生物炭在污水處理中的應用分析

摘要：作為一種新型碳材料，生物炭具有類似活性炭的性質，可用于處理污水。試驗以竹粉與KHCO3為原料來制備生物炭，使用生物炭動態吸附裝置處理模擬污水，然后采集實際污水樣品，分析生物炭吸附+氯化消毒組合工藝處理污染物和病原微生物的有效性。其間分析竹粉與KHCO3投加量對生物炭性能的影響，研究污染物與病原微生物的穿透曲線，驗證實際污水處理效果。經過生物炭吸附與氯化消毒處理后，污染物濃度和病原微生物數量均明顯降低，出水能夠達到相關排放標準，可進行二次利用。研究表明，生物炭能夠有效地處理污水，去除污染物與病原微生物，對于污水安全排放與二次利用具有重要作用。

關鍵詞：生物炭；吸附；氯化消毒；污水處理；污染物；病原微生物；二次利用

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.073

analysis on the Application of biochar in sewage treatment

SUO Wei， FANG Yong

（Weifang SIIC Environmental Sewage Treatment Co.， Ltd.， Weifang 261000， China）

Abstract： As a new type of carbon material， biochar has properties similar to activated carbon and can be used for treating sewage. The experiment takes bamboo powder and KHCO3 as raw materials to prepare biochar， and uses a biochar dynamic adsorption device to treat simulated sewage， and collects actual sewage samples to analyze the effectiveness of the biochar adsorption + chlorination disinfection combination process in treating pollutants and pathogenic microorganisms. During this process， the influence of bamboo powder and KHCO3 dosage on the performance of biochar is analyzed， and the penetration curves of pollutants and pathogenic microorganisms are studied， and the actual sewage treatment effect is verified. After biochar adsorption and chlorination disinfection treatment， the concentration of pollutants and the number of pathogenic microorganisms are significantly reduced， and the effluent can meet the relevant discharge standards and can be reused. Research has shown that biochar can effectively treat sewage， remove pollutants and pathogenic microorganisms， and play an important role in the safe discharge and secondary utilization of sewage.

Keywords： biochar; adsorption; chlorination disinfection; sewage treatment; pollutants; pathogenic microorganisms; secondary utilization

污水處理是指采用不同工藝凈化污水，使得出水水質達到外排或者二次利用的要求。污水處理涉及農業、工業和服務業，是實現水資源合理利用的重要保障[1]。污水處理可以分為一級處理、二級處理和三級處理，處理對象分別為固體物質、膠體物質和難降解有機物，從而確保出水滿足排放要求。病原微生物是污水中常見的物質，是引起人體感染甚至傳染的微生物。病原微生物包括真菌、細菌、支原體、立克次氏體、衣原體和病毒等方面，對人體的危害較大[2]。按照危害程度，病原微生物可以分為4類。一是能夠引起人類或動物罹患非常嚴重疾病的微生物；二是能夠引起人類或動物罹患嚴重疾病的微生物；三是能夠引起人類或動物罹患疾病但風險有限的微生物；四是通常不會引起人類或動物罹患疾病的微生物[3]。第一類病原微生物危害最大，第四類病原微生物危害最小。無論是哪種病原微生物，均會影響人或動物的正常生活，需要及時處理。

生物炭是高溫環境下由動物糞便、動物骨頭、植物根莖等有機垃圾炭化而成的一種多孔碳，性質與活性炭相似，比表面積大，孔隙結構發達。生物炭可以通過吸附作用直接捕獲污水中的污染物和病原微生物，從而達到凈化污水的目的[4]。生物炭常用于處理污水中的氨氮和病原微生物的代謝產物存在的氨類物質[5]。因此，試驗以竹粉與KHCO3為原料來制備生物炭，使用生物炭動態吸附裝置處理模擬污水，然后采集實際污水樣品，分析生物炭吸附+氯化消毒組合工藝處理污染物和病原微生物的有效性。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

試驗使用的主要試劑及其規格如表1所示。其他試劑有8種：C2H5OH、CH3OH、NaOH、HgCl2-KI-KOH溶液和Na2S2O3均為化學純；KNaC4H4O6為分析純；FeCl3·6H2O純度不小于97%，K4Fe（CN）6·3H2O純度不小于98.5%。主要儀器有元素分析儀、磁力攪拌器、比表面積及微孔物理吸附儀、馬弗爐、紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、pH計、X射線光電子能譜儀、真空泵、紫外可見分光光度計和電子自旋共振波譜儀[6]。

1.2 試驗方法

竹粉使用去離子水清洗后，干燥1 d。將干燥后的竹粉與KHCO3混合，在高溫環境下生成一定質量的生物炭。以NH4Cl、腐殖酸、KCl、MgCl2和AlCl3為溶質，以去離子水為溶劑，配制模擬污水。取

100 mL模擬污水置于錐形瓶，加入H2O2溶液，并加入H2SO4，將污水的pH調節到2，完成污水處理前的準備工作。加入一定質量的生物炭，磁力攪拌60 min后，測定污水中氨、硫化物等物質的初始濃度，計算生物炭吸附代謝產物的效率與氨、硫化物等物質的平衡吸附量。使用NaCl溶液清洗生物炭，再使用去離子水清洗一遍，干燥2 h后得到再生生物炭，多次循環去除污水中的污染物和病原微生物[7]。最后，在某污水處理廠采集1 000 mL污水樣品，驗證生物炭吸附+氯化消毒組合工藝的實際污水處理效果。污水經砂濾池過濾后，使用生物炭吸附污水中的污染物，然后采用氯化消毒去除病原微生物。

生物炭能夠吸附病原微生物的細胞壁與細胞膜、核酸與蛋白質、毒素與酶、代謝產物等，其中代謝產物包含氨、硫化物等物質。生物炭的吸附作用能夠改善水質，降低污水的污染程度[8]。采用式（1）計算生物炭吸附代謝產物的效率，采用式（2）計算氨、硫化物等物質的平衡吸附量。吸附過程中，采用式（3）計算生物炭的動態吸附量。

（1）

（2）

（3）

式中：δ為生物炭吸附代謝產物的效率，%；C0為污水中氨、硫化物等物質的初始濃度，mg/L；Ce為吸附平衡后的污水中剩余氨、硫化物等物質的濃度，mg/L；qe為氨、硫化物等物質的平衡吸附量，mg/g；V為污水體積，L；m為投加的生物炭質量，g；q為生物炭的動態吸附量，mg/g；t為生物炭耗竭時間，min；v為進水速率，L/min。

1.3 試驗裝置

試驗使用的生物炭動態吸附裝置如圖1所示。該裝置的主要部件為玻璃柱，柱內兩端為脫脂棉，防止填充物損失。試驗采用4種填料，即新型填料1（型號BC700-PB）、石英砂、新型填料2（型號NBC-Fe3O4）和生物炭，它們在污水處理中具有吸附氨氮、充當支撐層和吸附病原微生物等作用[9]。通過蠕動泵控制污水流速，避免重力對污水做正功，減緩污水通過填料層的速度，延長污水停留時間。生物炭對氨氮有一定的吸附效果，動態吸附裝置能夠處理污水，去除污染物和病原微生物。

2 試驗結果與分析

2.1 竹粉與KHCO3投加量對生物炭性能的影響

生物炭不僅能夠去除污水中的氨氮，還能夠吸附病原微生物的代謝產物，從而滿足污水處理需求。在制備生物炭的過程中，不同竹粉與KHCO3投加量對生物炭的物理性質存在影響。不同投加量對生物炭性能的影響如表2所示。數據顯示，KHCO3與竹粉的質量比從0∶1提升到4∶1時，生物炭比表面積與孔容均有所增加，因此生物炭更易吸附污水中的氨氮，去除病原微生物的代謝產物。

2.2 污染物與病原微生物的穿透曲線

以吸附時間為x軸，以模擬污水中污染物濃度、病原微生物數量為y軸，分別繪制污染物與病原微生物的穿透曲線。數據顯示，從病原微生物去除的1 740 min開始，生物炭耗竭時間顯著縮短。此時，生物炭表面吸附氮、磷兩種污染物，大量的吸附位點被占據，降低生物炭吸附利用率。生物炭表面清洗后，重復吸附，直至污染物濃度降低到標準值內。在污水處理過程中，過低的填料高度會使生物炭過快耗竭，增加污染物與病原微生物去除的阻力。要想增加動態吸附量，就需要合理降低填料高度。BC700-PB的填料高度為8 cm，NBC-Fe3O4的填料高度為4 cm，能夠滿足污染物與病原微生物去除的需求。

2.3 實際污水處理效果驗證

在污水處理廠采集1 000 mL污水樣品，驗證實際污水處理效果。污水經砂濾池過濾后，使用生物炭吸附污染物，然后采用氯化消毒去除病原微生物。氯化消毒持續2～4 h，從濾芯中提取中空纖維膜，與200 mL純凈水混合。使用紫外可見分光光度計，鑒定污染物濃度和病原微生物數量。以污染物和病原微生物為主要評價指標，結合水溫和鹽度，評價生物炭吸附+氯化消毒組合工藝的實際污水處理效果，如表3所示。其中，污染物主要有高錳酸鹽指數（Chemical Oxygen Demand，CODMn）、氨氮、硝態氨和余氨，病原微生物主要有細菌、大腸桿菌、立克次氏體、原生動物和真菌。數據顯示，污水的污染物濃度與病原微生物數量較高，生物炭吸附處理后，污染物濃度和病原微生物數量明顯減少，水質得到改善。生物炭吸附處理期間，水溫始終保持在25～31 ℃，鹽度始終保持在0.18%～0.20%。氯化消毒處理后，污水的病原微生物數量進一步減少，大腸桿菌、立克次氏體、原生動物和真菌等病原微生物均未檢出，得到有效去除，對于污水安全排放和二次利用具有重要作用。

3 結論

近年來，隨著社會經濟的不斷發展，我國污水產生量持續增加，水環境保護面臨巨大壓力。部分污水含有大量的污染物與病原微生物，影響人體健康與生態環境安全。這就需要做好污水處理，減少水體富營養化，保護和改善水環境。試驗采用竹粉與KHCO3制備的生物炭處理模擬污水，然后采集實際污水樣品，驗證生物炭吸附+氯化消毒組合工藝處理污染物和病原微生物的有效性。結果表明，生物炭比表面積大，孔隙結構發達，易吸附污水中的污染物，去除病原微生物的代謝產物。在污水處理過程中，要合理降低填料高度，增加動態吸附量，因為過低的填料高度會使生物炭過快耗竭，增加污染物與病原微生物去除的阻力。總之，生物炭能夠有效地處理污水，降低污染物濃度和病原微生物數量，實現污水的安全排放和二次利用。

參考文獻

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