生物炭吸附法处理氨氮废水的研究进展

生物炭吸附法处理氨氮废水的研究进展

李博,吕永建

日照巴洛特药业有限公司 山东 日照 276826

摘要：亚甲基蓝（MB）作为一种阳离子有机合成染料，在医疗、印染行业中得到广泛应用。然而，高剂量的MB染料容易导致呕吐、心输血量降低、眼睛发炎以及严重的皮肤问题等，排入水体中会抑制水生系统的光合作用，继而造成水体污染。目前，去除废水中MB的方法主要有吸附法、膜过滤法、臭氧氧化法及多相光催化法等。其中吸附法在染料废水处理领域应用最为广泛，工业应用中常见的吸附材料有生物炭（BC）、粉煤灰、膨润土和沸石等。其中BC的原料来源广泛，研究者通过采用热化学方法将秸秆、稻壳、畜禽粪便、污水污泥等有机固体废物制备成BC，结果发现由纯生物质制备BC的吸附能力相对有限。本文对生物炭吸附法处理氨氮废水的研究进展进行分析，以供参考。

关键词：氨氮废水；生物炭；吸附机理

引言

氨氮废水来源广，化肥、炼油、无机化工、肉类加工、饲料生产以及有色金属冶炼行业都会产生大量浓度较高的氨氮废水。另外，在农业生产中大量化肥的利用效率不高造成了氨流失，加上动物的排泄和垃圾渗滤液的随意排放等因素，使水体中的氨氮浓度愈来愈高，进而引起水体富营养化。

1氨氮废水概述

近年来随着石化行业迅速发展，许多化工企业纷纷成立，其在日常经营过程中会产生大量废水，而这些废水会对环境造成巨大破坏，严重阻碍我国化工企业的可持续发展。根据《2020年环境统计年报》，全国废水中氨氮排放量为238.5万吨，其中工业废水氨氮排放量为23.2万吨，占氨氮排放总量的9.7%。与生活污水相比，冶金、化肥、皮革、养殖等工业企业排放的废水的氨氮浓度往往很高，无法直接进行生化处理以达到排放要求，需要在接入市政污水管道前或者是生化处理前进行预处理，降低废水的氨氮浓度。随着当前环境污染加剧，高氨氮废水的处理问题已经成为社会关注的焦点。氨氮废水含有大量的氨离子与游离氨，一旦被化工企业排入大海或者湖泊，很容易造成水体富营养化，不利于当地工业可持续发展。因此对氨氮废水进行处理非常重要，有色冶金企业需要对废水排放进行严格管理，如何在预算有限的情况下处理好氨氮废水已经成为冶金企业必须解决的一个问题。

2生物炭的改性方法

生物改性是将特定微生物与生物炭结合进而改善其表面吸附特性。首次提出通过培养富铁金孢菌将铁离子嵌入到微生物细胞中，从而得到富含铁的生物质原材料，经过700℃氩气环境下裂解得到磁性生物炭材料。研究表明，该改性生物炭具备较大的比表面积和较高的双氯芬酸去除能力，此方法改性后具磁性而易于固液分离。利用磷溶菌（PSB）对稻壳和污泥生物炭进行不同时间的改性，研究了其对水体中Pb2+和Cd2+的修复机制，研究表明，磷溶菌（PSB）显著改善了生物炭的孔径结构、比表面积和表面官能团显著增加，促进了生物炭中C和P元素的释放，优化了生物炭表面的生物矿化机制。生物法改性生物炭具有节能环保等优点，但目是否存在其他相关性问题，需要更多的实际应用去证实。

3吸附机理

在SBC/ATP对MB的吸附过程中存在多种相互作用机制，结合表征及不同影响因素实验结果，推测其主要吸附机制可分为以下5种：（1）与SBC相比，SBC/ATP的比表面积和孔容均有所提高，同时SBC/ATP对MB的吸附量也有所增加，表明孔隙扩散作用为主要吸附机制之一；（2）在吸附过程中，MB中的氮原子与−COOH、−OH中的氢原子形成氢键相互作用；（3）SBC/ATP中的Si−O−Si能与MB的芳香结构产生π-π相互作用，使其可作为吸附MB的活性位点；（4）在中性或碱性条件下，SBC/ATP表面因去质子化而带负电荷，并与溶液中的MB+通过静电作用相互吸引；（5）ATP的负载增强了SBC/ATP整体的阳离子交换能力，并与MB+产生离子交换作用。综上所述，SBC/ATP对MB的吸附机制主要包括孔隙扩散作用、氢键作用、π-π相互作用、静电作用以及阳离子交换作用等。

4生物炭吸附法处理氨氮废水的研究进展

4.1光催化与生物炭联合技术

目前光催化技术处理低浓度氨氮废水的单质半导体材料主要以TiO2系列、ZnO系列催化剂为主，但是TiO2材料光催化处理水中NH4+-N也存在着许多问题，因为TiO2颗粒较小，在溶液中易发生团聚现象，分散性较差，对光源的利用率较低，并且回收利用困难。所以针对此类问题主要采取的方法为改性、掺杂或负载等方式，其中负载主要是通过化学或者物理方法来将活性炭生物炭等负载到光催化材料表面。为研究光催化材料与生物炭复合对低浓度氨氮废水的降解效果，通过水热法制备TiO2/生物炭复合材料，在自制的光催化反应装置中通过控制氨氮的初始浓度为50mg/L，TiO2/生物炭的投加量为1.5g/L，紫外灯照射溶液120min，二氧化钛负载量为20%，废水溶液的初始pH为11.0，在60℃的条件下，NH4+-N去除率能够达到100%。常温条件下（30℃）去除率可以达到67%。该方法制备的复合材料二氧化钛均匀的附着在生物炭的表面及其孔隙里，解决了单一二氧化钛易团聚，分散性差等问题，而且TiO2/生物炭复合材料对低浓度氨氮废水有较好的降解效果。将大麻茎作为生物质材料，用粉碎机粉碎成小颗粒（<1.55mm）,并通过悬浮液剧烈搅拌10分钟，然后超声处理20分钟超声波处理后，将大麻茎在75°C的烘箱中干燥5小时，以获得TiO2/大麻生物炭。制备的生物炭在紫外光照射下，氨氮的去除率达到99.7%使用TiO2-CuO/大麻生物炭在阳光下降解氨氮效率约60.7%。并研究了催化剂的可重用性和稳定性，结果表明，所制备的复合材料在水中具有高稳定性和优异的回收性能。

4.2生物炭三维电极技术

三维电极技术是在传统的二维电极极板中添加粒子材料，该粒子电极材料作为极板中的复性电极，可以增大该体系的面体比、吸附强度和传导强度，以实现相对于二维电极更强的污染物去除效率。在三维电极处理氨氮废水研究中，氨氮的转化途径主要分为两个方面：一是部分NH4+-N被直接氧化成N2，另一方面是通过生成的·OH间接氧化作用从而转化为NO3-。通过实验研究生物炭三维电极去除废水中氨氮的作用机理，将生物炭用作三维电极反应器的反应介质，在溶液氨氮初始浓度ρ0=100mg/L，反应时间t=3h，施加电场的条件下，氨氮的去除效率达到45.72%。

结束语

目前针对生物炭及其改性方法的讨论很多，但大多集中在实验阶段上，在应用操作中缺乏实际经验，可能会限制生物炭的大规模制备和使用，因此要通过试验推动其实际应用发展，选择合适的改性方法优化生物炭的吸附性能。生物炭对有机物具有良好的吸附效果，在制备及改性生物炭的实验过程中，不同生物炭对于特定污染物的去除效果不同，应分析目标污染物的种类及制备条件，选择合适的改性方法。

参考文献

[1]肖淑颖.改性生物炭吸附材料制备及其对磷的吸附行为研究[D].东南大学,2021.

[2]丁炼.富铁生物炭吸附法与生物滴滤法脱除尾气中SO_2的研究[D].华中科技大学,2021.

[3]吴斌.铁铈改性生物炭吸附铕、锑的研究[D].绍兴文理学院,2021.

[4]赵欢欢.玉米秸秆热解特性及其生物炭吸附Pb（Ⅱ）的性能研究[D].郑州大学,2021.

[5]乔鑫,王朝旭,张峰,崔建国,李红艳.生物炭基好氧反硝化细菌固定及去除水中硝态氮[J].水处理技术,2020,46(07):37-44.