农业废弃物在水处理的应用

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摘要：本文系统综述了几种常见农业废弃物及其改性产物在水处理中的应用及研究进展，阐述了其在水处理中的几种应用方法以及采用不同方法时的处理效果。最后从研究方法对农业废弃物的发展方向进行了展望，以期利用农业废弃物低成本、资源化的优势在水处理中得到更加广阔的应用。

关键词：农业废弃物；吸附；缓释碳源；生物质炭；水处理

农业废弃物是人们在农业作物收获、生产和加工的过程中所产生和废弃的有机物质的总称[1]。我国是一个农业大国，但同时也是世界范围内农业废弃物产量最大的国家。近些年来随着人口的持续增长，对农作物的需求量也日益增加，农业生产产生的废物无法估量。但由于大多数农民在生产生活中都随意处理农业废弃物，将绝大多数的农业废弃物就地焚烧或者遗弃，造成了严重的资源浪费，使得我国农业废弃物的整体资源化水平很低[2]。这不仅成为了农村环保的关键问题，甚至对我国的环境污染也造成了巨大隐患。如何在可持续发展的背景下有效利用农业废弃物，减少污染和对生态环境的破坏已成为我国发展的关键问题[3]。因此对我国农业废弃物进行资源化利用具有十分重大的意义，近些年众多专家学者也开展了农业废弃物在水处理领域中的应用研究。本文根据文献报道，就几种常见的农业废弃物（秸秆、玉米芯、稻壳、果壳）在水处理中的应用进行了综述，并对其发展趋势进行展望。

1农业废弃物在水处理中的应用

参考各类文献，农业废弃物在水处理中主要有着三种应用方法。第一种是将农业废弃物或其改性产物制备为生物质吸附剂通过吸附机制去除水中的重金属离子或抗生素等有害物质；第二种是将农业废弃物当作外加固体碳源投入生物反应器中为反硝化菌及异养菌提供源源不断的碳源以及作为微生物生长的载体；第三种则是将农业废弃物处理为生物质炭，利用其改性后性能对废水进行处理。

1．1制备生物质吸附剂

随着各类工业废水（染料废水、造纸废水等）造成的环境问题，其中，如何获取制备环境友好型的高效吸附剂已逐渐成为了水处理领域研究者们所关注的焦点。而生物质吸附剂J具有对环境友好，价格低廉、来源广泛的特点，诸如常见的玉米秸秆、稻壳粉、果壳等低成本农业废弃物均是潜在的生物吸附剂。我国农业废弃物资源量巨大，利用农业废弃物制备吸附剂，不仅可以减少环境污染，改善环境质量，同时带来巨大的环境效益、社会效益和经济效益。众多研究表明，将常见的农业废弃物或者其改性产物作为生物质吸附剂，在水环境污染治理领域中具有巨大潜力。生物质吸附剂多用于水中重金属离子的去除，张铁军等通过采用Fe3O4、壳聚糖和柠檬酸对玉米秸秆改性制得复合材料SMC，提升了玉米秸秆对Cr3+的吸附效果[4]。姜楠以稻壳粉和玉米芯作为生物质吸附剂对三种不同成分的工业废水进行实验后表明：在最佳吸附条件时，稻壳粉对Cu2+、Pb2+、Cd2+、Cr3+的去除率分别最高达到了57.7%、42.1%、28.2%、32.9%；玉米芯对四种重金属离子去除率最高达到了30.4%、29.8%，Cd2+去除率26.4%、55.9%[5]。许彦明等研究证明以油茶果壳作吸附剂对Ca2+和Al3+进行吸附的过程，符合Freundlich模型，其对Al3+和Ca2+的理论最大吸附量分别达到11.04mg/g、11.39mg/g[6]。梁昊等通过采用七种不同化学试剂对水稻秸秆进行改性处理，实验得出经高锰酸钾改性后的水稻秸秆对重金属离子Cd2+的吸附效果达到最高10.024mg/g[7]。部分研究表明，农业废弃物对于水中抗生素的吸附也具有良好的表现。由NaOH活化处理后的坚果壳作为吸附剂对四环素具有良好的吸附潜力[8]。TorrellasS等发现：与传统颗粒活性炭相比，由核桃壳制备的吸附剂比表面积大约是其的1.38倍，这使得核桃壳吸附剂对四环素的去除能力更为突出[9]。AHMED等通过甲醇对稻壳进行改性作为吸附剂处理水中四环素，其最大吸附率可达到98%[10]。

1．2作外加固体缓释碳源

在传统生物脱氮过程中，反硝化菌通过反硝化作用将亚硝酸盐、硝酸盐转化为氮气，从而达到脱氮目的。然而，这个过程需要有机碳源，而往往地下水中的有机碳源并不充足，因此需要人为投加甲醇、乙醇等碳源。虽然这些有机碳源在处理效果上表现优异，但在安全性与经济性上均有所不足。因此有德国学者提出了投加固体缓释碳源作为反硝化中所需碳源[11]。固体缓释碳源在水中既可以缓慢释放自身的有机碳，满足反硝化菌的需要，又可以避免外加有机碳源常出现的投加过量从而引起二次污染的风向，还能够使微生物附着形成部分生物膜，进一步加强水处理效果，是一个具有开阔前景的研究方向。而农业废弃物及其改性产物往往被作为主要的缓释碳源对象进行研究。杨平等以不同浓度的NaOH、Ca（OH）2、NaClO对稻壳进行改性处理，通过对比改性后稻壳表面糙化效果、芽孢杆菌吸附量、静态释碳量、生物纤维素含量、灰分含量，优选出6%NaOH处理后的稻壳作为反硝化碳源相比未处理稻壳的生化性能有显著提升[12]。陈佼等将碱热处理后的玉米芯作为缓释碳源，为CRI系统的反硝化补充了充足碳源，加强了TN的去除率，最终TN去除率比对照组提高了58.35%[13]。陈天虎等将秸杆作为SRB代谢的缓释碳源和硫酸盐还原反应的电子供体对模拟尾矿库进行生物处理防止AMD的产生，与对照组相比添加秸秆后的实验柱中SO42-去除率与重金属去除率均大幅提高，重金属去除率更是达到了99.5%[14]。茹波对不同浸泡时间以及不同预处理方式下的芦苇秸秆浸出液作反硝化碳源进行对比实验，发现未处理芦苇秸秆浸出液作为碳源时平均反硝化速率优于热、碱预处理芦苇秸秆，且在前三天的平均反硝化速率超过2mgNO3--N/（gMLSS·h）[15]。

1．3作生物质炭

生物质炭是将富含碳元素的生物质在缺氧条件下高温裂解或不完全燃烧而产生的一种难熔性的固态产物[16]。生物质炭主要由碳、氢、氧三种元素组成，其表面含有大量的含氧活性基团与孔隙，具有高度的芳香化特征，并具有一定的疏水性、吸附性、稳定性，在污水处理或减排温室气体等环保治理方面具有广阔的应用前景。目前，已有许多文献报道利用玉米芯、秸秆、果壳等农业废弃物来制备生物质炭，充分发挥其廉价易得的特点，且变废为宝，实现了生态资源的循环利用。关孟欣等添加玉米芯生物质炭于污泥中，使污泥蚯蚓粪中微生物群落多样性增加，增强了有机质的矿化作用[17]。刘辉等以农业废弃物玉米秸秆为原料制备生物质炭，研究其对废水中苯酚的吸附性能[18]。在吸附的平衡时间为180min，酸性条件下，玉米秸秆生物质炭投加量为10g/L时，达到最佳吸附条件。此时生物质炭对于水中的苯酚吸附量达到了44.25mg/g；对苯酚的吸附去除率高达98.85%，起到了优异的吸附效果。董攀龙等以柚子皮制作生物质炭对亚甲基蓝进行吸附，实验证明所制备的生物质炭材料在5min时就能够达到吸附平衡[19]。

2结论与展望

本文就几种常见的农业废弃物及其改性产物作生物质吸附剂、外加固体缓释碳源、生物质炭的应用进行了阐述，指出了其在水处理领域中的应用方向以及作各种用途时的效果，希望能够为农业废弃物在水处理领域的资源化利用提供一定的参考价值。但就目前研究来看，农业废弃物及其改性产物的应用大多局限于实验阶段，而实现农业废弃物的高效资源化利用还需要专家学者们做进一步研究。例如利用农业废弃物作生物质炭对水中的物质进行吸附时，许多研究仅着眼于某种生物质炭对水中一种或几种物质的吸附效果，但废水中往往存在着各类的污染物。后续研究应进一步全面考察每种生物质炭对水中各类物质的吸附机制，从而达到资源利用最大化。

作者：沈力 曹新 杨明霞 单位：兰州交通大学环境与市政工程学院 甘肃省黄河水环境重点实验室