固废生物炭净化处理猪场废水研究初探

中国农学通报2015,31(23):122-126ChineseAgriculturalScienceBulletin固废生物炭净化处理猪场废水研究初探孙丽丽，李文英，李夏，卢钰升，解开治，顾文杰，蒋瑞萍（广东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省养分循环利用与耕地保育重点实验室，广州510640）摘要：为了探索固废生物炭对集约化猪场废水的净化处理效应，选取玉米秸秆(CS)、松球(PC)、开心果皮(PS)、棕榈皮(PR)等4种不同农林固体废弃物生物质材料制取生物炭，处理编号分别为CS500、PC500、PS500、PR500、PR700，对其理化特性及对猪场废水的吸附净化效果进行了初步研究。结果表明，不同来源的生物炭材料组分存在一定差异，同时生物炭各组分含量还受裂解温度的影响，其中玉米秸秆生物炭CS500的C、K、Cu、Zn含量最高，棕榈皮PR500的N、P、Fe含量最高，而棕榈皮PR700的Ca、Mg含量和pH最高；5种材料对猪场废水都有一定的净化效果，其中化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)的吸附效果明显，最大吸附量分别为81.62、43.67、10.46mg/g，总磷(TP)效果不显著。综合考虑，CS500的吸附效果最优，对COD、NH3-N、TN、TP的吸附量分别为81.62、20.75、10.46、1.19mg/g。本研究对农林固废生物炭的吸附净水效应做了初步探讨，为进一步开发利用生物炭材料在污水处理工程中的应用提供科学参考。关键词：固体废弃物；生物炭；集约化猪场废水；净化处理中图分类号：X703.1文献标志码：A论文编号：casb15040094PurificationEffectofSolidWasteBiocharonIntensivePiggeryWastewaterSunLili,LiWenying,LiXia,LuYusheng,XieKaizhi,GuWenjie,JiangRuiping(InstituteofAgriculturalResources&Environment,GuangdongAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofSouthRegionPlantNutritionandFertilizers,MinistryofAgriculture/KeyLaboratoryofNutrientRecyclingandFarmlandConservation,Guangzhou510640)Abstract:Theaimwastoexplorethepurificationeffectofsolidwastebiocharonintensivepiggerywastewater.Fourkindsofcommonbiomassfeedstockwhichwerecornstovers(CS),pinecones(PC),pistachiosshells(PS),palmresidues(PR)fromagricultureandforestryecosystemwereusedtomakebiochars.FivetreatmentswerenamedasCS500,PC500,PS500,PR500,PR700,respectively.Physicochemicalpropertiesofthesesolidwastebiocharsandtheirpurificationeffectsonpiggerywastewaterwerestudied.Theresultsshowedthatcomponentcontentsofbiocharsfromdifferentfeedstocksweredifferent,andcouldalsobeaffectedbypyrolysistemperature.ContentsofC,K,Cu,ZninCS500andN,P,FeinPR500werethehighest,andcontentsofCa,MgaswellasthepHvalueinPR700werethehighest.FivekindsofbiocharswereusedtoremoveCOD,NH3-N,TN,TPfrompiggerywastewater,andtheirperformanceswerecompared.ThemaximumabsorptioncapacityonCOD,NH3-N,TNwas81.62,43.67and10.46mg/g,respectively,butthebiocharhadnosignificanteffect基金项目：广东省科技计划项目“生物滤池系统循环处理养殖废水研究及示范”(2014A020216020)；广东省科技计划项目“集约化猪场废水生态处理及其回灌农田关键技术研究”(2012B031000028)；广东省科技计划项目“广东省新型肥料与高效施肥工程技术研究中心建设”和“广东省新型肥料科技创新与服务平台建设”。第一作者简介：孙丽丽，女，1987年出生，内蒙古赤峰人，助理实验师，大专，研究方向：水污染控制及环境修复。通信地址：510640广州市天河区五山金颖路20号广东省农业科学院农业资源与环境研究所，Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]。通讯作者：李文英，女，1969年出生，山西阳曲人，副研究员，博士，研究方向：微生物资源及环境修复利用。通信地址：510640广州市天河区五山金颖路20号广东省农业科学院农业资源与环境研究所，Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]。收稿日期：2015-04-15，修回日期：2015-05-25。孙丽丽等：固废生物炭净化处理猪场废水研究初探onTP.Inconclusion,theabsorptioneffectofCS500wasoptimalwiththeabsorptioncapacityofCOD,NH3-N,TN,TPbeing81.62,20.75,10.46,1.19mg/g,respectively.Thestudycouldprovidesomescientificinformationforthefurtherdevelopmentandutilizationofbiocharmaterialsinwastewatertreatment.Keywords:solidwaste;biochar;intensivepiggerywastewater;purificationtreatment0引言随着集约化养殖业推动经济的快速发展，随之而来的环境问题愈加严重，尽管大部分养殖粪水经过厌氧和好氧工程处理后能够达标排放，但还可能对受纳水体及周边环境造成一定的生态风险，仍为许多农村地区的重要污染来源，需要进一步进行深度净化处理[1-2]。生物炭为生物质材料在无氧或缺氧条件下经700℃以下高温裂解产生的富碳固体，环境中存在的木炭、焦炭、烟炱等均属生物炭。近年来，生物炭的应用在固碳减排[3]、土壤改良[4-5]、污染治理[6]、环境修复[7]等领域取得了一定实效，因此，生物炭的生产、改良和应用研究引起了各行科技人员的极大兴趣[8]。生物炭具有较强的吸附性能，与其他吸附剂相比[9]，生物炭拥有材料来源经济、生产工艺简单、易于重复利用等优良特性，对氮磷化合物[10]、有机物[11-12]和重金属[13-14]等环境污染物都有较强的吸附能力。将农林废弃物等生物质材料用于养殖废水净化处理，通过制备生物炭吸附处理，既净化了水体，又将作物营养元素进行了富集，水资源循环利用的同时富集营养元素的生物炭则可用于调节土壤肥力，集无害化处理与资源化利用为一体，已成为水污染控制技术研究的重要发展趋势[15]。笔者拟利用4种不同来源的生物质农林固体废弃物制备生物炭材料，并对各种材料的理化特性及去除猪场废水污染物效应进行比较研究，以期为进一步利用生物炭材料在养殖废水净化处理中提供科学参考，为养殖业可持续发展提供技术保障。1材料与方法1.1试验材料1.1.1生物炭材料的来源和制作制备原料玉米秸秆(CS)、松球(PC)、开心果皮(PS)、棕榈皮(PR)等固体废弃物来自伦信农业有限公司种植基地。生物炭的制备采用氮气缺氧裂解法，其中裂解温度为500℃和700℃，裂解时间为1h[12]，以字母表示原料名称，数字表示裂解温度，生物炭分别标记为CS500、PC500、PS500、PR500、PR700。1.1.2供试猪场废水试验所用猪场废水采自广东省惠州市某集约化猪场大型沼气处理废液池内。1.1.3主要仪器FOSS8200凯氏定氮仪，FP6410火焰光度计，pB-10酸度计，7230分光光度计，日立ZA3300原子吸收光度计。1.2试验方法1.2.1试验设计于2014年10—12月在广东省农业科学院农业资源与环境研究所进行。试验对不同来源的生物炭材料进行废水净化处理试验，处理编号分别为CS500、PC500、PS500、PR500、PR700，对照CK为废水原液，每个处理组设3个重复。净化试验在室温(25±0.5)℃的条件下于250mL锥形瓶中进行；每组分别往锥形瓶中加入以上的生物炭样品各0.2g以及废水各100mL；在水平机械摇床中200r/min摇24h后，回收锥形瓶，对混合物进行过滤或离心分离；处理后废水样品混合均匀取样，立即进行各指标的水质分析测定，检测指标分别为：化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)。1.2.2测定方法（1）生物炭理化特性测定分析。生物炭理化特性测定主要采用森林植物与森林落叶层林业标准方法测定(LY/T1271—1999及LY/T1270—1999)，通过硫酸-过氧化氢及强酸消解分别得到氮磷钾检测液和钙镁检测液，生物炭的全氮采用凯氏定氮法测定，全钾采用火焰分光光度法测定，全磷采用分光光度法测定，其他钙镁等金属指标的测定全部由原子吸收法分别上机测定。碳含量采用农业标准有机肥(NY525—2002)中有机质含量测定方法测定，生物炭的pH由pB-10酸度计进行测定。（2）废水水质指标测定。废水水质指标测定方法参照《水和废水监测分析方法》[16]，采用水质测定相关国家标准（见表1）。1.2.3数据处理与分析各处理的测定结果采用Excel进行数据处理，计算吸附量并分析比较吸附能力。根据污染因子的初始浓度以及终末浓度之间的差值计算水质指标项目COD/(mg/L)NH3-N/(mg/L)TN/(mg/L)TP/(mg/L)分析方法重铬酸钾法纳氏试剂比色法碱性过硫酸钾法钼酸铵分光光度法方法来源GB7488—1987GB7479—1987GB11894—1989GB11893—1989表1废水水质指标测定方法··123中国农学通报出污染因子的吸附量。吸附量Qe(mg/g)计算公式如式(1)。Qe=(C0-Ce)V/M…………………………………(1)其中：C0、Ce分别是初始和终末浓度(mg/L)；M是吸附剂用量(g)；V是溶液的体积(L)。2结果与分析2.1生物炭的理化特性分析如表2所示，不同的生物质材料制备的生物炭，均属于碱性物质，其理化性质差异较大，CS500的碳(C)、钾(K)、铜(Cu)及锌(Zn)含量比PC500、PS500及PR类的要高，氮(N)、磷(P)及铁(Fe)含量PR500高于其他材料制取的生物炭，同时也高于PR700，说明裂解温度越高对该物质制成生物炭的磷素及氮素有一定损耗，然而钙(Ca)、镁(Mg)含量及pH呈现的则是PR700高于PR500。2.2猪场废水的污染特征分析供试废水采自集约化猪场大型沼气处理废液池内，虽经过沼气工程处理，但按照《GB18596—2001畜禽养殖业污染排放标准》[17]及《GB5084