富營養(yǎng)化水體后，我開始探究炭化的蘆葦秸稈是否對富營養(yǎng)化水體具有凈化作用。

二、實驗過程

（一）實驗材料

干枯的蘆葦秸稈（采摘自公園池塘邊）、炭化的蘆葦秸稈（500 ℃高溫無氧燒制而成的蘆葦生物質炭）、氯化銨、氯化鈉、便攜式氨氮檢測儀、電子天平等。

（二）實驗準備

1.蘆葦生物質炭的前處理

我用純凈水把干枯的蘆葦秸稈清洗干凈后，剪成0.5 cm左右的小段，放入烤箱中進行干燥處理后取出，記為未炭化蘆葦。將購買的蘆葦生物質炭也剪成0.5 cm左右的小段后干燥處理，記為炭化蘆葦。

配制100 mL質量分數(shù)為20%的氯化鈉溶液，把10 g炭化蘆葦?shù)谷牒髷嚢杈鶆颉＝?4 h后，先用純凈水沖洗干凈，再進行干燥處理，記為鹽性炭化蘆葦。

2.水樣的配制

我用氯化銨溶液模擬富營養(yǎng)化污水，用便攜式氨氮檢測儀測量水樣氨氮濃度。取3.82 g干燥的氯化銨溶于1 L純凈水中，制成氨氮貯備溶液。實驗時用純凈水稀釋20倍，得到質量分數(shù)為50 mg/L的氨氮水樣。

圖3 部分實驗器材

圖4 配制氨氮水樣

（三）吸附實驗

1.改變投加量進行實驗

我分別取0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g、0.8 g的三種蘆葦秸稈（未炭化蘆葦秸稈、炭化蘆葦秸稈、鹽性炭化蘆葦秸稈），分別投入50 mL制備的模擬氨氮水樣中，吸附反應2 h后，過濾取濾液，測定濾液中氨氮的濃度。每個實驗重復3次，數(shù)據(jù)取平均值，最后計算氨氮去除率。結果見表1。

表1 不同的蘆葦秸稈投加量對氨氮去除率的影響

炭化蘆葦秸稈的氨氮去除率遠高于未炭化蘆葦秸稈的氨氮去除率，其中鹽性炭化蘆葦秸稈的氨氮去除率最高。

隨著蘆葦秸稈的投加量增加，氨氮去除率逐漸升高。但是當投加量超過0.4 g后，氨氮去除率的遞增幅度明顯變小。所以，蘆葦秸稈吸附凈化氨氮水樣的最佳投加量為0.4 g，也就是說，每1 L富營養(yǎng)化污水需投加8 g炭化蘆葦秸稈最為經(jīng)濟有效。

2.改變吸附時長進行實驗

我取未炭化蘆葦秸稈、炭化蘆葦秸稈、鹽性炭化蘆葦秸稈各0.5 g，吸附處理50 mL制備的模擬氨氮水樣，吸附時長分別為30 min、60 min、120 min、180 min、240 min、600 min，之后過濾取濾液，測定濾液中氨氮的濃度。每個實驗重復3次，數(shù)據(jù)取平均值，最后計算氨氮吸附量。

添加兩種炭化蘆葦秸稈后，氨氮吸附量隨時間增加而快速增大，明顯高于未炭化蘆葦秸稈的氨氮吸附量。在120 min后，吸附基本達到平衡，最大氨氮吸附量達到5.3 mg/g。添加未炭化蘆葦秸稈后，氨氮吸附量沒有快速增大，最大氨氮吸附量僅為1.4 mg/g。

可見，炭化蘆葦秸稈的氨氮吸附量高于未炭化蘆葦秸稈的氨氮吸附量，鹽性炭化蘆葦秸稈表現(xiàn)最佳。

3.改變溫度進行實驗

我取未炭化蘆葦秸稈、炭化蘆葦秸稈、鹽性炭化蘆葦秸稈各0.5 g，吸附處理50 mL制備的模擬氨氮水樣，溶液溫度分別為15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃，之后過濾取濾液，測定濾液中氨氮的濃度。每個實驗重復3次，數(shù)據(jù)取平均值，最后計算氨氮去除率。結果見表2。

表2 溶液溫度對氨氮去除率的影響

隨著溶液溫度升高，氨氮去除率逐漸升高；炭化蘆葦秸稈氨氮去除率的增幅遠大于未炭化蘆葦秸稈氨氮去除率的增幅，鹽性炭化蘆葦秸稈氨氮去除率的增幅最大，在30 ℃時氨氮去除率達到85.3%。

三、結論

炭化蘆葦秸稈對富營養(yǎng)化水體中氨氮的去除率高，吸附凈化效果好。因此，我們可以綜合利用蘆葦進行富營養(yǎng)化水體的生態(tài)治理：一方面在蘆葦生長期間，利用其根系吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質；另一方面在蘆葦成熟枯黃后，收獲它的秸稈制成生物質炭，用來凈化水體中的營養(yǎng)物質，實現(xiàn)“就地取材，綜合利用”的治理效果。

鹽水浸泡處理后的炭化蘆葦秸稈對富營養(yǎng)化水體中氨氮的去除率最高，可以優(yōu)先考慮利用這種蘆葦秸稈進行水體凈化治理。

蘆葦秸稈對水體中氨氮的吸附凈化效果受秸稈投加量、吸附時長、溫度等因素的影響。我發(fā)現(xiàn)在蘆葦秸稈投加量為8 g/L、吸附時長為120 min、吸附溫度為30 ℃時，蘆葦秸稈對水體中氨氮的吸附凈化效果最佳。