《羊糞生物炭強化人工快滲系統(tǒng)污水處理效果研究》論文發(fā)表期刊：《環(huán)境科學(xué)與管理》；發(fā)表周期：2021年08期

《羊糞生物炭強化人工快滲系統(tǒng)污水處理效果研究》論文作者信息：陳佼(1987 －) ，男，博士，副教授，研究方向: 污水生態(tài)處理。

　　摘 要: 選用廢棄羊糞為原材料，在 650℃ 條件下限氧熱解制取羊糞生物炭并應(yīng)用于人工快滲系統(tǒng)，考察了羊糞生物炭對人工快滲系統(tǒng)污水處理效果的影響。結(jié)果表明，濾料組分中添加羊糞生物炭的人工快滲系統(tǒng)掛膜啟動周期為 63 d，相比未添加羊糞生物炭時縮短了 11 d，運行穩(wěn)定后對污水中 COD、NH4+ - N、TN、TP 的平均去除率依次達 95. 2% 、92. 8% 、67. 6% 、87. 4% ，相比未添加羊糞生物炭時分別提高了 11. 6% 、17. 5% 、36. 8% 、 28. 3% 。應(yīng)用羊糞生物炭強化人工快滲系統(tǒng)的污水處理性能具有良好的可行性。

　　關(guān)鍵詞: 生物炭; 人工快滲系統(tǒng); 啟動; 脫氮; 除磷

　　Abstract: The treatment effect of sheep manure biochar( SMB) smethod on the wastewater of the constructed rapid infiltration ( CRI) system was investigated by using waste sheep manure as raw material and producing biochar by limited oxygen pyrolysis at 650℃ . The results showed that the start - up period of the CRI system with SMB added to the filter media component was 63 days，which was 11 days less than that without the addition of SMB. The average COD，NH4+ - N，TN and TP removal rates dur- ing stable operation were 95. 2% ，92. 8% ，67. 6% and 87. 4% ，respectively，which were 11. 6% ，17. 5% ，36. 8% and 28. 3% higher than that without the addition of SMB. SMB was feasible to enhance the wastewater treatment performance of CRI systems.

　　Key words: biochar; CRI system; start - up; nitrogen removal; phosphorus removal

　　前言

　　人工快滲( Constructed rapid infiltration，CRI) 系統(tǒng)近年來在國內(nèi)外污水處理領(lǐng)域受到愈來愈多的關(guān)注，在村鎮(zhèn)分散式污水、地表受污染水、污水廠尾水的處理中應(yīng)用前景廣闊[1]。該技術(shù)選用的濾料通常具有較好的滲濾性能，克服了傳統(tǒng)土壤濾料滲濾速度慢的缺點，因而能夠獲得更高的水力負(fù)荷[2]。濾料是CRI 系統(tǒng)非常關(guān)鍵的功能組分，適宜的濾料結(jié)構(gòu)對提高其污水處理性能至關(guān)重要。生物炭近年來被廣泛應(yīng)用 于 吸 附 水 體 中的各類污染物，成 為 研 究 熱點[3 - 4]。然而，利用生物炭作為 CRI 系統(tǒng)濾料組分的研究鮮有報道。因此，本研究以廉價易得的羊糞為原料制備生物炭并將其應(yīng)用于 CRI 系統(tǒng)，以期為強化CRI 系統(tǒng)污水處理性能提供一種新的濾料選擇，同時為羊糞廢棄物的資源化利用提供一種新的方式。

　　1材料與方法

　　1.1 羊糞生物炭的制備

　　廢棄羊糞取自雅安市某養(yǎng)殖場，干燥后剔除石粒、草葉等雜質(zhì)，粉碎后過60目篩。取篩出物干燥，稱取適量置于帶蓋的坩堝內(nèi)，在馬弗爐內(nèi)加熱至650℃(升溫速率：20℃/min)后維持180 min。冷卻后取出增塌，每1 g固體產(chǎn)物中加入20 ml鹽酸溶液(1.0 mol/L)，在室溫下以150 r/min的頻率振蕩30 min，重復(fù)3次，以盡量去除產(chǎn)物中殘余的灰分。

　　結(jié)束后，用去離子水沖洗濾渣，直到濾出液呈中性狀態(tài)。最后，取濾渣烘干至恒重，過100目篩后的篩出物即為羊糞生物炭，儲存?zhèn)溆谩?/p>

　　1.2實驗裝置及運行條件

　　采用2個平行啟動的CRI系統(tǒng)(編號分別為CRIL、CRI2)作為反應(yīng)器。柱體均采用聚氯乙烯材料加工而成，柱高和內(nèi)徑分別為180 cm、7cm，濾料層高150 cm.其中，CRII系統(tǒng)的濾料層全部選取天然河砂作為濾料，河砂粒徑為0.5 mm-1.0 mm，CRI2系統(tǒng)的濾料層則選取混合均勻后的天然河砂、羊糞生物炭作為濾料，兩者體積占比分別為70%、30%。濾料層的上方和下方分別設(shè)有緩沖層和承托層，均采用粒徑為0.5 cm-1.5cm的碎石進行填充，厚度均為5cm。采用布水器從濾柱頂部的布水層由上往下均勻布水，計量泵控制布水量，定時器控制布水時間。實驗期間控制溫度在25℃ ±5℃，每12 h完成一個運行周期(淹水3h、落干9 h)，水力負(fù)荷維持在1.0 m'/(m2.d)。

　　1.3進水條件與接種污泥

　　采用成都某高校學(xué)生公寓區(qū)的生活污水作為處理對象，實驗期間污水COD.NH，-N.TN.TP濃度范圍依次為202.1~279.6.38.2-46.3.42.5 ~51.9.2.9-4.4 mg/L，pH為6.5-8.2，為防止濾料堵塞，進水前需采用初沉、篩濾等預(yù)處理手段使污水中較粗大的顆粒物或其他雜質(zhì)得以去除。采用接種活性污泥的方式對濾料進行微生物掛膜，泥源來自實驗室穩(wěn)定運行的SBR反應(yīng)器(MLSS為4 300 mg/L)。

　　1.4分析項目與方法

　　羊糞生物炭灰分含量采用灼燒法測定：元素含量采用元素分析儀進行測試：孔隙分布采用比表面積分析儀進行測試：表面形貌特征通過掃描電鏡進行分析。水質(zhì)COD.NH-N.TN、.TP.pH值等均采用國家環(huán)保總局頒布的《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》標(biāo)準(zhǔn)方法進行檢測。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1羊糞生物炭結(jié)構(gòu)特征

　　羊糞生物炭的產(chǎn)率、元素含量及孔隙分布分析結(jié)果表明，羊糞生物炭的產(chǎn)率為42.86%，說明在制備過程中的質(zhì)量損失適宜，灰分含量(19.65%)適中。從元素組成及原子比來看，C.H、O.N質(zhì)量占比分別為64.73%、1.92%、10.64%、2.41%，計算可知H/C <0.6.0/C <2，反映出羊糞生物炭具有較高的生化穩(wěn)定性5。與此同時，所制備的羊糞生物炭擁有較大的比表面積(189.35 m"/g)、平均孔徑(12.43 nm)和總孔容(0.252 cm"/g)。結(jié)合羊糞生物炭電鏡掃描結(jié)果分析可知，該生物炭表面十分粗糙，具有大量的孔隙結(jié)構(gòu)，將為吸附水中污染物提供有利條件。

　　2.2對COD去除的影響

　　啟動運行期間2個CRI系統(tǒng)對污水中COD的去除情況如圖1所示。從圖1可知，CRII CRI2分別在前2.4d時對COD的去除率高達100%，這是由于該時期的濾料顆粒表面具有充足的吸附點位和截留空間，短期內(nèi)可快速吸附和截留污水中的有機物所致。由于該階段生物膜還未形成，吸附和截留的有機物不能被微生物充分降解，當(dāng)吸附點位和截留空間趨于飽和時，殘余有機物開始增加，去除率開始隨之降低，CRIL.CRI2系統(tǒng)分別在第20 d.15 d時對cOD的去除率降至最低，分別為44.3%、63.7%。

　　隨著CRI系統(tǒng)的繼續(xù)運行，接種污泥中的微生物開始適應(yīng)新環(huán)境并在濾料顆粒上增殖，相互黏聚而生成具有一定厚度的生物膜，對COD的利用效率逐漸提高，CRII系統(tǒng)從第74 d起對COD的去除率高于80%，穩(wěn)定運行后，COD去除率均值為83.6%，CRI2系統(tǒng)從第63d起對COD的去除率超過90%，穩(wěn)定運行期COD平均去除率為95.2%，相比CRII系統(tǒng)啟動時間縮短了 11 d，COD 去除率提高了 11. 6% 。

　　由此可見，添加羊糞生物炭作為濾料的CRI系統(tǒng)將獲得更高的掛膜啟動效率，主要原因有以下3個：(1)羊糞生物炭有著巨大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可高效吸附或截留污水中的有機污染物;(2)羊糞生物炭的粒徑較小，豐富了CRI系統(tǒng)內(nèi)濾料的顆粒級配，合理的顆粒級配能有效提高納污能力和濾料利用率，有利于提高對有機物的處理效果;(3)羊糞生物炭可作為微生物掛膜的優(yōu)良載體，其粗糙的結(jié)構(gòu)特征對微生物的生長繁殖十分有利，可加速濾料表面生物膜的形成和穩(wěn)定，為強化有機物去除效果提供基礎(chǔ)。

　　2.3 對NH，-N、TN去除的影響穩(wěn)定運行期間2個CRI系統(tǒng)對NH，-N.TN的去除效果如圖2所示。可以看出2個CRI系統(tǒng)脫氮效果均較為穩(wěn)定，但CRII系統(tǒng)的出水NH，-N.TN濃度明顯高于CRI2系統(tǒng).CRI2系統(tǒng)對NH，-N TN的平均去除率分別達到92.8%、67.6%，相比CRII系統(tǒng)分別提高了17.5%、36.8%，可見添加羊糞生物炭后CRI系統(tǒng)的脫氮性能得到了強化。

　　值得注意的是，NH，-N在CRII系統(tǒng)內(nèi)的去除率均值達75.3%，但TN去除率均值卻僅有30.8%，可見NH，-N被濾料吸附或截留后，最終并未被生物膜上的微生物充分轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮實現(xiàn)真正的脫除，而大部分僅轉(zhuǎn)化為NO2-N.NO，-N等形態(tài)隨水排出，導(dǎo)致出水中TN濃度仍然較高。從傳統(tǒng)生物脫氮基本流程可知，污水中的NH，-N進入好氧區(qū)后，在AOB(氨氧化菌)的作用下生成NO2-N，再在NOB(亞硝酸氧化菌)的作用下生成NO，-N：進入缺氧區(qū)后，DNB(反硝化菌)利用污水中的有機物為碳源將NO，-N(或NO2-N)還原為N2，CRII系統(tǒng)由于濾料成分較為單一，對污染物的吸附和截留性能相對較差，AOB，NOB、DNB在生物膜上的生長繁殖未能處于較佳狀態(tài)，對有機物的利用率也不足，無法同時實現(xiàn)對NH，-N.N02-N.NO，-N的高效轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致TN去除效率偏低，出水水質(zhì)較差。

　　CR12系統(tǒng)對TN的去除效果有大幅提升，這與羊糞生物炭的添加為反硝化脫氮提供了有利條件有關(guān)。首先，羊糞生物炭促進了生物膜的形成和穩(wěn)定，有利于DNB的高效富集，為反硝化提供了良好的微生物基礎(chǔ)：其次，羊糞生物炭對NH，-N的吸附效果較好，能在更短的濾料層完成NH，-N的硝化，使后續(xù)濾料層可被反硝化菌利用的有機物量更加充足，同時提高了脫氮和除碳效率;此外，下層濾料中未被及時轉(zhuǎn)化的部分NH，-N和NO2-N有可能發(fā)生厭氧氨氧化，在缺/厭氧條件下共同轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮而使氮素污染物被進一步去除。

　　2.4對TP去除的影響

　　如圖3所示穩(wěn)定運行期間2個CRI系統(tǒng)對TP的去除效果。由圖3可知，2個CRI系統(tǒng)出水TP濃度分別為1.13-1.81.0.25-0.71 mg/L，其中CRI2系統(tǒng)對TP的平均去除率為87.4%，相比CRII系統(tǒng)提高了28.3%。分析認(rèn)為，濾料的吸附作用、共沉淀作用和微生物的新陳代謝作用是CRI系統(tǒng)對污水中磷素污染物的主要去除途徑。添加羊糞生物炭后，磷素污染物能更高效的被吸附和截留在系統(tǒng)內(nèi)，一方面可與濾料中所含微量 Ca、Fe、Al、Mg 等金屬離子反應(yīng)形成磷酸鹽沉淀[7]，另一方面可被生物膜上的聚磷微生物同化和異化去除，從而使 CRI 系統(tǒng)的除磷性能得到強化。

　　3結(jié)論

　　添加羊糞生物炭作為濾料組分后，CRI系統(tǒng)表現(xiàn)出更好的除碳(COD)、脫氮(NH，-N、TN)、除磷

　　(TP)功能，同時具有更高的掛膜啟動效率，對污染物的處理效果得到明顯改善。羊糞生物炭具有較高的生化穩(wěn)定性、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，為增強濾料的吸附、截留功能創(chuàng)造了有利條件，為CRI系統(tǒng)高效處理污水中的C.N，P等污染物提供了基礎(chǔ)，同時生物炭還可為微生物提供良好的掛膜載體，加速濾料表面生物膜的形成和穩(wěn)定，從而強化了CRI系統(tǒng)的污水處理性能，同時也為羊糞的資源化利用提供了一條新途徑。

　　參考文獻:

　　[1]Su C，Zhu X，Shi X，et al. Removal efficiency and pathways of phosphorus from wastewater in a modified constructed rapid infiltration system[J]. Journal of Cleaner Production，2020， 267: 122063.

　　[2]Chen J，Lu Y，Ouyang Z，et al. Regulation of partial nitritation in constructed rapid infiltration system and analysis of microbial community structure[J]. Polish Journal of Environmen- tal Studies，2020，29( 1) : 33 - 43.

　　[3]Rajabi H，Mosleh M H，Mandal P，et al. Sorption be- haviour of xylene isomers on biochar from a range of feedstock [J]. Chemosphere，2021，268: 129310

　　[4]Wu F，Chen L，Hu P，et al. Industrial alkali lignin - derived biochar as highly efficient and low - cost adsorption mate- rial for Pb( II) from aquatic environment[J]. Bioresource Tech- nology，2021，322: 124539.

　　[5]Huang W，Zhang M，Wang Y，et al. Biochars prepared from rabbit manure for the adsorption of rhodamine B and Congo red: characterisation，kinetics，isotherms and thermodynamic studies[J]. Water Science & Technology，2020，81 ( 3 ) : 436 - 444.

　　[6]陳佼，陸一新，李洋濤，等. 不同接種污泥對人工快滲濾池厭氧氨氧化啟動的影響研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2020， 45( 7) : 124 - 128.

　　[7]Alhujaily A，Mao Y，Zhang J，et al. Facile fabrication of Mg - Fe - biochar adsorbent derived from spent mushroom waste for phosphate removal[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，2020，117: 75 - 85.