秸稈生物炭在污水處理中的應用

吳得意

（南昌市國昌環保科技有限公司，南昌 330000）

隨著農業的發展，我國每年的農作物秸稈產量已經超過9 億t，如果不能及時有效地進行處理和利用，將會導致嚴重的環境污染和資源浪費。傳統的秸稈資源化利用方式雖然可以創造一定的經濟效益，但是存在較低的利用效率、較高的加工成本以及較大的二次污染風險。因此，開發有效利用秸稈的新技術，實現現代農業的可持續發展，已經成為當務之急。近年來，隨著秸稈生物炭的研究越來越深入，這種新型資源化利用技術已經取得巨大的進步[1-3]，它不僅可以有效減輕秸稈處理的負擔，而且可以為污水處理帶來全新的思路，因此已經迅速成為國際研究焦點。

1 秸稈生物炭的制備與改性方法

生物炭的原材料非常豐富，既有來自糧食作物的秸稈，也有來自經濟作物的秸稈。秸稈是一種重要的原料，通常富含碳、氫、氧等元素，其中固定碳的含量可超過15%。秸稈與其他生物質（動物糞便、污泥等）按一定比例混合，可以制備生物炭。這種方法能夠提高生物炭的功能性和安全性，為廢棄有機物的高效利用和污水處理提供一種雙贏策略，具有廣闊的應用前景。

1.1 制備方法

目前，秸稈生物炭主要有兩種制備方法[4-7]。一是限氧熱解法，即將秸稈生物質放入特定環境中進行高溫熱解處理，獲得生物炭。根據熱解溫度、升溫速率以及停留時間的不同，秸稈生物質的熱解方式可以分為4 類，即慢速熱解、中速熱解、快速熱解和閃速熱解。由于各類秸稈的物理性質不盡相同，其生物炭的表面特征會有所不同，如比表面積、總孔容、平均孔徑和碳含量等，因此，在相同的熱解條件下，各類秸稈生物炭的表現會有所差別。雖然限氧熱解法能夠提供較高的炭產量，但它的反應溫度往往需要控制在400～900 ℃。二是水熱炭化法，其無須限制秸稈生物質含水率，具有可控的廢氣排放量和低廉的操作成本，反應溫度低，應用廣泛。隨著科學技術的不斷發展，水熱炭化法已經被證明是一種高效、可行的有機生物質再利用方法。

1.2 改性方法

為了提高綜合性能，秸稈生物炭可以進行改性處理[8-10]，如物理改性、化學改性和生物改性。物理改性可以提高秸稈生物炭的吸附性能，如球磨、紫外輻射和蒸汽活化。經球磨處理，秸稈生物炭的比表面積、孔體積和孔徑都得到顯著增加，同時它具有更多的石墨結構，具備更強的吸附性能。另外，紫外輻射可以提高秸稈生物炭的比表面積和表面含氧官能團，進而大幅提升其對鉻元素的吸附能力。化學改性可以有效地改變秸稈生物炭的性能，常用的改性劑包括酸、堿、有機試劑和金屬鹽等。這些改性劑可以有效地降低秸稈生物炭的灰分含量，改變其表面的元素組成、官能團分布、比表面積和孔隙結構，從而提高其性能。有機試劑改性可以改變秸稈生物炭的元素和表面官能團組成，常用的改性劑有聚乙烯亞胺、殼聚糖和戊二醇等。相比物理改性和化學改性，生物改性的優勢顯而易見。其改性成本較低，安全性較高，二次污染較少。此外，秸稈生物炭的孔隙結構不僅能夠有效地吸附污染物，還能為微生物提供良好的繁殖環境。

2 秸稈生物炭的污水凈化原理

秸稈生物炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙結構，含有大量的表面官能團，這些特性使得它能夠有效地吸附和去除水體中的污染物[11-12]。吸附過程主要涉及靜電引力、離子交換、共沉淀、表面絡合和氫鍵作用等機制[13-14]，從而有效地凈化水體。秸稈生物炭的吸附機制受到多種因素的影響，包括原料的孔結構、元素含量和官能團。熱解條件、改性方法、污染物類型和污水中的共存成分都會對吸附效果產生影響。通常，秸稈生物炭的吸附效果是多種因素共同作用的結果。秸稈生物炭可以通過微孔捕獲、氫鍵作用等多種方式，有效地吸附氟環唑，從而實現對氟環唑的有效凈化。

3 秸稈生物炭在污水處理中的具體應用

3.1 去除有機污染物

印染廢水含有大量的有機染料，其生化特性較弱，組成十分復雜，使得傳統的生物處理技術難以達到預期的凈化效果，因此，開發一種有效的、低毒的凈化技術已經成為當務之急。秸稈生物炭表面添加Fe3O4顆粒改性后，它可以更好地凈化水體，減少對環境的不良影響，特別是亞甲基藍，其最大吸附量增加2.5 倍。秸稈生物炭可以用于處理印染廢水中的有機污染物，具有較高的去除率和可靠性。

3.2 去除重金屬

冶金、電鍍、皮革、機械加工等行業排放的廢水含有大量重金屬，具有較高毒性。秸稈生物炭作為一種高效的吸附材料，受到越來越多的關注，以有效地減少重金屬對環境和動植物的危害。生物炭的吸附性能受到多種因素的影響，尤其是熱解溫度，熱解溫度為600 ℃時，生物炭的吸附量最高，而pH 為5.5 時，生物炭的吸附量最低。秸稈生物炭具有多種優異的吸附性能，它不僅可以單獨用于重金屬的去除，而且可以與其他反應體系相結合，從而大大提升凈化效率。此外，秸稈生物炭具有良好的孔隙結構，使得多種微生物能夠在穩定的環境中獲得足夠的營養，促進生長和繁殖，大大增加重金屬凈化效果。

3.3 去除氮磷污染物

氮和磷的過量排放導致水體的富營養化，嚴重危害人體健康，也破壞水生態系統的生物多樣性。秸稈生物炭可以吸附廢水中的氮磷污染物，改善水環境。水體的富營養化程度取決于無機氮和無機磷的含量，然而，它們具有負電荷，與帶有正電荷的生物炭表面產生強烈的靜電吸附，從而限制生物炭的吸附效率。常見的改性方法是將具有負電荷的物質轉變為正電荷，并將其浸入到秸稈生物炭中。反應體系摻入鋁和鎂元素，可以有效地覆蓋生物炭表面，形成吸附位點，發揮架橋作用，促進磷酸根的化學沉淀，從而提高去除率。

3.4 去除抗生素

傳統的生物方法無法有效地清除廢水中的抗生素，這給水環境帶來嚴重的污染，并且給水生動植物及人類帶來極大的危害。吸附法是去除廢水中抗生素的有效方法。在不同的熱解溫度下，制備的水稻秸稈生物炭可以用于去除廢水中的四環素。在700 ℃的熱解溫度下，水稻秸稈生物炭的吸附性能最佳。為了進一步提高去除率，在700 ℃的溫度下對生物炭進行改性，改性生物炭具有更多的官能團、石墨碳結構和磁性成分。改性處理后，其對四環素的吸附量大幅提升。3.5 去除其他污染物

秸稈生物炭具有出色的凈化能力，不僅可以有效吸附廢水中的重金屬、氮、磷和抗生素，還能夠有效去除放射性核素、藻毒素、酚類、烴類和醛類等污染物。水稻秸稈生物炭熱解處理后，進行硝酸氧化處理。隨著廢水的pH、污染物濃度和溫度的變化，其對廢水中鈾的吸附率也會發生變化。水稻秸稈生物炭是一種理想的高效吸附劑，可以有效地從水介質中分離鈾。隨著研究的不斷深入，秸稈生物炭作為一種高效、低成本的吸附材料，在污水處理領域的應用越來越廣泛，取得顯著的成效。

4 結論

秸稈生物炭具有出色的吸附性能，是一種極具潛力的環保材料，在污水處理領域得到越來越多的關注。近年來，隨著制備和改性方法的不斷發展，秸稈生物炭的應用范圍不斷擴大。秸稈生物炭具有較大的比表面積和豐富的孔隙結構，能夠有效地吸附和去除廢水中的多種污染物，從而凈化水質。為了充分發揮秸稈生物炭的應用價值，更好地控制水體中的污染物，未來需要深入研究生物炭吸附技術，明確污染物吸附機理，通過改性來強化秸稈生物炭的吸附性能。必須深入研究秸稈生物炭與水環境的作用機理，明確秸稈生物炭可能帶來的生態危害，尋求有效的解決方案，以提高其穩定性，減少生態風險。秸稈生物炭的原料價格較低，但其吸附飽和后的回收和再生仍然面臨挑戰，成本不菲。因此，有必要開發更加高效、節能的回收和再生技術，同時加強對秸稈生物炭與微生物體系或化學體系協同作用的污水處理研究，以降低應用成本，擴大應用范圍。