本發(fā)明涉及生物質(zhì)的資源化利用領(lǐng)域，具體涉及一種基于人工濕地系統(tǒng)的旱傘竹生物碳制備工藝。

背景技術(shù)：

旱傘竹(Cyperusalternifolius)又名水竹、風(fēng)車(chē)草，其莖桿挺直，細(xì)長(zhǎng)的葉狀總苞片簇生于莖桿，呈輻射狀，是多年濕生、挺水植物。旱傘竹具備良好的凈化污水能力，對(duì)污水、污泥中的氮、磷、鉀以及重金屬等有較強(qiáng)的吸附性能，故常用于人工濕地系統(tǒng)。采用旱傘竹為原料制備生物碳，不僅可以有效利用因生長(zhǎng)迅速而砍伐的旱傘竹枝節(jié)，而且旱傘竹生物碳可作為凈水材料應(yīng)用于污水凈化，例如應(yīng)用在多級(jí)城市面源污染凈化槽或人工濕地系統(tǒng)中，可起到很好的經(jīng)濟(jì)效益。

生物碳是近年來(lái)頗為熱門(mén)的課題，一般系指生物質(zhì)在絕氧或缺氧的環(huán)境下，在相對(duì)低溫(300～700℃)下制備的一類(lèi)黑炭，其具備良好的多孔微孔結(jié)構(gòu)、高比表面積，以及優(yōu)良的凈水去污功能。優(yōu)質(zhì)生物碳可廣泛用于土壤修復(fù)、污水廢氣處理等相關(guān)領(lǐng)域。

人工濕地污水處理系統(tǒng)是由人工建造和控制運(yùn)行的，類(lèi)似于沼澤地的濕地系統(tǒng)。將污水、污泥有控制地投配到經(jīng)人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動(dòng)的過(guò)程中，主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對(duì)污水、污泥進(jìn)行處理的一種技術(shù)。將制備的旱傘竹生物碳施用于人工濕地系統(tǒng)中，既可發(fā)揮生物碳改良土壤的功能，也可以增強(qiáng)人工濕地系統(tǒng)治理污水的能力。

目前，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)以旱傘竹制備生物碳及其應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，提供了一種基于人工濕地系統(tǒng)旱傘竹生物碳的制備工藝。該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；同時(shí)將制備的生物碳施用于人工濕地系統(tǒng)或城市面源污染凈化槽，可實(shí)現(xiàn)資源的有效循環(huán)利用，達(dá)到凈水去污的預(yù)期效果。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于人工濕地系統(tǒng)的旱傘竹生物碳制備方法，包括以下步驟：

(1)選用新鮮的旱傘竹，去除根葉保留纖維莖部，用水沖洗兩到三次，再用去離子水潤(rùn)洗兩到三次，切塊，尺寸為0.5～1.0cm；

(2)對(duì)塊狀旱傘竹進(jìn)行生物毒性檢測(cè)，將達(dá)標(biāo)的樣品風(fēng)干3～4天，或者在恒溫干燥箱內(nèi)于80～105℃條件下烘干24小時(shí)得到初步干燥后的樣品；將初步干燥后的樣品置于冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥4～6小時(shí)；

(3)將干燥后的旱傘竹在粉碎機(jī)攪碎，并過(guò)60目或100目篩網(wǎng)；

(4)將旱傘竹粉狀放置于管式爐中，預(yù)通氮?dú)?，快速升溫至預(yù)設(shè)溫度300℃～700℃下高溫焙燒，從而制備得旱傘竹生物碳。

上述方法中，所述毒性檢測(cè)為對(duì)旱傘竹原料的浸出液進(jìn)行LC₅₀ppm濃度檢測(cè)，所得LC₅₀ppm濃度應(yīng)符合相關(guān)國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

一種基于人工濕地系統(tǒng)的旱傘竹生物碳制備方法制備得到的旱傘竹生物碳應(yīng)用于城市面源污染凈化處理槽或者人工濕地系統(tǒng)中的介質(zhì)凈化層。

上述應(yīng)用中，旱傘竹生物碳與鐵和陶粒按質(zhì)量比4:1:1～3:1:1的比例混合摻雜成介質(zhì)凈化層；所述鐵為鐵屑或納米鐵。

本發(fā)明采取上述技術(shù)方案能達(dá)到如下效果：

本發(fā)明的旱傘竹生物碳作為一類(lèi)高質(zhì)活性炭，具有脫色、除味、提純、凈水等多種功能：用于凈化污水、污泥，有效吸附污水、污泥中的氮、磷、鉀、重金屬離子以及其他污染物(如Pops)、染色劑等；可用于工業(yè)廢氣吸附劑，化學(xué)載體等；還可以用作土壤改良劑，如施用于人工濕地系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域等，起到改良土壤和凈水的雙重功效。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

本專(zhuān)利所述旱傘竹生物碳的制備及在人工濕地系統(tǒng)、面源污染凈化槽中的施用，可實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，提高濕地系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)與去污治水能力；

本專(zhuān)利所述旱傘竹生物碳的制備，其原料來(lái)源廣泛，制作工藝簡(jiǎn)便，操作輕松，易于規(guī)?；a(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為旱傘竹生物碳的制備工藝圖；

圖2為多級(jí)城市面源污染凈化處理槽；

圖3為旱傘竹生物炭基人工濕地系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

為更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表示的范圍。

實(shí)施例1

(1)將約50g新鮮旱傘竹去除根葉，截取莖部中間纖維較好的部分,用自來(lái)水沖洗表面雜質(zhì)，再用去離子水潤(rùn)洗三次，切成尺寸為0.5cm的小塊；

(2)對(duì)塊狀旱傘竹進(jìn)行生物毒性檢測(cè)(采用發(fā)光細(xì)菌法)，所測(cè)LC₅₀ppm應(yīng)符合國(guó)家生物毒性標(biāo)準(zhǔn)《化學(xué)品毒性鑒定技術(shù)規(guī)范》中附錄1‐C“急性毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”。將達(dá)標(biāo)的旱傘竹莖塊樣品在恒溫干燥箱內(nèi)以105℃恒溫烘干24小時(shí)，再在冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行6小時(shí)的二次干燥；

(3)將冷凍干燥后的原料用粉碎機(jī)粉碎成粉狀，并過(guò)100目的篩網(wǎng)；

(4)稱(chēng)取10g粉狀旱傘竹，置于瓷舟，放入管式爐中，預(yù)通氮?dú)?0分鐘；20分鐘升溫至500℃，保溫60分鐘；保持管式爐石英管的封閉狀態(tài)，自然降溫至室溫后，即制得旱傘竹生物碳。流程工藝圖見(jiàn)附圖1。

按上述實(shí)施例制備的旱傘竹生物碳，進(jìn)行鎘吸附測(cè)試，方法如下：取10mg旱傘竹生物碳放入25mL的三角燒瓶中，按固液比為1：1000(g/mL)加入10mL濃度為50mg/L的Cd(NO₃)₂溶液；隨后在恒溫振蕩器中，在(25±1℃)的環(huán)境下以160r/min速率勻速振蕩24小時(shí),取出樣品用原子火焰吸收法檢測(cè)Cd(II)濃度。

測(cè)得Cd(II)去除率為95.2％。

實(shí)施例2

⑴取50g新鮮旱傘竹纖維莖部,用水沖洗兩到三次，再用去離子水潤(rùn)洗兩到三次，切成尺寸為1cm的小塊；

⑵如實(shí)施例1所述，對(duì)塊狀旱傘竹進(jìn)行生物毒性檢測(cè)(采用發(fā)光細(xì)菌法)，將達(dá)標(biāo)的樣品放置在寬敞通風(fēng)處自然風(fēng)干3天，再在冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行6小時(shí)的二次干燥；將冷凍干燥后的原料用粉碎機(jī)粉碎成粉狀，并過(guò)100目的篩網(wǎng)；

⑶稱(chēng)取10g粉狀旱傘竹，置于瓷舟，放入管式爐中，預(yù)通氮?dú)?0分鐘；20分鐘升溫至400℃，保溫60分鐘；保持管式爐石英管的封閉狀態(tài)，自然降溫至室溫后，即制得旱傘竹生物碳。

該方法制備的旱傘竹生物碳可用于城市面源污染凈化處理槽中，可有效凈化城市初期雨水、農(nóng)業(yè)廢水等面源水質(zhì)污染。

該城市面源污染凈化處理槽的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

將該旱傘竹生物碳與鐵屑、陶粒按質(zhì)量比4:1:1的比例混合摻雜均勻，形成鐵碳混合層。將該鐵碳混合層應(yīng)用于多級(jí)城市面源污染凈化處理槽中，以處理城市水體面源污染。凈化處理槽包括預(yù)沉降池1、多級(jí)雨水凈化池2，采取地埋式設(shè)置在街道旁低地勢(shì)區(qū)；凈化處理槽的太陽(yáng)能光催化系統(tǒng)6中的TiO₂光催化薄膜層的粒徑采用23nm，鐵碳凈化層19分為六層，其頂層和底層均為碎石層，厚度為10cm，中間層由陶粒層和鐵碳混合層次第設(shè)置，每層厚度給為5cm，如圖2所示。

圖2中各個(gè)部件如下：

預(yù)沉降池1、多級(jí)雨水凈化池2、蓄水池4、沉砂井5、太陽(yáng)能光催化系統(tǒng)6、內(nèi)連進(jìn)水管7、第一進(jìn)水閥門(mén)8、擋板結(jié)構(gòu)9、一級(jí)雨水處理室10、二級(jí)雨水處理室11、溢流雨水收集室12、雨水通道13、內(nèi)連排水管14、固定板16、攔渣板17、攔渣柵18、鐵碳凈水層19、第二進(jìn)水閥門(mén)20、總排水管21。

上述預(yù)沉降池1與多級(jí)雨水凈化池2連接；蓄水池4設(shè)置于預(yù)沉降池1內(nèi)部，沉砂井5設(shè)置于預(yù)沉降池1的內(nèi)底面，太陽(yáng)能光催化系統(tǒng)6設(shè)置于預(yù)沉降池1的外表面，內(nèi)連進(jìn)水管7設(shè)置于預(yù)沉降池1上；預(yù)沉降池1與多級(jí)雨水凈化池2之間設(shè)有第一進(jìn)水閥門(mén)8；擋板結(jié)構(gòu)9設(shè)置于預(yù)沉降池1與第一進(jìn)水閥門(mén)8之間，包括固定板16、攔渣板17和攔渣柵18；固定板16設(shè)置于第一進(jìn)水閥門(mén)8下方，攔渣板17通過(guò)攔渣柵18與固定板16連接。

多級(jí)雨水凈化池2包括一級(jí)雨水處理室10、二級(jí)雨水處理室11、溢流雨水收集室12、雨水通道13和內(nèi)連排水管14；一級(jí)雨水處理室10與所述溢流雨水收集室12并聯(lián)布置，并與雨水通道13、二級(jí)雨水處理室11串聯(lián)布置；一級(jí)雨水處理室10和二級(jí)雨水處理室11內(nèi)設(shè)有鐵碳凈水層19；一級(jí)雨水處理室10與溢流雨水收集室12底側(cè)連有排水管14；雨水通道13底側(cè)與排水管14相連，頂側(cè)與二級(jí)雨水處理室之間設(shè)有第二進(jìn)水閥門(mén)20。

城市街道道路初期雨水流經(jīng)該多級(jí)城市面源污染凈化處理槽，分別采用重鉻酸鉀法、分光光度法和過(guò)硫酸鉀氧化‐紫外分光光度法，對(duì)雨水凈化前后COD_Cr濃度、濁度、TN濃度進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比。所得數(shù)據(jù)如下：

表1凈化處理槽凈化前后數(shù)據(jù)

結(jié)果表明，該多級(jí)城市面源污染凈化處理槽對(duì)COD_Cr去除率基本在60％－75％，對(duì)濁度去除率基本在70％‐75％，對(duì)TN去除率基本在60％－70％。由此可見(jiàn)，凈化處理槽對(duì)城市街道雨水徑流具有明顯的凈化效果。

實(shí)施例3

取實(shí)施例1或2所制備的旱傘竹生物碳作為介質(zhì)凈化層。將該凈水層應(yīng)用于潛流人工濕地中，如圖3所示。該潛流人工濕地系統(tǒng)種植有旱傘竹植物，基質(zhì)土層從上至下依次為碎石表土層23.1、陶粒層23.2、介質(zhì)凈化層23.3、陶粒層23.2、碎石層23.4(其中介質(zhì)層與陶粒層可視情況多鋪設(shè)幾層，并不局限于該實(shí)施例)，在陶粒層與介質(zhì)凈化層之間以平鋪方式鋪設(shè)有用于向介質(zhì)凈化層布水的布水管，在碎石層上鋪設(shè)有清水管。

該人工濕地系統(tǒng)連有輸水管，污水自輸水管22通入人工濕地系統(tǒng)23中，經(jīng)由布水管均勻布水到下側(cè)陶粒層和介質(zhì)凈化層中，在介質(zhì)層和旱傘竹根系經(jīng)過(guò)凈水吸污后，再通過(guò)清水管連接排水管24排出潛流人工濕地系統(tǒng)。

將旱傘竹生物碳應(yīng)用于潛流人工濕地系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了原料的循環(huán)利用，提高能源應(yīng)用率；同時(shí)以旱傘竹生物碳為主要基質(zhì)的介質(zhì)凈化層，也加強(qiáng)了潛流人工濕地系統(tǒng)凈水排污的能力。