《羊糞生物炭強化人工快滲系統污水處理效果研究》論文發表期刊：《環境科學與管理》；發表周期：2021年08期

《羊糞生物炭強化人工快滲系統污水處理效果研究》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用于人工快滲系統，考察了羊糞生物炭對人工快滲系統污水處理效果的影響。結果表明，濾料組分中添加羊糞生物炭的人工快滲系統掛膜啟動周期為 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% 。應用羊糞生物炭強化人工快滲系統的污水處理性能具有良好的可行性。

　　關鍵詞: 生物炭; 人工快滲系統; 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) 系統近年來在國內外污水處理領域受到愈來愈多的關注，在村鎮分散式污水、地表受污染水、污水廠尾水的處理中應用前景廣闊[1]。該技術選用的濾料通常具有較好的滲濾性能，克服了傳統土壤濾料滲濾速度慢的缺點，因而能夠獲得更高的水力負荷[2]。濾料是CRI 系統非常關鍵的功能組分，適宜的濾料結構對提高其污水處理性能至關重要。生物炭近年來被廣泛應用 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用于 CRI 系統，以期為強化CRI 系統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殖場，干燥后剔除石粒、草葉等雜質，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，在馬弗爐內加熱至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3次，以盡量去除產物中殘余的灰分。

　　結束后，用去離子水沖洗濾渣，直到濾出液呈中性狀態。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，儲存備用。

　　1.2實驗裝置及運行條件

　　采用2個平行啟動的CRI系統(編號分別為CRIL、CRI2)作為反應器。柱體均采用聚氯乙烯材料加工而成，柱高和內徑分別為180 cm、7cm，濾料層高150 cm.其中，CRII系統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

　　采用成都某高校學生公寓區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、篩濾等預處理手段使污水中較粗大的顆粒物或其他雜質得以去除。采用接種活性污泥的方式對濾料進行微生物掛膜，泥源來自實驗室穩定運行的SBR反應器(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COD.NH-N.TN、.TP.pH值等均采用國家環�？偩诸C布的《水和廢水監測分析方法(第四版)》標準方法進行檢測。

　　2結果與討論

　　2.1羊糞生物炭結構特征

　　羊糞生物炭的產率、元素含量及孔隙分布分析結果表明，羊糞生物炭的產率為42.86%，說明在制備過程中的質量損失適宜，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)。結合羊糞生物炭電鏡掃描結果分析可知，該生物炭表面十分粗糙，具有大量的孔隙結構，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系統的繼續運行，接種污泥中的微生物開始適應新環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系統從第74 d起對COD的去除率高于80%，穩定運行后，COD去除率均值為83.6%，CRI2系統從第63d起對COD的去除率超過90%，穩定運行期COD平均去除率為95.2%，相比CRII系統啟動時間縮短了 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、豐富的孔隙結構，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系統內濾料的顆粒級配，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良載體，其粗糙的結構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定，為強化有機物去除效果提供基礎。

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

　　值得注意的是，NH，-N在CRII系統內的去除率均值達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化為氣態氮實現真正的脫除，而大部分僅轉化為NO2-N.NO，-N等形態隨水排出，導致出水中TN濃度仍然較高。從傳統生物脫氮基本流程可知，污水中的NH，-N進入好氧區后，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，對有機物的利用率也不足，無法同時實現對NH，-N.N02-N.NO，-N的高效轉化，導致TN去除效率偏低，出水水質較差。

　　CR12系統對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。首先，羊糞生物炭促進了生物膜的形成和穩定，有利于DNB的高效富集，為反硝化提供了良好的微生物基礎：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化的部分NH，-N和NO2-N有可能發生厭氧氨氧化，在缺/厭氧條件下共同轉化為氣態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所示穩定運行期間2個CRI系統對TP的去除效果。由圖3可知，2個CRI系統出水TP濃度分別為1.13-1.81.0.25-0.71 mg/L，其中CRI2系統對TP的平均去除率為87.4%，相比CRII系統提高了28.3%。分析認為，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內，一方面可與濾料中所含微量 Ca、Fe、Al、Mg 等金屬離子反應形成磷酸鹽沉淀[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 系統的除磷性能得到強化。

　　3結論

　　添加羊糞生物炭作為濾料組分后，CRI系統表現出更好的除碳(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定性、豐富的孔隙結構和巨大的比表面積，為增強濾料的吸附、截留功能創造了有利條件，為CRI系統高效處理污水中的C.N，P等污染物提供了基礎，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定，從而強化了CRI系統的污水處理性能，同時也為羊糞的資源化利用提供了一條新途徑。

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