生物炭在处理农村窖水的应用及展望

马婵媛 李刘军

摘 要：水窖蓄集雨水存在水质总体较差、易引发各类疾病等缺点，严重制约着新农村建设的进程。本文在阐述西北水窖特点的基础上，着重讨论了生物炭在生活污水及工业污水处理方面的作用机理与应用，同时对生物炭技术在净化农村地区窖水水质的应用及推广的可行性方面进行了初步探究和展望。

关键词：水窖；生物炭；水质污染

甘肃省地处西北黄土高原，自然地理条件差，施工条件差、管理难度高等原因限制了该地区农村供水工程的建设规模和供水区域，使得农村地区水资源极其匮乏。为了提倡“联村联户，为民富民”行动，实施“121”雨水集流工程，建成集雨水窖近80万眼，饮用水人口达220万人。基本解决了农村人口吃水紧缺问题，使得窖水成为农村地区的重要水资源。但通过对水窖水质的取样调查，以及查阅大量文献报道，发现水窖水质总体较差，并且因水质问题引发的各种疾病的报道也不断增加。所以，农村地区饮水安全问题需亟待解决。

到目前为止，水窖水质处理方面的技术主要有超滤技术、生物慢滤技术以及吸附处理技术。但由于前两种技术操作复杂、运行成本较高，在窖水处理方面实施起来比较困难，故常采用简单经济的吸附法处理窖水。吸附剂的选择是此技术的关键所在。生物炭孔隙结构发达，比表面积大，吸附能力强，在水处理方面被广泛应用。因此，本文在讨论农村窖水水质特点及其在污、废水领域的应用基础上，探究其对农村窖水的处理效果，旨在为解决农村窖水水质问题提供科学依据。

一、农村水窖状况

1.甘肃部分水窖污染状况

为了了解甘肃水窖污染情况，我们以会宁县和榆中县作为西北水窖的代表。进行现场调查研究，由于两地都属于较严重缺水的地区，人畜的饮用水主要以为雨水、雪水直接沉淀后的水窖水。通过对两县四区水窖水质的取样调查得出主要水质指标（表1）

由表1可知，4个采样点窖水浊度均有不同程度的超标，超标率分别为10%、20%、6.7%和16.7%，总超标率为13.3%。4个采样点窖水pH值普遍偏高，超标率分别为23.0%、40%、53.3%、43.3%，总超标率为40%。被检测的120个水样的氨氮含量较小，有些甚至低于检测限（≤0.02 mg·L-1），无超標水样。除会师镇南关回民区外，其他3个采样点的窖水CODMn含量有不同程度的超标，超标率分别为46.6%、10%、6.7%，总超标率为15.8%。总磷含量一般用于检测污水水质，本研究中窖水总磷含量偏低，基本不存在超标现象。对于甘肃部分农村地区水窖水质而言，水中污染物主要为浊度、总磷、CODMn含量和水中pH值。

二、生物炭治理技术

目前，去除水窖中污染物的方法主要为紫外线、超滤、生物慢滤、吸附等，吸附法相对于其他方法，具有操作简单、无需添加大量化学制剂、能量消耗少等特点。在吸附法中，吸附材料是关键因子，众多吸附材料中，生物炭因其原料来源广、吸附容量大而得到越来越多的关注。生物炭作为吸附剂在水处理中取得了较好的效果，特别是对一些难以除去的有害物质来说具有成本低、效果好的优点，另外生物炭炭化程度较低，残余的氢氧基团可以更有利于金属离子以及有机物的去除。

生物炭吸附污染物的主要原理为：生物炭孔隙结构发达，比表面积大，其表面富含羧基、羟基、羰基等官能团，且具有较大的比表面积以及较强的离子交换能力，这些特性使其有可能成为一种高效的环境吸附剂。

1.生物炭的制备与来源

（1）生物炭的制备。生物炭是生物质材料在限氧、低温（<700℃）环境下，经加热分解最终获得的一种碳含量丰富的固态产物，因其表面具有丰富的孔隙结构，以及稳定的脂肪族链状结构和高度芳香化结构，使其具有很好的吸附性和稳定性。由于原材料、技术工艺及热解条件的差异，生物炭在结构和粒径分布、孔容、表面密度、比表面积、pH、挥发分含量和持水性等理化性质上表现出非常广泛的多样性，进而使其拥有不同的环境效应和环境应用。目前，学术届普遍认为生物炭的原材料和热解温度对生物炭的特性和环境功能影响最为显著[10]。

（2） 生物炭的来源。生物质资源具有来源广泛，易集中处理低污染，可再生等特点，应用潜力巨大。能作为生物质包括初级农林生产剩余物，如农作物秸秆、壳核、果皮、果树修剪枝条等；农林次级剩余物，如甘蔗渣、甜菜渣、果渣等；生物利用及转化废弃物，如畜禽粪便、发酵渣、酒渣、菌菇栽培废弃基等。将废弃物生物质制成生物炭后，作为一种较新的环境功能材料用以去除水体环境中的污染物，也可避免对水体环境中氧的快速耗竭，也是有效解决农业废弃物的途径之一。

2.生物炭处理微污染水的影响因素分析

生物炭在处理水窖中的污染物时，对污染物的去除效果受很多因素的影响。本文主要从生物炭投加量，生物炭制备温度、生物炭粒径大小这几个因素说明生物炭处理农村水窖的影响因素。以便为生物炭处理农村水窖水提供理论依据。

（1）吸附剂投加量。吸附剂投加量是吸附过程节约成本的一个重要的参数，也影响着对水质的处理效果。马锋锋等[11]做了牛粪制备生物炭吸附水中的氨氮的实验，实验结果表明，当氨氮浓度及其他条件不变的情况下，当牛粪生物炭投加量较少时，吸附率明显上升。这是因为随着吸附剂投加量的增加可供吸附的活性位点增加，从而使得被吸附的吸附质总量增加，单位吸附量qe呈减小趋势。但当牛粪生物炭的投加量达到20g/L后qe趋于稳定，吸附率增加幅度也随之减小，吸附剂表面活性位点数量变化减少。所以使用生物炭处理污染物时要综合考虑单位吸附量qe、吸附率及成本等因素，确定生物炭投加量。

（2）生物炭热解温度。牛粪生物炭的热解温度对污染物的吸附也有较大的影响，有研究表明，随着生物炭热解温度的升高，其裂解程度增加，孔隙结构逐渐发育，表现为微孔逐渐增多，孔隙度增大，比表面积逐渐增大。胡菲菲等[12]用不同热解温度制备的鸡粪生物炭吸附去除水中的磷取得了较理想的效果，当用热解温度为500-750℃时，生物炭对水中磷的平衡吸附量和吸附速率随着热解温度的升高而增加。林静雯等也探究了牛粪热解温度对氨氮的去除实验，随着牛粪生物炭热解温度从300℃增加到500℃，氨氮的去除率也随之增加。但当热解温度从500℃继续增加700℃，氨氮的去除率开始减小至27.71%。导致这一去除率下降的原因是，随着生物炭热解温度的进一步升高，热解过程中形成的孔隙表面一部分被烧蚀，使基本结构产生缺陷。因此，在用生物炭吸附水中的污染物时，要选择一个合适的生物炭的制备温度[13]。

（3）生物炭粒径大小。对于单位质量的生物炭来说，粒径越小，表面积就越大，表面能作用明显，所以吸附效果就比较显著。马锋锋[11]等用牛粪吸附水中氨氮的实验中也表明生物炭粒径越小，对氨氮的吸附量越大。当生物炭粒径从40目减小到80目时，牛粪生物炭对氨氮的吸附量增大了1.4倍。此外，刘宁[14]等做了玉米秸秆炭对重金属Cd2+吸附实验，也得出在生物炭添加量相同情况下，生物炭的粒径越小，生物炭对Cd2+的去除率越大的结论。可见生物炭粒径大小对生物炭吸附量有着较为明显的影响。

三、生物炭在水窖处理中的应用前景分析

与传统水处理工艺相比，生物炭技术作为一种新型水处理工艺逐渐被认知，刘和平[14]等做了臭氧-生物炭砂工艺处理微污染水试验研究，以中置式高密度沉淀池沉后水作为进水，以臭氧-生物炭砂工艺对微污染水进行处理。结果表明，该工艺流程可以有效去除水中的CODMn、浊度和氨氮。

因此刘建广[15]等也采用类似方法做了生物炭滤池装置（如图1所示），进行雨水收集处理，使雨水从进水口注入，从出水口流出。当雨水流经生物炭吸附装置，生物炭一方面可以去除由庭院、屋顶上的枯枝落叶、尘土等物质，降低水窖水的浊度。另一方面由于生物炭具有巨大的比表面积和吸附位点能很好去除水中的氨氮和磷等物质。此套设备成本较低，主要材料为管材与阀门，且操作简单，无需费电和重新更换生物炭。生物炭再生时只要通反冲空气和反冲水。若将反冲水和生物炭填料用于还田，也可改良土壤和提高土壤肥力，可谓一举两得。因此，通過合理地选择生物炭原材料、调整生物炭投加量及设计简易的淋洗设备等技术手段和方式，通过不断推广，相信在不久的将来，生物炭将在分散农村地区将具有广泛的应用前景，能更好的服务于“三农”。

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作者简介： 马婵媛（1983-9-）女，甘肃会宁人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为污染控制化学。

基金项目：甘肃省教育厅项目《生物炭净化农村水窖水质污染的应用研究》；编号：2016A-133.