陳 昱，才 碩*，時(shí) 紅,2，文陽(yáng)平，黃純輪，吳彩云

(1.江西省灌溉試驗(yàn)中心站 江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330201；2.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013；3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045)

自20世紀(jì)起，我國(guó)對(duì)于城市污染已引起了足夠的重視，但是對(duì)于農(nóng)村的環(huán)境污染和治理認(rèn)識(shí)嚴(yán)重不足。農(nóng)村水污染已迅速上升為我國(guó)水環(huán)境的第一大污染源[1]。由于深層次的農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與社會(huì)背景，使得我國(guó)農(nóng)村水污染治理的艱巨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)城市與工業(yè)污染治理。我國(guó)當(dāng)前農(nóng)村水污染治理的水平十分低下，種植業(yè)污染治理幾近空白，村莊生活污水及養(yǎng)殖業(yè)污水處理設(shè)施擁有率不足10%，設(shè)施建設(shè)質(zhì)量不高且正常運(yùn)行率不足20%。除受保護(hù)的水源地外，80%的農(nóng)村地表水體已經(jīng)不適宜人體直接接觸，40%的地下水已不適合飲用。盡管目前環(huán)境生態(tài)保護(hù)工作取得了積極進(jìn)展，但由于生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)村環(huán)境保護(hù)工作仍然滯后，農(nóng)村和農(nóng)業(yè)環(huán)境問(wèn)題未能得到有效遏制。由于公共衛(wèi)生設(shè)施跟不上社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，農(nóng)村污水、農(nóng)村生活中農(nóng)藥、化肥及居民生活垃圾、畜禽養(yǎng)殖廢棄物未能得到有效處理而直接排入水體，導(dǎo)致農(nóng)村河道出現(xiàn)臟、亂、差的現(xiàn)狀。這為實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，加強(qiáng)鄉(xiāng)村水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

農(nóng)村水環(huán)境污染主要是由于水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致，主要營(yíng)養(yǎng)元素為氮、磷。常見(jiàn)的方法有：物理化學(xué)法、生物法和生態(tài)法等。物理化學(xué)法包括有引水換水或活水循環(huán)[2]、增氧曝氣[3]、底泥清淤疏浚[4]和投入絮凝劑或活性炭進(jìn)行混凝沉淀和吸附、結(jié)晶進(jìn)行物理沉降[5-8]等方法。生物法主要有投放微生物種群[9]。生態(tài)法包括人工濕地[10]、生態(tài)塘[11]和生態(tài)浮床[12]等技術(shù)。與以上技術(shù)措施相比，本技術(shù)無(wú)需工程和動(dòng)力投入，也不需要像人工濕地和生態(tài)塘一樣需要較大的占地面積，只需在枯水季節(jié)將活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投入到受污河道水體中。

生物炭在環(huán)境中的應(yīng)用前人已經(jīng)做了較多研究。研究表明，陳金媛等在活性污泥中添加生物炭后對(duì)氮、磷的去除效果更好，有利于污水出水水質(zhì)的改善[13]。在潛流人工濕地系統(tǒng)中添加鐵礦石和生物炭，提高了對(duì)TN和COD的去除率，進(jìn)一步提高了污水處理效果[14]。周旭[15]在生物炭聯(lián)合曝氣強(qiáng)化人工濕地處理低碳氮比污水的效能研究中表明，生物炭自身釋放的部分有機(jī)物不利于微生物的降解利用，生物炭主要是通過(guò)對(duì)污水中有機(jī)物的吸附-解析過(guò)程來(lái)加強(qiáng)濕地系統(tǒng)反硝化作用，生物炭的添加能減少濕地N2O的排放。在前人的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)生物炭技術(shù)改進(jìn)，采用活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑作為農(nóng)村河道污水處理材料，它包括生物炭、酶和微生物等，結(jié)合了物理化學(xué)法和生物法，可通過(guò)與土壤、水體中重金屬等有害殘留發(fā)生吸附、沉淀、離子交換、催化、螯合等物理化學(xué)作用，對(duì)重金屬等有害殘留的鈍化/穩(wěn)定化，又可通過(guò)中草藥對(duì)有害生物抑制和有益生物調(diào)理及酵素酶(微生物發(fā)酵劑)進(jìn)行生物修復(fù)。本文通過(guò)模擬和實(shí)地應(yīng)用研究活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑不同用量對(duì)河道污水總磷、總氮和氨氮的去除效果，以篩選出活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑適宜用量，為農(nóng)村河道水環(huán)境治理提供參考意見(jiàn)。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)村河道水污染現(xiàn)狀

本試驗(yàn)在南昌縣向塘鎮(zhèn)禮坊村河道開(kāi)展。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究結(jié)果顯示，該農(nóng)村河道水污染情況較為嚴(yán)重，水質(zhì)較差，有異味。經(jīng)過(guò)對(duì)水的成分及周?chē)h(huán)境的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)河道水污染主要是由于水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致，主要營(yíng)養(yǎng)元素為氮、磷。該區(qū)域水污染的主要來(lái)源為居民廁所污水、生活雜排水、上游農(nóng)業(yè)面源污水及養(yǎng)殖廢水的排放。

圖1 農(nóng)村河道水污染現(xiàn)狀圖

1.2 試驗(yàn)材料與場(chǎng)地

試驗(yàn)材料為活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑，由江西農(nóng)業(yè)大學(xué)提供?；钚陨锾繌?fù)合調(diào)節(jié)劑作以秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物有機(jī)質(zhì)為主料，還包含礦石粉、微生物種群和酵素酶等作為輔料。

模擬試驗(yàn)于2019年8月至10月在江西省灌溉試驗(yàn)中心站高田基地進(jìn)行，采用方形塑料水槽(30 cm×50 cm×40 cm)作為試驗(yàn)容器，原位打撈農(nóng)村河道底泥和河道污水，用以模擬農(nóng)村河道現(xiàn)狀。試驗(yàn)容器有河道底泥和河道污水，底泥和河道污水在塑料水槽深度分別為5和30 cm。實(shí)地應(yīng)用于2019年11月至12月在江西省某農(nóng)村河道進(jìn)行，選取一小段河道作為試驗(yàn)場(chǎng)地，河道寬度約3 m，正值枯水期，水深較淺，水流較緩。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)度為2.5 m，寬度1.6 m，水深30 cm，污泥厚5 cm，每個(gè)小區(qū)均與原河道隔離且互不影響。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬試驗(yàn)，共設(shè)3個(gè)處理，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑分別設(shè)定100、200和300 g，分別以T1、T2、T3表示。與河道污水的質(zhì)量體積比分別為1∶450、1∶225、1∶150。容器中河道污水靜置1 d后，直接將活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑按設(shè)定的量進(jìn)行投放。

實(shí)地應(yīng)用共設(shè)計(jì)3個(gè)處理，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑分別設(shè)定3、6和12 kg，分別以M1、M2、M3表示。與河道污水的質(zhì)量體積比分別為1∶400、1∶200、1∶100。搭建好試驗(yàn)小區(qū)后，靜置1 d后開(kāi)始投放活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑。

1.4 樣品采集與測(cè)定

模擬試驗(yàn)，在投料后第1、2、3、4、5天采集1次水樣，每次100 mL，用于檢測(cè)總磷、總氮、氨氮的濃度。實(shí)地應(yīng)用，投料后第1、3、5、7、9天采集1次水樣，每次100 mL，共采集5次，用于檢測(cè)總磷、總氮、氨氮的濃度。

測(cè)定方法：檢測(cè)指標(biāo)主要包括、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)。水質(zhì)檢測(cè)方法采用國(guó)家指標(biāo)的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[16]。總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893─1989)檢測(cè)；總氮(TN)采用堿性過(guò)硫酸鉀法(GB 11894─1989)檢測(cè)；氨氮(NH3-N)采用納氏試劑分光光度法(GB 7479─1987)檢測(cè)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用Excel 2016進(jìn)行處理，計(jì)算去除率并分析比較各種處理下的凈化效果。根據(jù)污水初始的污染濃度及處理后的濃度計(jì)算出去除率，去除率的計(jì)算公式如下：

式中：D為去除率；C初為廢水的初始各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)濃度；C末為廢水處理后各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬試驗(yàn)對(duì)河道污水總磷濃度的影響

圖2為河道污水總磷濃度隨活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投加量及處理時(shí)間的變化關(guān)系，由圖2可知，3個(gè)處理下隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，河道污水總磷濃度均逐漸下降。在處理第2天時(shí)，3個(gè)處理河道污水總磷濃度分別降低了14.22%、10.62%和12.53%。隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)，總磷濃度降低的速度越慢，在第4天和第5天總磷濃度幾乎無(wú)異。T1、T2和T3處理活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑A的投加量逐漸遞增，但在第2天的除磷效果反而是投加量最低的處理效果最好。在第3天時(shí)，投加量加大的處理T3才表現(xiàn)最優(yōu)；直至第5天，T1和T2處理間也未表現(xiàn)出顯著的差異。

2.2 模擬試驗(yàn)對(duì)河道污水總氮和氨氮濃度的影響

活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對(duì)河道污水總氮的處理效果如圖3A所示。3種不同投加量處理均能有效地降低河道污水總氮濃度，并且隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，河道污水總氮濃度越來(lái)越低，但降低總氮的速度也逐漸下降。在處理第4天時(shí)，3個(gè)處理下河道污水總氮濃度非常接近，河道污水總磷濃度分別為13.18、13.29和13.17 mg/L；與第1天相比，河道污水總磷濃度分別降低了12.44%、11.91%和13.13%。在第5天時(shí)，河道污水總磷濃度從高到低依次是T1、T2、T3。除氮效果以T3處理最佳，但與其余2個(gè)處理相比，除氮效果并未表現(xiàn)出絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖2 不同處理河道污水總磷濃度的動(dòng)態(tài)變化

不同活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投加量隨時(shí)間變化下對(duì)氨氮處理效果如圖3B所示。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，河道污水的氨氮濃度逐漸下降，可見(jiàn)活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對(duì)氨氮的去除效果很明顯。隨著投加量的增加，河道污水氨氮的去除效果越好，但與其他處理相比，并未表現(xiàn)出與投加量比例相同的處理效果。在第3天時(shí)，3個(gè)處理氨氮濃度分別降低了13.85%、12.20%和14.64%。最終3個(gè)處理氨氮的濃度分別為11.43、11.44和11.23 mg/L。除氨氮的效果仍是T3處理最佳。

2.3 模擬試驗(yàn)對(duì)河道污水總磷、總氮及氨氮去除率的影響

如表1所示，不同活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投加量第5天總磷、總氮、氨氮的去除率。從表1可知，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對(duì)河道污水總磷、總氮、氨氮均有一定的去除效果。3個(gè)處理總磷、總氮、氨氮去除率均以T3處理最高，隨著活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑投加量的增加，的去除率逐漸升高。與T1處理相比，T3處理第5天總磷、總氮、氨氮的去除率分別提高了2.51、1.75和3.44個(gè)百分點(diǎn)。

2.4 實(shí)地應(yīng)用對(duì)河道污水總磷濃度的影響

活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑不同投加量隨處理時(shí)間對(duì)河道污水總磷濃度的影響如圖4所示。農(nóng)村河道試驗(yàn)小區(qū)水質(zhì)較差，總磷濃度含量過(guò)高，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑仍可以有效降低總磷的濃度。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，總磷濃度逐漸降低。在第3天時(shí)，M3處理對(duì)河道污水總磷濃度降幅最大，僅2 d就下降了0.42 mg/L，去除率為24.59%。在第5天后，M2處理河道污水總磷濃度一直保持在處理間最低。第9天時(shí)，3個(gè)處理河道污水總磷濃度分別為0.87、0.79和0.89 mg/L。由此可知，處理效果表現(xiàn)為M2>M1>M3。

圖3 不同處理河道污水總氮和氨氮濃度的動(dòng)態(tài)變化

表1 不同處理對(duì)河道污水總磷、總氮及氨氮的去除率 %

圖4 不同處理對(duì)河道污水總磷濃度的動(dòng)態(tài)變化

2.5 實(shí)地應(yīng)用對(duì)河道污水總氮和氨氮濃度的影響

由圖5A可知，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑可以有效降低河道污水總氮的濃度，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，河道污水總氮濃度逐漸降低，3個(gè)處理總氮濃度下降趨勢(shì)基本一致。第3天后，3個(gè)處理河道污水總氮濃度依次為M3>M1>M2，降低總氮濃度以M2處理最快。在第7天出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，去除效率降低，此時(shí)，M1、M2、M3處理河道污水總氮濃度分別為5.62、5.39、5.82 mg/L，去除效率分別為50.52%、52.90%、48.33%。

活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對(duì)河道污水氨氮濃度的影響，如圖5B所示。隨著處理時(shí)間推移，氨氮濃度逐漸降低，3個(gè)處理均可以有效降低河道污水氨氮的濃度，并且下降趨勢(shì)基本保持一致。第3天時(shí)，M3處理河道污水氨氮的濃度下降速度最快，比第2天下降了2.48 mg/L，去除率達(dá)到39.35%。第5天之后，則是M2處理河道污水氨氮的濃度最低，此時(shí)去除率達(dá)到62.50%。第7天至第9天河道污水氨氮的濃度下降速度明顯降低，河道污水氨氮濃度依次為M3>M1>M2，其中M2處理表現(xiàn)最佳。

2.6 實(shí)地應(yīng)用對(duì)河道污水總磷、總氮及氨氮去除率的影響

如表2所示，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑在第9天對(duì)河道污水總磷、總氮、氨氮的去除率。3個(gè)處理對(duì)河道污水中氮磷元素均有明顯的去除效果，其對(duì)河道污水總磷、總氮、氨氮的去除率均呈現(xiàn)出M2>M1>M3的變化規(guī)律。M2處理的去除效果最佳，較M3處理總磷、總氮、氨氮的去除率分別提高了5.79、4.79和10.31個(gè)百分點(diǎn)。

表2 不同處理對(duì)河道污水總磷、總氮及氨氮的去除率 %

3 討論與結(jié)論

生物炭通常是指生物質(zhì)在缺氧或無(wú)氧的情況下，通過(guò)高溫?zé)峤馓炕?，發(fā)生不完全燃燒熱裂解后所形成穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物[17]。生物炭通常由木材、農(nóng)作物廢棄物、植物組織和動(dòng)物骨骼等生物質(zhì)或其他生物質(zhì)廢棄物制備而成[18]。生物炭一般是由芳香烴、單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳不規(guī)則疊層堆積而成的一種有機(jī)碳混合物，其中大多數(shù)碳以穩(wěn)定芳香環(huán)形式存在[19]。同時(shí)，生物炭還具有較大的孔隙度和比表面積，正是這些基本結(jié)構(gòu)決定了生物炭具有吸附、沉淀、離子交換、催化、螯合等物理化學(xué)特性[20]。因此，生物炭常應(yīng)用在污水處理中，對(duì)重金屬、放射性元素、無(wú)機(jī)氮、無(wú)染料和有機(jī)污染物等有較強(qiáng)的吸附特性[21]。馬子川等[22]研究表明：蘆葦和玉米芯制生物炭對(duì)雨水有較好凈化效果，對(duì)TP的去除率分別為55.48%、36.22%，但對(duì)于總氮和銨態(tài)氮的去除率相對(duì)較低，并且兩者相差不大。湯逸帆等[23]也對(duì)雨水做了相同的氮磷去除模擬試驗(yàn)，采用稻殼制生物炭，其對(duì)雨水中總氮、總磷和銨氮的去除率分別為34.4%、48.0%和35.0%。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對(duì)河道污水中氮、磷元素有較好的去除效果，實(shí)地應(yīng)用中M2處理在第9天對(duì)總磷、總氮和氨氮的去除率分別為53.05%、55.46%和72.84%；在模擬試驗(yàn)中，T3處理在第5天對(duì)總磷、總氮和氨氮的去除率分別為21.77%、14.32%和23.05%。雖然模擬試驗(yàn)和實(shí)地應(yīng)用的去除效果不一，但仍可以證明，生物炭在污水治理中有較好的應(yīng)用效果。

圖5 不同處理對(duì)河道污水總氮和氨氮濃度的動(dòng)態(tài)變化

本試驗(yàn)以某農(nóng)村河道為研究對(duì)象，通過(guò)模擬和實(shí)地應(yīng)用深入探討了活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑在污水富營(yíng)養(yǎng)化治理中的應(yīng)用效果，并進(jìn)一步研究分析活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑對(duì)河道污水總磷、總氮、氨氮的濃度和去除率的治理效果，得出以下結(jié)論。

(1)活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑無(wú)論在模擬試驗(yàn)中，還是在實(shí)地應(yīng)用中，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化污水中氮、磷元素的去除均具有良好的處理效果，但是不同投放量也有著不同的去除效果。

(2)模擬試驗(yàn)中，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑處理河道污水5 d后，對(duì)總磷、氨氮的去除率在19%以上，對(duì)總氮的去除率在12%以上，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑與河道污水的投放質(zhì)量體積比為1∶150時(shí)，凈化效果最佳。

(3)實(shí)地應(yīng)用中，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑與河道污水質(zhì)量體積比為1∶200時(shí)，處理效果最佳。在第9天時(shí)，M2處理對(duì)總磷、總氮和氨氮的去除率分別為53.05%、55.46%和72.84%。

綜上所述，活性生物炭復(fù)合調(diào)節(jié)劑在農(nóng)村河道應(yīng)用適宜用量在1∶150～1∶200之間。