生物炭对多介质土壤层系统（MSL）处理农村生活污水的效果

徐显　鲍安红　张晓明

摘要：为了提高多介质土壤层（MSL）系统对农村生活污水的处理效果，利用稻壳生物炭为研究对象，探究生物炭对MSL系统处理农村生活污水效果的影响。结果表明，稻壳生物炭作为MSL系统填料时对污水中化学需氧量（COD）、氨态氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）的去除效率有明显的提高，COD、NH3-N、TN、TP去除率分别为木屑填料组的1.10、1.11、1.07、1.09倍，为稻秆填料组的1.20、1.25、1.16、1.16倍，且去除性能稳定。添加了生物炭的MSL系统中COD、NH3-N、TN、TP的降解过程符合一级反应动力学模型。

关键词：生物炭;多介质土壤层系统（MSL）;农村生活污水处理

中图分类号： X703  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）03-0262-03

农村生活污水的主要特点是污染物含量较低，水质时间和地域性差异大，生活污水中的有毒有害物质较少，含有一定量的氮和磷，可生化性较强。农村人口居住分散，生活污水呈分散式排放的特点。大量农村地区尚无完善的污水处理设施设备，生活污水直接排放进入河流湖泊，对水生态环境造成了极大的危害。因此，发展适宜农村地区的低能耗分散型小型污水处理设施设备对保护农村生态环境具有重要的意义[1-2]。多介质土壤层（MSL）系统是20世纪在日本興起的一种可就地取材、占地面积小、对污水处理负荷高的土壤净化污水技术，可以作为一种较好的农村生活污水分散型处理方式[2-3]。MSL系统主要由通水层和土壤混合层交替填充形成，主要通过物理吸附和交换以及生物分解等作用去除生活污水中的化学需氧量（COD）、氨态氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）等污染物[4-7]，该系统在处理农村生活污水、餐饮废水、低污染河水等方面均有研究和报道[2，8-15]。就地取材制作的MSL系统如何具有最大化去除COD、NH3-N、TN、TP的能力，提高污染物去除效率是目前较为关心的问题。

生物炭是生物质（如秸秆、畜禽粪便等）在限氧条件下通过热化学转化产生的一种固体富碳物。生物炭本身是一种较好的吸附材料，具有较大的比表面积，对水体中的重金属、有机物氨态氮均有一定的吸附作用[16-20]。同时，生物炭的孔隙结构可以为系统中的好氧微生物提供有利的生存条件，有利于污水中污染物的去除。本研究利用重庆地区大量可以获得的稻壳制备稻壳生物炭作为土壤混合层添加材料进行试验，以期提高土壤渗滤系统处理农村生活污水的能力，解决农村污水处理难的问题。

1 材料与方法

1.1 材料

3个MSL系统填充材料组成见表1。土壤混合层材料所用土壤为普通紫色土，取自重庆市北碚区西南大学竹园后山;木屑，购自南宁市欧彩工艺品制造有限公司;生物炭，购自上海美飞园艺有限公司;稻秆，取自西南大学水稻研究所;铁屑，购自广州市大顺金属环保再生资源有限公司;通水层材料为沸石，购自河南弘之源净水材料有限公司;普通砾石，取自嘉陵江。

1.2 MSL系统构建

供试的3个MSL试验装置均采用有机玻璃加工而成，长30 cm，宽20 cm，高70 cm。试验设计的MSL系统由土壤混合层和通水层交叠填充而成，从下到上共计7层，依次为砾石层、土壤混合层、沸石层、土壤混合层、沸石层、土壤混合层、砾石层，其中土壤混合层和沸石层厚度均为10 cm，砾石层厚度为5 cm，系统顶部不封顶，系统装置见图1。

1.3 试验运行条件

在MSL系统稳定运行后，以土壤混合层添加料为木屑和秸秆的组作为对照组。于2017年10月初，气温在15～20 ℃条件下，追踪测定MSL系统出水中COD、NH3-N、TN、TP等污染物浓度，并构建污水处理的一级动力学模型。污水取自重庆北碚缙云山脚下的农户家中，供水水质指标见表2。

1.4 水质指标测定

COD的测定采用重铬酸钾氧化法; NH3-N的测定采用纳氏试剂分光光度法; TN的测定采用紫外可见分光光度法;TP的测定采用钼酸铵分光光度法，不同指标测定的具体操作步骤见《水和废水监测分析方法（第4版）》。

2 结果与分析

2.1 MSL系统污水处理效果分析

在水温为15～20 ℃时，MSL装置污水中的COD、NH4+-N、TN、TP浓度随时间的变化见图2，其中添加生物炭为土壤混合层填料的A装置中COD、NH3-N、TN、TP等污染物的去除率见图3。从图2、图3可以看出，在水力停留时间内，随着时间的延长，MSL装置对生活污水中的COD、NH3-N、TN、TP去除率逐渐增加，最终A装置对COD、NH3-N、TN、TP的去除率可达到83.30%、79.68%、84.71%、7941%，且各指标去除率分别为B装置的1.10、1.11、1.07、1.09倍，分别为C装置的1.20、1.25、1.16、1.16倍。

试验结果表明，在MSL系统中添加生物炭，相比以木屑和稻秆为MSL系统土壤混合层填料时，对生活污水中COD、NH3-N、TN、TP 的去除效果有明显的提高， 且去除性能较稳定。其原因可能是：（1）生物炭本身对COD、NH3-N、TN、TP等污染物有一定的吸附作用;（2）生物炭具有较多的孔隙和巨大的比表面积，可以作为消解污染物的相关微生物固定化的载体，富集大量的有利于生活污水处理的细菌，给其一个稳定的生存环境，从而能提高微生物的活性，最终提高系统的污水处理效果[18]。

2.2 MSL系统污水处理的一级动力学模型

污水处理的动力学模型研究主要在建立合适污染物降解模型的基础上进行，优化其污水处理工艺，为后期的工艺参数和流程提供参考依据。目前应用较多的是在湿地设计中常用的一级动力学模型，其基本设计方程在欧美等许多发达国家均被广泛应用在了湿地设计和对湿地污染物去除效果的预测上[18]。虽然该模型具有一定的局限，但是由于简单的计算和求解过程，目前仍把一级动力学模型作为描述湿地中污染物去除过程的常用模型[18，20]：

湿地系统和MSL系统污染物处理的方式基本一致，本研究MSL系统污染物降解的动力学模型建立，借鉴湿地系统的一级动力学模型方程。将污染物在MSL系统中的出水浓度记作Co（水力停留时间内），进水浓度记作Ce，以ln（Co/Ce）为纵坐标，以时间t为横坐标，绘制二者之间的变化曲线，结果见图4，可见ln（Co/Ce）和时间t之间为一次函数关系。同时，将在第5天的ln（Co/Ce）值测定结果代入公式（2），计算出的kv值见表3。

常数kv值的大小代表着装置中污染物降解速率的大小，在水力停留时间内，以生物炭作为土壤混合层填料的MSL系统中的污染物有着较大的降解速率，A装置COD降解速率为 0.36 d-1，分别是B装置、C装置的1.29、1.50倍;A装置 NH3-N 降解速率为0.32 d-1，分别是B装置、C装置的128、1.60倍;A装置TN降解速率为0.38 d-1，分别是B装置、C装置的1.23、1.46倍;A装置TP降解速率为0.32 d-1，分别是B装置、C装置的1.23、1.39 倍。

3 结论

稻壳生物炭作为MSL系统土壤混合层填料时，对农村生活污水有着较好的净化效果。相比添加木屑和稻稈为土壤混合层填料时，生物炭作为MSL系统填料时对农村生活污水中的COD、NH3-N、TN、TP去除效率有明显提高，最终对COD、NH3-N、TN、TP的去除率可达到 83.30%、79.68%、8471%、79.41%，各指标去除率分别为B装置的1.10、111、1.07、1.09倍，分别为C装置的1.20、1.25、1.16、116倍。

生物炭作为MSL系统填料时，污水的COD、NH3-N、TN和TP降解过程符合一级反应动力学模型，体积去除速率常数kv分别为0.36、0.32、0.38、0.32 d-1。

参考文献：

[1]邹 俊，陈 昕，张毅敏，等. 多介质土壤层系统（MSL）的材料选配对生活污水处理效率的影响[J]. 生态与农村环境学报，2010，26（增刊1）：14-18.

[2]罗 伟. 沸石层滴滤-多介质土壤层系统处理分散生活污水的研究[D]. 长沙：湖南大学，2014.

[3]Latrach L，Ouazzani N，Hejjaj A，et al. Two-stage vertical flow multi-soil-layering（MSL）technology for efficient removal of coliforms and human pathogens from domestic wastewater in rural areas under arid climate[J]. International Journal of Hygiene and Environmental Health，2018，221（1）：64-80.

[4]魏才倢，吴为中，杨逢乐，等. 多级土壤渗滤系统技术研究现状及发展[J]. 环境科学学报，2009，29（7）：1351-1357.

[5]吴浩恩，魏才倢，吴为中. 多级土壤渗滤系统处理低有机污染水的脱氮效果与机理解析[J]. 环境科学学报，2016，36（12）：4392-4399.

[6]张春娣. MSL系统对猪场废水中C、N、P的去除效果及去除途径研究[D]. 杭州：浙江大学，2010.

[7]Latrach L，Ouazzani N，Masunaga T，et al. Domestic wastewater disinfection by combined treatment using multi-soil-layering system and sand filters（MSL-SF）：a laboratory pilot study[J]. Ecological Engineering，2016，91：294-301.

[8]Ho C C，Wang P H. Efficiency of a multi-soil-layering system on wastewater treatment using environment-friendly filter materials[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health，2015，12（3）：3362-3380.

[9]宋 颖，黄玉婷，葛 川，等. 多介质土壤滤层系统（MSL）与潜流式人工湿地技术处理海水养殖废水的效能比较[J]. 环境科学，2014，35（9）：3436-3442.

[10]罗安程，张春娣，杜叶红，等. 多基质土壤混合层技术研究应用[J]. 浙江大学学报（农业与生命科学版），2011，37（4）：460-464.

[11]李 森. 多介质土壤层系统（MSL）处理污染河水的试验研究[D]. 马鞍山：安徽工业大学，2012.

[12]宋 颖. 水产养殖污染源强及多介质土壤层技术废水处理效果与机理研究[D]. 杭州：浙江大学，2016.

[13]邹 俊. 生活污水的多介质土壤层处理技术研究及其应用[D]. 扬州：扬州大学，2011.

[14]张春娣，张 帅，聂新军，等. 多基质土壤混合层技术系统（MSL）对猪场废水的处理效果[J]. 浙江大学学报（农业与生命科学版），2012，38（3）：336-346.

[15]张 浩. 集约化海水养殖废水多介质土壤滤层（MSL）与人工湿地技术处理效能的对比研究[D]. 杭州：浙江大学，2013.

[16]唐登勇，黄 越，胥瑞晨，等. 改性芦苇生物炭对水中低浓度磷的吸附特征[J]. 环境科学，2016，37（6）：2195-2201.

[17]孙丽丽，李文英，李 夏，等. 固废生物炭净化处理猪场废水研究初探[J]. 中国农学通报，2015，31（23）：122-126.

[18]唐美珍，汪文飞，李如如，等. 生物炭对Pseudomonas flava WD-3的固定化及其强化人工湿地污水处理研究[J]. 环境科学学报，2017，37（9）：3441-3448.

[19]马锋锋，赵保卫，刁静茹，等. 牛粪生物炭对水中氨氮的吸附特性[J]. 环境科学，2015，36（5）：1678-1685.

[20]王小晓，鲍建国，龚珞军，等. 潜流人工湿地处理农村生活污水动力学研究[J]. 环境科学与技术，2013，36（3）：111-115.刘胤序，罗绪强，贾佳丽，等. 喀斯特石漠化过程中土壤重金属铬的含量特征[J]. 江苏农业科学，2019，47（3）：265-268.