碳化秸秆对城市生活污水中氮磷吸附效能的研究

林兵　杨新敏　李丽娜

摘 要：活性炭由于具有较大的比表面积和较强的吸附能力，常被用来吸附污水中的氮磷等物质。该研究采用连续式回转技术对玉米、红麻秸秆进行碳化，利用碳化后碳粉对城市生活污水进行氮磷吸附实验，并对不同实验条件下2种秸秆的吸附性能进行了对比。结果表明，碳化红麻秸秆对污水中氮磷的吸附效能大于碳化玉米秸秆，二者差异不显著；且2种碳化秸秆对氮磷的吸附效能都随着吸附剂投加量的增加而增大；随着吸附时间的增加，碳化秸秆对磷的吸附效能在吸附时间为1h时达到最大，而对氮的吸附效能则在吸附时间为12h时达到最大；碳化秸秆对氮磷的吸附效能随着pH的变化呈现不规则的变化趋势，对磷的吸附效能在碱性条件下要优于酸性条件，而对氮的吸附效能在中性条件下是最高的。

关键词：碳化秸秆；氮磷吸附；城市生活污水

中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）14-0080-03

Abstract：The activated carbon with the large specific surface area and the strong adsorption capacity is often used to absorb nitrogen and phosphorus in sewage and other substances. The straws carbonized by continuous rotary technology had been carried on in this studies in the city sewage treatment，and comparation of the adsorptivity of cornstalk with kenaf core are carried out. The results show that the adsorption rate of kenaf stalk was better than the corn straws，and the adsorption rate of two kinds of carbonized straw on nitrogen and phosphorus increased with the adsorbent adding；The adsorption rate of carbonized straw on phosphorus reached the maximum when the adsorption time is 1h，and nitrogen is 12h；the effect of the pH was complicated，the adsorption on phosphorus is better in alkaline circumstance than in acidity，nitrogen is the highest in neutral conditions.

Key words：Carbonized straw；Absorption of nitrogen and phosphorus；City sewage

生活污水中含有大量的氮、磷等營养元素，排入水体中会引起藻类及其他浮游生物大量生长繁殖，水中溶解氧量下降，鱼类及其他生物大量死亡，造成水体富营养化，水质恶化。目前，常用的脱氮除磷的方法有沉淀法[1]、混凝法[2，3]、生物法[4]与接触法[5]等。碳化秸秆是植物秸秆发酵产气碳化后形成的化肥，是一种质地疏松的热性速效肥，除含速效钾外，还含有磷、钙、铁、镁、硫等有效养分[6]。秸秆碳化是将秸秆经烘干或晒干、粉粹，然后在制碳设备中，经干燥、干馏、冷却等工艺，将松散的秸秆制成木炭的过程[7]。我国是一个农业大国，秸秆资源十分丰富，每年产生的农作物秸秆总量超过6亿t，其中可以作为能源利用的在3亿t以上。近年来，随着农村经济的发展和农民生活水平的提高，大部分农村地区把煤炭、液化气等常规能源作为炊事取暖用能的首选，大量的剩余秸秆被遗弃在田间地头付之一炬，既浪费了资源又污染了环境[8]。碳化秸秆取材方便，不仅成本低，节约资源，而且能达到以废治废的目的，吸附后还能为植物提供生长所需的元素。为了提高秸秆利用效率，在连续回转式工艺条件下碳化玉米、红麻2种秸秆，利用碳化后碳粉吸附宜春市污水处理厂生活污水中的氮磷，分别用纳氏试剂分光光度法和钼酸铵分光光度法测定吸附后污水中氮磷含量并优化不同条件下的氮磷去除率，最后对比2种碳化秸秆的吸附性能，以期为秸秆的开发利用提供新前景。

1 材料与方法

1.1 供试材料 试验中所用秸秆均采自当季本地农田，秸秆碳化采用连续回转式的碳化工艺，在300～350℃碳化10min。试验用生活污水取自宜春市污水处理厂，在-2℃的条件下保存，实验前提前冷却至室温。

1.2 试验方法 分别采用纳氏试剂分光光度法和钼酸铵分光光度法测污水中的氮磷，分为3种不同的实验条件，并优化不同条件下的氮磷去除率。

1.2.1 确定最佳投加量实验 将不同量的碳化秸秆与污水放入离心管中，再放入电动离心机中振荡吸附0.5h，之后离心、过滤，分别用纳氏试剂分光光度法和钼酸铵分光光度法测滤液中残留的氨氮与磷的浓度，根据吸附去除率确定最佳投加量。

1.2.2 确定最佳吸附时间实验 在最佳投加量的基础上，将一定量的碳化秸秆与污水放入离心管中，放入电动离心机中振荡吸附，设置不同的吸附时间，之后离心、过滤，测定氨氮与磷的浓度，计算吸附去除率，确定最佳吸附时间。

1.2.3 确定最佳pH值实验 在最佳吸附时间下，将一定量的碳化秸秆与污水放入离心管中，调节溶液的pH在2～11之间，放入电动离心机中振荡吸附，之后离心、过滤，测定氨氮与磷的浓度，计算吸附去除率，确定吸附最佳pH值。

2 结果与分析

2.1 碳化秸秆对磷的吸附优化实验

2.1.1 磷标准曲线 用磷酸二氢钾配制的磷标准溶液绘制磷标准曲线，为之后测污水中的氮磷含量提供依据（图1）。

2.1.2 不同投加量下碳化秸秆对磷的吸附 由图2可以看出，在一定的投加量范围内，2种碳化秸秆呈现出相同的规律性，随着碳化秸秆投加量的增加，磷的浓度逐渐下降，直至最大投加量下磷浓度最低。实际过程中，投加量要适当，满足出水水质要求即可（考虑碳粉的去除及成本）。另外，对比了不同投加量下的碳化玉米秸秆和碳化红麻秸秆对磷的吸附效能（P>0.05），二者差异不显著。

2.1.3 不同吸附时间下碳化秸秆对磷的吸附 图3显示，投加量在0.08g的情况下，不同吸附时间磷浓度都有所不同。玉米、红麻2种碳化秸秆对磷的吸附规律趋向一致，磷的浓度都是先降低后缓慢升高又逐渐下降，1h和12h时磷浓度都比较低，此时吸附效能较大，考虑到实际污水处理量，选择1h为最佳吸附时间。从图3可以看出，玉米碳化秸秆的吸附效能略低于红麻碳化秸秆的吸附效能，在最佳吸附时间下比较二者的吸附效能（P>0.05），差异不显著。

2.1.4 不同pH值下碳化秸秆对磷的吸附 从图4中可以看出，不同的pH值对吸附效能的影响非常大；不同PH值条件下，玉米、红麻两种碳化秸秆的吸附规律基本一致，都是在低pH值下有较低的吸附效能，随着pH值的增加吸附效能迅速上升，中性状态时已有较高的去除率，弱碱性及碱性状态，几乎完全可以把磷吸附出去。因此，吸附实验最好在中性或弱碱性条件下进行，此时对磷的吸附性能最好，去除率也高。图4显示，红麻秸秆碳化后吸附情况稍好于玉米碳化秸秆，具体比较二者在弱碱性中的去除率（P>0.05），差异不显著。

2.2 碳化秸秆对氮的吸附优化实验

2.2.1 氮的标准曲线 用氯化铵配制的氨氮标准溶液绘制氮标准曲线，为之后测污水中的氨氮和磷提供依据（图5）。

2.2.2 不同投加量下碳化秸秆对氮的吸附 从图6可以看出，碳化秸秆对氮的吸附有一定的影响，随着两种碳化秸秆投加量的增加氮浓度的变化呈现出近似的规律性，随着玉米碳化秸秆的量增加氮浓度迅速下降随后缓慢下降，而随着碳化红麻秸秆的加入量增加，氮浓度起伏波动，并最终保持在一定的水平上，总体而言随投加量的增加，碳化玉米秸秆对氮的吸附效能上升；碳化红麻秸秆对氮的吸附先下降，后上升，然后稍下降。碳化玉米秸秆是在最大投加量下，表现出吸附效能最好，而碳化红麻秸秆在投加量0.04g和0.08g情况下都有较好的吸附效能。综合二者，选择0.08g为最佳投加量。在最佳投加量下，对比二者的吸附效能（P>0.05），结果表明差异不显著。

2.2.3 不同吸附时间下碳化秸秆对氮的吸附 由图7可知，在不同的吸附时间下，氨氮浓度都有所不同，在最初的吸附时间内吸附效果不显著，在吸附达到3h时氨氮浓度下降，随后随着时间增加又有所增加而后下降的趋势，2种碳化秸秆呈现出相同的规律性，二者几乎都是在12h时对氨氮的吸附达到最好。玉米碳化后秸秆表现出较好去除率对氨氮，红麻稍差。对比二者的去除率（P>0.05），结果显示二者在最佳吸附时间下，去除效果差异不显著。

2.2.4 不同pH值下碳化秸秆对氮的吸附 根据图8显示，不同的pH值条件下，碳化秸秆对氨氮的吸附作用有较大的波动，随着pH值的增长氨氮浓度上升，吸附性能下降，而后氨氮浓度逐渐下降，吸附性能又逐渐上升，在中性条件下浓度达到最低，吸附性能也最好，随着PH值越来越大，氨氮浓度也越大，吸附性能下降，由此可知，在中性条件下，碳化秸秆对氨氮的吸附性能最好，此时的去除率最高。对比此条件下二者的去除率（P>0.05），结果显示差异不显著。

2.3 讨论 通过实验条件的优化，可以看出，碳化红麻秸秆对污水中磷的吸附效能优于碳化玉米秸秆，碳化玉米秸秆对污水中氮的吸附效能比碳化红麻秸秆略强，然而2种情况下，二者的吸附效能均差異不显著，由此，碳化秸秆的种类可能对城市生活污水的氮磷吸附效能影响不大。另外，根据优化实验结果，也可看出碳化秸秆对氮磷的吸附效能比较强，对城市污水中氮磷的去除有较强的能力。表1通过对比使用碳化秸秆前后的水质情况，显示出在优化条件下，碳化秸秆对城市生活污水的氮磷去除效率能达到国家排放标准。

3 结论

研究表明，碳化秸秆对城市生活污水中的氮磷有较强的吸附能力，具体吸附情况如下：

（1）对污水中磷的吸附：玉米和红麻2种碳化秸秆对磷的吸附都随投加量的增加而增加，随吸附时间变化的规律相似，都在pH为1h时吸附性能最好；随pH的变化有相同的变化趋势，在碱性条件下的吸附性能优于酸性条件。

（2）对污水中氨氮的吸附：玉米和红麻2种碳化秸秆对氨氮的吸附随投加量的变化有一定的波动，但是总体而言，在一定投加量范围内，呈现上升趋势；随着吸附时间的变化呈现一定的浮动趋势，但是总体随吸附时间的增加，吸附效能增加；随着pH的变化则有不规律的变化趋势，但都是在pH值为中性时吸附性能最好。

（3）比较2种碳化秸秆的吸附性能，发现二者对污水中氮磷的吸附效能没有显著性差异，有可能碳化秸秆的种类对氮磷的吸附效能影响不大。

参考文献

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（责编：张宏民）