羊粪生物炭强化人工快渗系统污水处理效果研究

《羊粪生物炭强化人工快渗系统污水处理效果研究》论文发表期刊：《环境科学与管理》；发表周期：2021年08期

《羊粪生物炭强化人工快渗系统污水处理效果研究》论文作者信息：陈佼(1987 －) ，男，博士，副教授，研究方向: 污水生态处理。

　　摘 要: 选用废弃羊粪为原材料，在 650℃ 条件下限氧热解制取羊粪生物炭并应用于人工快渗系统，考察了羊粪生物炭对人工快渗系统污水处理效果的影响。结果表明，滤料组分中添加羊粪生物炭的人工快渗系统挂膜启动周期为 63 d，相比未添加羊粪生物炭时缩短了 11 d，运行稳定后对污水中 COD、NH4+ - N、TN、TP 的平均去除率依次达 95. 2% 、92. 8% 、67. 6% 、87. 4% ，相比未添加羊粪生物炭时分别提高了 11. 6% 、17. 5% 、36. 8% 、 28. 3% 。应用羊粪生物炭强化人工快渗系统的污水处理性能具有良好的可行性。

　　关键词: 生物炭; 人工快渗系统; 启动; 脱氮; 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

　　人工快渗( Constructed rapid infiltration，CRI) 系统近年来在国内外污水处理领域受到愈来愈多的关注，在村镇分散式污水、地表受污染水、污水厂尾水的处理中应用前景广阔[1]。该技术选用的滤料通常具有较好的渗滤性能，克服了传统土壤滤料渗滤速度慢的缺点，因而能够获得更高的水力负荷[2]。滤料是CRI 系统非常关键的功能组分，适宜的滤料结构对提高其污水处理性能至关重要。生物炭近年来被广泛应用 于 吸 附 水 体 中的各类污染物，成 为 研 究 热点[3 - 4]。然而，利用生物炭作为 CRI 系统滤料组分的研究鲜有报道。因此，本研究以廉价易得的羊粪为原料制备生物炭并将其应用于 CRI 系统，以期为强化CRI 系统污水处理性能提供一种新的滤料选择，同时为羊粪废弃物的资源化利用提供一种新的方式。

　　1材料与方法

　　1.1 羊粪生物炭的制备

　　废弃羊粪取自雅安市某养殖场，干燥后剔除石粒、草叶等杂质，粉碎后过60目筛。取筛出物干燥，称取适量置于带盖的坩埚内，在马弗炉内加热至650℃(升温速率：20℃/min)后维持180 min。冷却后取出增塌，每1 g固体产物中加入20 ml盐酸溶液(1.0 mol/L)，在室温下以150 r/min的频率振荡30 min，重复3次，以尽量去除产物中残余的灰分。

　　结束后，用去离子水冲洗滤渣，直到滤出液呈中性状态。最后，取滤渣烘干至恒重，过100目筛后的筛出物即为羊粪生物炭，储存备用。

　　1.2实验装置及运行条件

　　采用2个平行启动的CRI系统(编号分别为CRIL、CRI2)作为反应器。柱体均采用聚氯乙烯材料加工而成，柱高和内径分别为180 cm、7cm，滤料层高150 cm.其中，CRII系统的滤料层全部选取天然河砂作为滤料，河砂粒径为0.5 mm-1.0 mm，CRI2系统的滤料层则选取混合均匀后的天然河砂、羊粪生物炭作为滤料，两者体积占比分别为70%、30%。滤料层的上方和下方分别设有缓冲层和承托层，均采用粒径为0.5 cm-1.5cm的碎石进行填充，厚度均为5cm。采用布水器从滤柱顶部的布水层由上往下均匀布水，计量泵控制布水量，定时器控制布水时间。实验期间控制温度在25℃ ±5℃，每12 h完成一个运行周期(淹水3h、落干9 h)，水力负荷维持在1.0 m'/(m2.d)。

　　1.3进水条件与接种污泥

　　采用成都某高校学生公寓区的生活污水作为处理对象，实验期间污水COD.NH，-N.TN.TP浓度范围依次为202.1~279.6.38.2-46.3.42.5 ~51.9.2.9-4.4 mg/L，pH为6.5-8.2，为防止滤料堵塞，进水前需采用初沉、筛滤等预处理手段使污水中较粗大的颗粒物或其他杂质得以去除。采用接种活性污泥的方式对滤料进行微生物挂膜，泥源来自实验室稳定运行的SBR反应器(MLSS为4 300 mg/L)。

　　1.4分析项目与方法

　　羊粪生物炭灰分含量采用灼烧法测定：元素含量采用元素分析仪进行测试：孔隙分布采用比表面积分析仪进行测试：表面形貌特征通过扫描电镜进行分析。水质COD.NH-N.TN、.TP.pH值等均采用国家环保总局颁布的《水和废水监测分析方法(第四版)》标准方法进行检测。

　　2结果与讨论

　　2.1羊粪生物炭结构特征

　　羊粪生物炭的产率、元素含量及孔隙分布分析结果表明，羊粪生物炭的产率为42.86%，说明在制备过程中的质量损失适宜，灰分含量(19.65%)适中。从元素组成及原子比来看，C.H、O.N质量占比分别为64.73%、1.92%、10.64%、2.41%，计算可知H/C <0.6.0/C <2，反映出羊粪生物炭具有较高的生化稳定性5。与此同时，所制备的羊粪生物炭拥有较大的比表面积(189.35 m"/g)、平均孔径(12.43 nm)和总孔容(0.252 cm"/g)。结合羊粪生物炭电镜扫描结果分析可知，该生物炭表面十分粗糙，具有大量的孔隙结构，将为吸附水中污染物提供有利条件。

　　2.2对COD去除的影响

　　启动运行期间2个CRI系统对污水中COD的去除情况如图1所示。从图1可知，CRII CRI2分别在前2.4d时对COD的去除率高达100%，这是由于该时期的滤料颗粒表面具有充足的吸附点位和截留空间，短期内可快速吸附和截留污水中的有机物所致。由于该阶段生物膜还未形成，吸附和截留的有机物不能被微生物充分降解，当吸附点位和截留空间趋于饱和时，残余有机物开始增加，去除率开始随之降低，CRIL.CRI2系统分别在第20 d.15 d时对cOD的去除率降至最低，分别为44.3%、63.7%。

　　随着CRI系统的继续运行，接种污泥中的微生物开始适应新环境并在滤料颗粒上增殖，相互黏聚而生成具有一定厚度的生物膜，对COD的利用效率逐渐提高，CRII系统从第74 d起对COD的去除率高于80%，稳定运行后，COD去除率均值为83.6%，CRI2系统从第63d起对COD的去除率超过90%，稳定运行期COD平均去除率为95.2%，相比CRII系统启动时间缩短了 11 d，COD 去除率提高了 11. 6% 。

　　由此可见，添加羊粪生物炭作为滤料的CRI系统将获得更高的挂膜启动效率，主要原因有以下3个：(1)羊粪生物炭有着巨大的比表面积、丰富的孔隙结构，可高效吸附或截留污水中的有机污染物;(2)羊粪生物炭的粒径较小，丰富了CRI系统内滤料的颗粒级配，合理的颗粒级配能有效提高纳污能力和滤料利用率，有利于提高对有机物的处理效果;(3)羊粪生物炭可作为微生物挂膜的优良载体，其粗糙的结构特征对微生物的生长繁殖十分有利，可加速滤料表面生物膜的形成和稳定，为强化有机物去除效果提供基础。

　　2.3 对NH，-N、TN去除的影响稳定运行期间2个CRI系统对NH，-N.TN的去除效果如图2所示。可以看出2个CRI系统脱氮效果均较为稳定，但CRII系统的出水NH，-N.TN浓度明显高于CRI2系统.CRI2系统对NH，-N TN的平均去除率分别达到92.8%、67.6%，相比CRII系统分别提高了17.5%、36.8%，可见添加羊粪生物炭后CRI系统的脱氮性能得到了强化。

　　值得注意的是，NH，-N在CRII系统内的去除率均值达75.3%，但TN去除率均值却仅有30.8%，可见NH，-N被滤料吸附或截留后，最终并未被生物膜上的微生物充分转化为气态氮实现真正的脱除，而大部分仅转化为NO2-N.NO，-N等形态随水排出，导致出水中TN浓度仍然较高。从传统生物脱氮基本流程可知，污水中的NH，-N进入好氧区后，在AOB(氨氧化菌)的作用下生成NO2-N，再在NOB(亚硝酸氧化菌)的作用下生成NO，-N：进入缺氧区后，DNB(反硝化菌)利用污水中的有机物为碳源将NO，-N(或NO2-N)还原为N2，CRII系统由于滤料成分较为单一，对污染物的吸附和截留性能相对较差，AOB，NOB、DNB在生物膜上的生长繁殖未能处于较佳状态，对有机物的利用率也不足，无法同时实现对NH，-N.N02-N.NO，-N的高效转化，导致TN去除效率偏低，出水水质较差。

　　CR12系统对TN的去除效果有大幅提升，这与羊粪生物炭的添加为反硝化脱氮提供了有利条件有关。首先，羊粪生物炭促进了生物膜的形成和稳定，有利于DNB的高效富集，为反硝化提供了良好的微生物基础：其次，羊粪生物炭对NH，-N的吸附效果较好，能在更短的滤料层完成NH，-N的硝化，使后续滤料层可被反硝化菌利用的有机物量更加充足，同时提高了脱氮和除碳效率;此外，下层滤料中未被及时转化的部分NH，-N和NO2-N有可能发生厌氧氨氧化，在缺/厌氧条件下共同转化为气态氮而使氮素污染物被进一步去除。

　　2.4对TP去除的影响

　　如图3所示稳定运行期间2个CRI系统对TP的去除效果。由图3可知，2个CRI系统出水TP浓度分别为1.13-1.81.0.25-0.71 mg/L，其中CRI2系统对TP的平均去除率为87.4%，相比CRII系统提高了28.3%。分析认为，滤料的吸附作用、共沉淀作用和微生物的新陈代谢作用是CRI系统对污水中磷素污染物的主要去除途径。添加羊粪生物炭后，磷素污染物能更高效的被吸附和截留在系统内，一方面可与滤料中所含微量 Ca、Fe、Al、Mg 等金属离子反应形成磷酸盐沉淀[7]，另一方面可被生物膜上的聚磷微生物同化和异化去除，从而使 CRI 系统的除磷性能得到强化。

　　3结论

　　添加羊粪生物炭作为滤料组分后，CRI系统表现出更好的除碳(COD)、脱氮(NH，-N、TN)、除磷

　　(TP)功能，同时具有更高的挂膜启动效率，对污染物的处理效果得到明显改善。羊粪生物炭具有较高的生化稳定性、丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，为增强滤料的吸附、截留功能创造了有利条件，为CRI系统高效处理污水中的C.N，P等污染物提供了基础，同时生物炭还可为微生物提供良好的挂膜载体，加速滤料表面生物膜的形成和稳定，从而强化了CRI系统的污水处理性能，同时也为羊粪的资源化利用提供了一条新途径。

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