CN103130337A - 一种应用生物炭在农村面源污染除氮的方法 - Google Patents

Abstract

一种应用生物炭在农村面源污染除氮的方法，先将农业废弃物在金属离子溶液中进行改性，之后风干后备用；将风干后的农业废弃物装入密闭的不锈钢容器中，缺氧燃烧得到生物炭；取出制备的生物炭粉碎，填埋在农业面源污水收集沟塘下面，并与沟塘下面的土壤混合使沟塘下面土壤中的微生物能够附着在生物炭上面；待农业面源污水产生的时候，污水经过收集沟塘储存，污水在下渗至土壤的过程中，其中的氨氮被生物炭吸附，硝态氮被生物炭作为缓释碳源，在土壤中的微生物作用下进行反硝化，本发明原料来源广泛，价格低廉，整个过程不投加任何化学药剂，不会对土壤产生二次污染；操作工艺非常简单，对管理要求低，针对农村当地处理面源污染设施的改造量较小，成本低。

Description

一种应用生物炭在农村面源污染除氮的方法

技术领域

本发明涉及一种高效去除农业面源总氮污染的方法，同时涉及一种农业废弃物的处理手段，尤其涉及一种应用生物炭在农村面源污染除氮的方法。 

背景技术

随着中国经济的发展，人们对于环境问题日益关注，面源污染作为一个重要的污染源，也逐渐得到人们的关注。在农业污染中，以农业面源污染最为突出，包含化肥和农药引起的污染，畜禽养殖，生活废水引起的污染等。农业面源污染对周边环境以及人们的生活造成了严重的影响，根据《第一次全国污染源普查报告》显示，农业面源污染每年排放270.46万吨总氮，28.47万吨总磷，分别占全国总排放量的52.7%和67.4%。农业面源污染对太湖，巢湖，滇池的总氮贡献率均大于60%。每年流入长江黄河中的总氮，分别有92%以及88%来自农业面源污染。虽然我过目前城市化建设非常迅速，但是农村地区还是占全国总面积的75%以上，而我国也是一个农业大国，所以如何解决以及控制农业面源污染，尤其是农业面源污染中的氮磷污染，是一个非常重要的课题。农业面源污染具有分散性，不确定性，难以量化性几个特点，污染源难以界定，难以有单一的有效手段进行控制。在国外，针对农业面源污染主要控制手段主要分为三步：第一是立法，通过强有力的立法来约数农业污染源的排放，从源头控制农业面源污染，例如美国的绿色农业补贴，制定专门的化肥法律，日本的《肥料管理法》、《可持续农业法》、欧盟更是在1999年将农业的税收直接和环保挂钩。经过强有力的立法之后，第二步是化肥农药的研究，通过研究高效缓释肥料，减缓肥料农业对于农业面源污染的贡献。第三步是过程阻隔，国外常用的技术室人工湿地，植被缓冲带，生态过滤塘，这些经过人工改 造，基于自然生态环境的处理工艺，能够在一定程度上缓解农业面源污染物质直接排入水体。 

生物炭是一种富含碳的生物质通过缺氧燃烧产生的，它具有孔隙率高，包含有机质与无机质，同时无机质中的碳非常稳定的特点。生物炭原料的来源非常广泛，农业废弃物几乎都能够成为其原料，包含秸秆，木材，果壳等等。生物炭的稳定性取决于生产过程，一般温度越高，生物炭中的物质部分含量越高，就越稳定。近生物炭有两个特性非常有价值，一是相比其它土壤养分，生物炭更能够保持养分，二是生物炭非常稳定，难以降解，所以生物炭在缓减气候变化，提高土壤肥力，减缓环境污染等作用。些年来，关于生物炭去除土壤中污染物的报道越来越多，经研究表明，生物炭能够对土壤中的重金属，微量有机污染物有着较好的去除效果。农业面源污染中的总氮污染是一个非常棘手的问题，我国现在主要湖泊都在遭受着总氮超标的威胁。将生物炭利用在农业面源污染中去除总氮，既能够充分利用当地的秸秆等农业废弃物，同时能够高效的去除面源污水中的氨氮及硝态氮，具有很强的市场前景及应用价值。 

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用生物炭在农村面源污染除氮的方法，利用农村秸秆废弃物产生的生物炭去除农业面源污染中的总氮，操作简单，成本低廉。 

本发明提出利用秸秆缺氧燃烧产生的生物炭去除农业面源污染中的总氮，主其原料主要是农业秸秆废弃物，在适当的条件下制备生物炭，按照一定的方法填埋在收集农村面源污水塘沟的下部，经过一段时间之后，面源污染中的氨氮会被生物炭吸附，硝态氮会被生物炭作为缓释碳源，被微生物利用进行反硝化。应用同样的生物炭，由于其含有无机成分以及有机成分，导致其无机成分可以吸附氨氮，有机成分作为缓释碳源，被微生物利用将硝态氮进行反硝化。 

为了达到上述目的，本发明采用的具体技术方案为： 

一种应用生物炭在农村面源污染除氮的方法，包括如下步骤： 

步骤一，将农业废弃物风干后备用； 

步骤二，将风干后的农业废弃物装入密闭的不锈钢容器中，在马弗炉中加热300～500℃，当温度稳定之后，持续3～6个小时，得到生物炭； 

步骤三，取出制备好的生物炭粉碎成直径为3～10mm的颗粒，将所述颗粒填埋在农业面源污水收集沟塘下面，并按照10～30%的质量比例与沟塘下面的土壤混合，以使沟塘下面土壤中的微生物能够附着在生物炭上面； 

步骤四，待农业面源污水产生的时候，污水经过收集沟塘储存，污水在下渗至土壤的过程中，其中的氨氮被生物炭吸附，硝态氮被生物炭作为缓释碳源，在土壤中的微生物作用下进行反硝化。 

所述农业废弃物为秸秆、木材或者果壳。 

所述步骤三中填埋深度为50～100cm。 

所述农业废弃物风干在风干之前，先在金属离子溶液中进行改性，改性方式为将农业废弃物置于金属离子溶液中10～30分钟，溶液的浓度为0.5mol/L。 

所述金属离子溶液可以为三价铁溶液、二价铁溶液、铜离子溶液或者铝离子溶液等。 

本发明与现有农业面源污染中总氮去除相比有以下显著特点及优势： 

1）本处理过程中，原料来源广泛，价格低廉，在制备生物炭的过程中，还能够实现农业废弃物的再利用。 

2）利用生物炭去除农业面源污染中的总氮（氨氮及硝态氮），这整个过程不投加任何化学药剂，不会对土壤产生二次污染。 

3）本操作工艺非常简单，对管理要求较低，并且针对农村当地处理面源污染设施的改造量较小，成本低。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。 

实施例1 

利用秸秆作为原料，在室外晾干、风化之后储存。将含水率较低的秸秆装入耐高温的密闭容器中，在马弗炉中缺氧300℃加热3小时，自然冷却至室温制得生物炭。将制备好的生物炭粉碎，粒径大约是10mm左右。在北京周边农田中找寻一块汇水区域，将生物炭与土壤按照质量比例1:4左右混合，然后填入反应汇水区域下面，同时接通一根导流管，以便于能够快速取样经生物炭处理之后的污水。待雨季来临，测量流入汇水区域污水中的氨氮及硝态氮，30天之后，从导流管取出污水测定其中总氮（包含氨氮及硝态氮），最终总氮去除率达到85%左右。 

实施例2 

利用秸秆作为原料，在室外晾干，风化之后储存。将含水率较低的秸秆装入耐高温的密闭容器中，在马弗炉中缺氧400℃加热4小时，自然冷却至室温制得生物炭。将制备好的生物炭粉碎，粒径大约是10mm左右。在北京周边农田中找寻一块汇水区域，将生物炭与土壤按照质量比例1:4左右混合，然后填入反应汇水区域下面，同时接通一根导流管，以便于能够快速取样经生物炭处理之后的污水。待雨季来临，测量流入汇水区域污水中的氨氮及硝态氮，30天之后，从导流管取出污水测定其中总氮（包含氨氮及硝态氮），最终总氮去除率达到90%左右。 

实施例3 

利用秸秆作为原料，在室外晾干，风化之后储存。将含水率较低的秸秆装入耐高温的密闭容器中，在马弗炉中缺氧500℃加热6小时，自然冷却至室温制得生物炭。将制备好的生物炭粉碎，粒径大约是10mm左右。在北京周边农田中找寻一块汇水区域，将生物炭与土壤按照质量比例1:4左右混合，然后填入反应汇水区域下面，同时接通一根导流管，以便于能够快速取样经生物炭处理之后的污水。待雨季来临，测量流入汇水区域污 水中的氨氮及硝态氮，30天之后，从导流管取出污水测定其中总氮（包含氨氮及硝态氮），最终总氮去除率达到80%左右。 

实施例4 

利用木材作为原料，在室外晾干，风化之后储存。将含水率较低的木材装入耐高温的密闭容器中，在马弗炉中缺氧500℃加热5小时，自然冷却至室温制得生物炭。将制备好的生物炭粉碎，粒径大约是10mm左右。在北京周边农田中找寻一块汇水区域，将生物炭与土壤按照质量比例3:10左右混合，然后填入反应汇水区域下面，同时接通一根导流管，以便于能够快速取样经生物炭处理之后的污水。待雨季来临，测量流入汇水区域污水中的氨氮及硝态氮，30天之后，从导流管取出污水测定其中总氮（包含氨氮及硝态氮），最终总氮去除率达到85%左右。 

实施例5 

利用果壳作为原料，在室外晾干，风化之后储存。将含水率较低的木材装入耐高温的密闭容器中，在马弗炉中缺氧400℃加热5小时，自然冷却至室温制得生物炭。将制备好的生物炭粉碎，粒径大约是3-5mm。在北京周边农田中找寻一块汇水区域，将生物炭与土壤按照质量比例1:10左右混合，然后填入反应汇水区域下面，同时接通一根导流管，以便于能够快速取样经生物炭处理之后的污水。待雨季来临，测量流入汇水区域污水中的氨氮及硝态氮，30天之后，从导流管取出污水测定其中总氮（包含氨氮及硝态氮），最终总氮去除率达到80%左右。 

实施例6 

利用果壳作为原料，在室外晾干，风化之后储存。将含水率较低的木材装入耐高温的密闭容器中，在马弗炉中缺氧300℃加热6小时，自然冷却至室温制得生物炭。将制备好的生物炭粉碎，粒径大约是7mm。在北京周边农田中找寻一块汇水区域，将生物炭与土壤按照质量比例1:5左右混合，然后填入反应汇水区域下面，同时接通一根导流管，以便于能够快速 取样经生物炭处理之后的污水。待雨季来临，测量流入汇水区域污水中的氨氮及硝态氮，30天之后，从导流管取出污水测定其中总氮（包含氨氮及硝态氮），最终总氮去除率达到80%左右。 

实施例7 

利用秸秆作为原料，先分别在浓度为0.5mol/L的三价铁溶液中浸泡10分钟，然后室外晾干、风化之后储存。其余步骤与实施例1一致，最终总氮去除率达到90%左右。 

实施例8 

利用秸秆作为原料，先分别在浓度为0.5mol/L的二价铁溶液中浸泡20分钟，然后室外晾干、风化之后储存。其余步骤与实施例1一致，最终总氮去除率达到94%左右。 

实施例9 

利用秸秆作为原料，先分别在浓度为0.5mol/L的铜离子溶液中浸泡20分钟，然后室外晾干、风化之后储存。其余步骤与实施例1一致，最终总氮去除率达到88%左右。 

实施例10 

利用秸秆作为原料，先分别在浓度为0.5mol/L的铝离子溶液中浸泡30分钟，然后室外晾干、风化之后储存。其余步骤与实施例1一致，最终总氮去除率达到96%左右。 

Claims (5)

1.一种应用生物炭在农村面源污染除氮的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将农业废弃物风干后备用；

步骤二，将风干后的农业废弃物装入密闭的不锈钢容器中，在马弗炉中加热300～500℃，当温度稳定之后，持续3～6个小时，得到生物炭；

步骤三，取出制备好的生物炭粉碎成直径为3～10mm的颗粒，将所述颗粒填埋在农业面源污水收集沟塘下面，并按照10～30%的质量比例与沟塘下面的土壤混合，以使沟塘下面土壤中的微生物能够附着在生物炭上面；

步骤四，待农业面源污水产生的时候，污水经过收集沟塘储存，污水在下渗至土壤的过程中，其中的氨氮被生物炭吸附，硝态氮被生物炭作为缓释碳源，在土壤中的微生物作用下进行反硝化。

2.根据权利要求1所述应用生物炭在农村面源污染除氮的方法，其特征在于，所述农业废弃物为秸秆、木材或者果壳。

3.根据权利要求1所述应用生物炭在农村面源污染除氮的方法，其特征在于，所述步骤三中填埋深度为50～100cm。

4.根据权利要求1所述应用生物炭在农村面源污染除氮的方法，其特征在于，所述农业废弃物风干在风干之前，先在金属离子溶液中进行改性，改性方式为将农业废弃物置于金属离子溶液中10～30分钟，溶液的浓度为0.5mol/L。

5.根据权利要求4所述应用生物炭在农村面源污染除氮的方法，其特征在于，所述金属离子溶液为三价铁溶液、二价铁溶液、铜离子溶液或者铝离子溶液。