【word】 木炭和活性炭对沼液中氨态氮、总磷和化学需氧量的吸附效果

【word】 木炭和活性炭对沼液中氨态氮、总磷和化学需氧量的吸附效果 木炭和活性炭对沼液中氨态氮、总磷和化学 需氧量的吸附效果 贵州农业科学2012,40(3):2O4,206 GuizhouAgriculturalSciences [文章编号31001—3601(2012)03—0159—0204—03 木炭和活性炭对沼液中氨态氮,总磷和化学需氧量的吸附效果 陈思琳,刘方,张登宇,方聪波 (1.贵州大学资源与环境工程学院,贵州贵阳550003;2.贵州省瓮安县环保局,贵州瓮安550400) [摘要]为木炭运用于沼液吸附处理及循环利用提供理论依据,在沼液中加入木炭与活性炭进行静态 吸附试验,分析木炭对沼液中氨态氮(NH+一N),总磷(TP),化学需氧量(COD)的吸附效果.结果表明:木炭 对沼液中高浓度的NH4+一N,TP和cOD均有一定的吸附作用,其吸附容量分别为2.19mg/g,0.5mg/g和 18mg/g;活性炭对NH+一N的吸附效果比木炭好,其饱和吸附容量是木炭的1.73倍;木炭与活性炭对沼液 中TP和COD的吸附效果相差不大;木炭可以作为吸附材料处理沼液中的NH一N,TP及cOD. [关键词]生物质炭;木炭;活性炭;沼液;吸附效果 [中图分类号]S-19[文献标识码]A AdsorptionEffectofCharcoaIandActivatedCarbonon NH+.N,TPandO0DinBiogasSlurry bo0 CHENSi—lin,LIUFang,ZHANGDeng—yu,FANGCong— (11.CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550003;2.Weng’an EnvironmentalProtectionBureau,Weng’an,Guizhou550400,China) Abstract:Astaticadsorptionexperimentwasconductedbyputtingcharcoalandactivatedcarboninto biogasandtheabsorptionlevelsofNH+一 N.TPandCODinthebiogaswereanalyzedtoprovidetheoretical basisforcharcoal’Sapplicationinbiogasadsorptionandrecycling.Theresult sshowedthatcharcoalhas certainabsorptiononNH4+一 N,TPandCODofhighconcentrationsinbiogasandtheabsorptioncapacities are2.19mg/g,0.5mg/gand18mg/grespectively.However,activatedcarbonhashigherabsorption 1evelonNH{一 Nthancharcoa1by0.73times;AndtheirabsorptioncapacitiesonTPandCODaremoreor lessthesame;charcoalcanbeusedforNH+-N,TPandCODtreatmentinbiogasasadsorbingmateria1. Keywords:biomasschareoal;chareoal;activecarbon;biogasslurry;absorpti onefficacycomparison 近年来,随着规模化畜禽养殖业的迅速发展,大 中型沼气工程得到广泛应用,取得良好的能源,环保 和经济效益.但是,大中型沼气工程的建设和推广 应用中仍存在很多问,例如规模化养殖场的沼液 排放量大,经过厌氧发酵处理的沼液中仍含有高浓 度的氮,磷和腐植酸等营养成分口j,是很好的有机肥 料,如果直接排放必然造成资源浪费,且极有可能形 成水体富营养化.虽然可通过返还农田进行消化, 但目前大中型沼气工程多修建在城镇或市郊,沼液 就地消化有一定的难度,施用不当容易流失引发农 业面源污染l2],在渗漏风险较大的地区甚至引起地 下水环境体系的破坏.而沼液远距离输送成本较 高,因此,如何对沼液进行低成本的深度处理,并将 沼液资源化,商品化,是一个亟待解决的问题. 利用丰富的农业废弃物资源制成成本低廉的生 物质炭,被广泛应用于土壤改良剂,包膜化肥缓释 剂,重金属治理及空气净化等领域],生物质炭在 水处理领域的应用及面源污染控制方面也越来越受 到关注,但主要是集中在活性炭吸附方面的应用,对 [收稿日期] [基金项目] [作者简介] *通讯作者: 于木炭(白炭)吸附的应用不多.鉴于生物质炭对废 水中氨态氮(NH+一N),总磷(TP)和化学需氧量 (COD)吸附处理具有一定的潜力,笔者等以木炭 (青冈木烧制而成的生物质白炭)为例,分析木炭与 活性炭对沼液中NH4+一N,TP,COD的吸附处理效果, 以探索木炭替代活性炭吸附的可行性,从而降低污染 治理成本,为进一步探究木炭作为人工湿地基质吸附 处理养殖废水的资源化利用奠定理论基础,为沼气工 程中厌氧发酵液后处理提供循环利用途径. 1材料与 1.1材料 1.1.1沼液样品沼液样品采集于贵阳市三联乳 业乌当生产基地黄家坝奶牛养殖场的粪污厌氧消化 液,棕黄色,浑浊,悬浮物含量高,具强烈的刺鼻气 味.采集水样过300目筛,沼液的水质为NH+一N 243.5mg/L,TP97.95mg/L,COD3340mg/L. 1.1.2供试木炭和活性炭木炭为市售,由青冈 木于炭窑中烧制而成的生物质白炭,质地坚硬;活性 2Ol1-12-20;2012-02—20修回 科技部农业科技成果转化资金项目”贵州液态奶加工关键技术熟化与转化”(2009GB2F200329);贵阳市科技局农业科技攻关 项目”奶业粪污处理及循环利用技术研究”(2009—2—017);贵州大学研究生科技创新项目”生物质炭吸附处理奶牛场养殖废水 中N,P及其资源化利用的研究”(校研理工2011010) 陈思琳(1987一),女,在读硕士,研究方向:环境污染控制与固体废物资源化.Email:sillycsl一2006@yahoo.corn.cn 刘方(1964一),男,教授,博士,博士生导师,从事固体废物资源化研究.E—mail:lfang6435@163.com 陈思琳等木炭和活性炭对沼液中氨态氮,总磷和化学需氧量的吸附效果 CHENSi—linetalAdsorptionEffectofCharcoalandActivatedCarbononN HN.TPandCODinBiogasSlurry 炭采用广州某试剂厂生产的柱状活性炭,由含炭原 料经高温炭化和活化制得,国家限制生产(生产过程 对水体产生污染),其价格是木炭的10倍左右.因 为粉末状的吸附剂材料难以控制,容易随水流流失 造成吸附剂的损失,而颗粒状的吸附剂稳定不易流 动,且便于回收利用,所以将木炭与活性炭烘干后均 研磨过筛,得到2O,4O目的颗粒状,使用前用去离 子水加热煮沸后烘干装入封口袋,贴标备用. 1.2方法 准确称取2.000g木炭和活性炭,置于150mL 三角瓶中,均量取100mL废水样液移人,在室温下 作静态吸附试验,每3h进行1批过滤,设置3h, 6h,9h,12h,24h共5批.分析滤液中NH4+一N, TP,COD的质量浓度,并对比木炭与活性炭的吸附 效果. 1.3分析项目 COD采用重铬酸钾微回流消解法_7],使用 DR2800哈希分光光度计在入一620nm处测定; NH一N采用纳氏试剂分光光度法(HJ535—2009), 使用紫外可见分光光度计752N型在一420nm处 测定;TP采用钼酸铵分光光度法(GB11893—89), 使用紫外可见分光光度计722N型在一700nm处 测定. 2结果与分析 2.1木炭与活性炭对NH一N的吸附效果 1)吸附容量.图1看出,吸附3h时,木炭对 NH一N的吸附容量为2.05mg/g;3,12h,木炭的 吸附容量平均保持在2.19mg/g左右;12,24h,吸 附容量较前一阶段减低0.425mg/g,,木炭在 吸附3,12h阶段已达到吸附饱和,其饱和吸附容 量约为2.19mg/g.活性炭对NH一N的吸附容量 在3h迅速达2.57mg/g,随着吸附时间的延长吸附 容量呈缓慢上升趋势,12h时达3.77mg/g,12,24 h仅比12h时增加0.025mg/g,说明,活性炭在12 h时已经达到饱和,其饱和吸附容量约为3.77mg/ g,是木炭的1.73倍.这可能是因为木炭与活性炭 对NH+一N的吸附机理虽然相同(均以物理吸附为 主,对NH4+一N的吸附主要靠分子与分子间的范德 华力吸附水中氨分子形式的氮),但由于活化使活 性炭的内部形成大量的微孔结构,液相中的无机氨 分子经表面吸附积累后逐渐进入内部孔道,故吸附 容量逐渐趋升;而木炭对NH[一N的吸附集中在表 层,吸附饱和后木炭内外浓度差大,且废水中其他吸 附质的竞争吸附而破坏吸附平衡,出现一定程度的 脱附,故木炭的吸附容量在24h时降低. 2)沼液中NH一N的浓度变化.由图1还可 看出:木炭,活性炭对沼液进行吸附处理后,沼液中 的NH{一N浓度均随吸附时间的延长而降低.24h 喜g 篓萤 UjblZ24 吸附时间/tl Adsorptiontime 图1木炭与活性炭对NH+一N的吸附容量及沼液中 NH+一N的浓度 Fig.1Adsorptioncapacityofcharcoalandactive carbononNH+一NandtheNH一N concentrationinbiogasslurry 内,2.000g木炭的吸附使沼液中的NH一N浓度由 243.5mg/L降到197.1mg/L;活性炭的吸附能力稍 强,NH+一N浓度降到167.5mg/L.说明,木炭与活 性炭对沼液中高浓度的NH__一N有较好的吸附效果, 活性炭的吸附效果略高于木炭. 2.2木炭与活性炭对TP的吸附效果 1)吸附容量.废水中TP的初始浓度为 97.95mg/L,吸附剂投加量为2.000g的条件下,木 炭和活性炭对沼液中TP的吸附容量均随吸附时间 的延长而增加.在吸附0,9h,活性炭相对木炭而 言,其吸附容量增加较快,9h后,活性炭和木炭对 TP的吸附容量基本保持不变(图2).因此,木炭和 活性炭在9h左右已基本达到吸附饱和,木炭的饱 和吸附容量约为0.5mg/g,活性炭约为 0.587mg/g,是木炭的1.17倍. 2)沼液中TP的浓度变化.通过木炭,活性炭 对沼液的吸附处理,沼液中的总磷浓度均随吸附时 间的延长而降低,经过24h的静态吸附,沼液中总 磷浓度分别为87.95mg/L和85.45mg/L(图2). 因此,木炭与活性炭对沼液中高浓度的总磷的吸附 效果均不理想,两者对沼液中TP的吸附效果差异 不大.这可能是因为介质化学性质(CEC,钙镁,交 换性A1等含量)对磷吸附的影响呈极显着关系,而 两种炭质吸附剂对磷的吸附主要依赖其物理性质, 磷吸附量与吸附介质的孔隙度或比表面积呈正相关 i戛啪啪??o 目0?自?0口00z当z —r『,s一,蜷z.z 贵州农业科学 GuizhouAgrieulturalSciences ?l删g 篓 , 冀l 置昌 吸附时『司/h Adsorptiontime 图2木炭与活性炭对TP的吸附容量及沼液 中TP的浓度 Fig.2Adsorptioncapacityofcharcoalandactive carbononTPandtheTPconcentration inbiogasslurry 性但不显着J. 2.3木炭与活性炭对COD的吸附效果 1)吸附容量.从图3看出,活性炭在3h内快 速吸附COD,吸附容量迅速达11.12mg/g,6h时吸 附容量达到最大,为16.12mg/g,6h后基本保持稳 定并有小幅度下降;木炭在3h内吸附缓慢,吸附容 量为1.75mg/g,3h后吸附速率迅速攀升,在6h时 吸附容量达11.25mg/g,之后一段时间基本保持稳 定,9h后继续延长吸附时间,木炭的吸附容量又有 一 定程度的增加,在24h时达到最大,吸附容量为 18mg/g,是活性炭的1.12倍.这可能是因为木炭 和活性炭对废水中COD的吸附效果与吸附剂和溶 液中吸附质的孔径大小有关,孔隙分布对其吸附容 量影响较大.由于分子筛作用,活性炭对大分子量 有机物吸附效果不好,活性炭孔径1/2,1/10的有 机物分子可被吸附去除_g..活性炭微孔分布居 多,沼液中含有大量的腐植酸等大分子有机物口不 容易通过微孔,且高浓度下不利于活性炭的吸 附口引.木炭有大量的过渡孔,而腐植酸等大分子的 吸附相当一部分发生在过渡孔区. 2)沼液中COD的浓度变化.图3还可看出, 通过木炭,活性炭对沼液的吸附处理,沼液中的 COD浓度均随着吸附时间的延长而发生较大变化. 活性炭的吸附使沼液中的COD浓度在6h内由 3340.0mg/L降到3017.5mg/L,2g木炭经过24h 的吸附后,能使沼液中的COD降到2980mg/L.因 此,木炭与活性炭对沼液中的高浓度的COD均有 喜 巷 昌U 吸附时间/h Adsorptiontime 图3木炭与活性炭对COD的吸附容量及沼液 中COD的浓度 Fig.3Adsorptioncapacityofcharcoalandactivecarbonon C0DandtheCODconcentration inbiogasslurry 较好的吸附效果,短时间内木炭与活性炭对沼液中 cOD的吸附效果差别不大,吸附时间较长时,木炭 对COD吸附作用优于活性炭. 3结论与讨论 1)木炭对高浓度的NH-N,TP,COD均有一 定的吸附作用,其吸附容量分别为2.19mg/g, 0.5mg/g,18mg/g.活性炭对NH4+一N的吸附效果 比木炭好,其饱和吸附容量是木炭的1.73倍,可能 是因其发达微孔结构占一定优势.木炭与活性炭对 沼液中TP和C0D的吸附效果相差不大. 2)考虑木炭对高浓度的NH一N,TP,COD的 吸附处理潜力,可将木炭应用于养殖废水的吸附处 理,降低废水中NH一N,TP,COD浓度,并作为植 物生长基质进一步循环利用.由于其多孔结构能够 为微生物提供繁殖场,可以增强湿地系统对氮磷的 去除能力_】,还可进一步探究以木炭作为人工湿地 基质应用于沼气工程厌氧发酵液的后处理,遵循生 态农业资源循环利用模式,种植蔬菜及生产牧场草 皮等. 3)由于木炭对沼液中NH一N,TP,COD的吸 附主要是物理吸附,基质填料吸附饱和后添加到当 地土壤中改良土壤肥效,进一步循环利用,可加工后 作为盆栽植物或屋顶绿化等的植物生长基质轻质材 料出售,运输相对便捷.因此,将农业废弃物加工成 生物质炭,合理应用于规模化养殖场的高负荷 (下转第210页) 加m8642O 贵州农业科学 ‘ 210?GuizhouAgriculturalSciences 化比较平缓.生态危害顺序为Hg>Cd>cu>染及其潜在生态 危害[J].农业环境科学, A 皂. s 宙 > 目 Pb 亚 > 舌 Zn妻’潜毫系冀,套[1.]龚2005霞,24,刘(5)淑:9娟45,-曹95维1.鹏, 等.鄱阳湖及支流底泥中重苎童最严重, 其含尊金篓:.竺苎妻塑属蔷墨篡;c.数在6, 24cm处的RI值较大,处在生态危害程度一……一.,一’ 强或较强区域.由此表明,麦西河IZl底泥中重金属[11]刘小真,周文斌,胡丽娜,等. 乐安江湾头镇段底泥重 [参考文献][121汤红亮 ,王超,李勇,等.里运河底泥重金属空间 a1sinthesouthYe1lowSeasurfacesediments[J].En一[151LarsH~kanson.Anecologicalriskindexforaquatic [6]黄先飞,秦樊鑫,胡继伟,等.红枫湖沉积物中重金属[191邓秋静,宋春然,谢锋,等.贵阳市耕地土壤重金属 场的面源污染问题,又为规模化畜禽养殖场创造一[71张庆冬,赵东风,赵朝成.吸附法脱氮现状及常用吸附 塞霎蓑,为规模化畜禽养殖业的可持续发展[.]犟桨I骆~世明.人,2工00湿2地,24基(2质)磷:43吸-4特性与提供有效途径. .羹省莘:.磊 [2]武淑霞.我国农村畜禽养殖业氮磷排放变化特征及其理及存在问题[M]. 高尚寓,译.南京:东南大学出版 [3]炭璺吸附材的研窄.避曼口恕l高尚陈 国望謇?.?年舍璺垦[121砉鹏摹,娟,等.活性炭纤维处理腐植酸与 工程发展战略论坛论文集?北京:[出版者不详],]篮赫.写霸20…10.).:4.9………. … 2007. 一 萍耋口.慧删栅究I-重金属离子1]? 化学与生物工程,O..,.[14];;,,,料对生活污水的 [5]若’赵广杰.新型生物质碳材料的研究进展[J].吸附性能分析[J]?水处理技术,.0.,.’?:37-39.