一种基于人工湿地系统的旱伞竹生物碳制备方法及其应用与流程

本发明涉及生物质的资源化利用领域，具体涉及一种基于人工湿地系统的旱伞竹生物碳制备工艺。

背景技术：

旱伞竹(Cyperusalternifolius)又名水竹、风车草，其茎杆挺直，细长的叶状总苞片簇生于茎杆，呈辐射状，是多年湿生、挺水植物。旱伞竹具备良好的净化污水能力，对污水、污泥中的氮、磷、钾以及重金属等有较强的吸附性能，故常用于人工湿地系统。采用旱伞竹为原料制备生物碳，不仅可以有效利用因生长迅速而砍伐的旱伞竹枝节，而且旱伞竹生物碳可作为净水材料应用于污水净化，例如应用在多级城市面源污染净化槽或人工湿地系统中，可起到很好的经济效益。

生物碳是近年来颇为热门的课题，一般系指生物质在绝氧或缺氧的环境下，在相对低温(300～700℃)下制备的一类黑炭，其具备良好的多孔微孔结构、高比表面积，以及优良的净水去污功能。优质生物碳可广泛用于土壤修复、污水废气处理等相关领域。

人工湿地污水处理系统是由人工建造和控制运行的，类似于沼泽地的湿地系统。将污水、污泥有控制地投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。将制备的旱伞竹生物碳施用于人工湿地系统中，既可发挥生物碳改良土壤的功能，也可以增强人工湿地系统治理污水的能力。

目前，国内外尚未见以旱伞竹制备生物碳及其应用的相关报道。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提供了一种基于人工湿地系统旱伞竹生物碳的制备工艺。该方法操作简单，易于实现工业化生产；同时将制备的生物碳施用于人工湿地系统或城市面源污染净化槽，可实现资源的有效循环利用，达到净水去污的预期效果。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于人工湿地系统的旱伞竹生物碳制备方法，包括以下步骤：

(1)选用新鲜的旱伞竹，去除根叶保留纤维茎部，用水冲洗两到三次，再用去离子水润洗两到三次，切块，尺寸为0.5～1.0cm；

(2)对块状旱伞竹进行生物毒性检测，将达标的样品风干3～4天，或者在恒温干燥箱内于80～105℃条件下烘干24小时得到初步干燥后的样品；将初步干燥后的样品置于冷冻干燥机中冷冻干燥4～6小时；

(3)将干燥后的旱伞竹在粉碎机搅碎，并过60目或100目筛网；

(4)将旱伞竹粉状放置于管式炉中，预通氮气，快速升温至预设温度300℃～700℃下高温焙烧，从而制备得旱伞竹生物碳。

上述方法中，所述毒性检测为对旱伞竹原料的浸出液进行LC₅₀ppm浓度检测，所得LC₅₀ppm浓度应符合相关国家规范标准。

一种基于人工湿地系统的旱伞竹生物碳制备方法制备得到的旱伞竹生物碳应用于城市面源污染净化处理槽或者人工湿地系统中的介质净化层。

上述应用中，旱伞竹生物碳与铁和陶粒按质量比4:1:1～3:1:1的比例混合掺杂成介质净化层；所述铁为铁屑或纳米铁。

本发明采取上述技术方案能达到如下效果：

本发明的旱伞竹生物碳作为一类高质活性炭，具有脱色、除味、提纯、净水等多种功能：用于净化污水、污泥，有效吸附污水、污泥中的氮、磷、钾、重金属离子以及其他污染物(如Pops)、染色剂等；可用于工业废气吸附剂，化学载体等；还可以用作土壤改良剂，如施用于人工湿地系统、农业领域等，起到改良土壤和净水的双重功效。

本发明的优势在于：

本专利所述旱伞竹生物碳的制备及在人工湿地系统、面源污染净化槽中的施用，可实现资源循环利用，提高湿地系统自我调节与去污治水能力；

本专利所述旱伞竹生物碳的制备，其原料来源广泛，制作工艺简便，操作轻松，易于规模化生产。

附图说明

图1为旱伞竹生物碳的制备工艺图；

图2为多级城市面源污染净化处理槽；

图3为旱伞竹生物炭基人工湿地系统。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例1

(1)将约50g新鲜旱伞竹去除根叶，截取茎部中间纤维较好的部分,用自来水冲洗表面杂质，再用去离子水润洗三次，切成尺寸为0.5cm的小块；

(2)对块状旱伞竹进行生物毒性检测(采用发光细菌法)，所测LC₅₀ppm应符合国家生物毒性标准《化学品毒性鉴定技术规范》中附录1‐C“急性毒性分级标准”。将达标的旱伞竹茎块样品在恒温干燥箱内以105℃恒温烘干24小时，再在冷冻干燥机中进行6小时的二次干燥；

(3)将冷冻干燥后的原料用粉碎机粉碎成粉状，并过100目的筛网；

(4)称取10g粉状旱伞竹，置于瓷舟，放入管式炉中，预通氮气30分钟；20分钟升温至500℃，保温60分钟；保持管式炉石英管的封闭状态，自然降温至室温后，即制得旱伞竹生物碳。流程工艺图见附图1。

按上述实施例制备的旱伞竹生物碳，进行镉吸附测试，方法如下：取10mg旱伞竹生物碳放入25mL的三角烧瓶中，按固液比为1：1000(g/mL)加入10mL浓度为50mg/L的Cd(NO₃)₂溶液；随后在恒温振荡器中，在(25±1℃)的环境下以160r/min速率匀速振荡24小时,取出样品用原子火焰吸收法检测Cd(II)浓度。

测得Cd(II)去除率为95.2％。

实施例2

⑴取50g新鲜旱伞竹纤维茎部,用水冲洗两到三次，再用去离子水润洗两到三次，切成尺寸为1cm的小块；

⑵如实施例1所述，对块状旱伞竹进行生物毒性检测(采用发光细菌法)，将达标的样品放置在宽敞通风处自然风干3天，再在冷冻干燥机中进行6小时的二次干燥；将冷冻干燥后的原料用粉碎机粉碎成粉状，并过100目的筛网；

⑶称取10g粉状旱伞竹，置于瓷舟，放入管式炉中，预通氮气30分钟；20分钟升温至400℃，保温60分钟；保持管式炉石英管的封闭状态，自然降温至室温后，即制得旱伞竹生物碳。

该方法制备的旱伞竹生物碳可用于城市面源污染净化处理槽中，可有效净化城市初期雨水、农业废水等面源水质污染。

该城市面源污染净化处理槽的结构如图2所示。

将该旱伞竹生物碳与铁屑、陶粒按质量比4:1:1的比例混合掺杂均匀，形成铁碳混合层。将该铁碳混合层应用于多级城市面源污染净化处理槽中，以处理城市水体面源污染。净化处理槽包括预沉降池1、多级雨水净化池2，采取地埋式设置在街道旁低地势区；净化处理槽的太阳能光催化系统6中的TiO₂光催化薄膜层的粒径采用23nm，铁碳净化层19分为六层，其顶层和底层均为碎石层，厚度为10cm，中间层由陶粒层和铁碳混合层次第设置，每层厚度给为5cm，如图2所示。

图2中各个部件如下：

预沉降池1、多级雨水净化池2、蓄水池4、沉砂井5、太阳能光催化系统6、内连进水管7、第一进水阀门8、挡板结构9、一级雨水处理室10、二级雨水处理室11、溢流雨水收集室12、雨水通道13、内连排水管14、固定板16、拦渣板17、拦渣栅18、铁碳净水层19、第二进水阀门20、总排水管21。

上述预沉降池1与多级雨水净化池2连接；蓄水池4设置于预沉降池1内部，沉砂井5设置于预沉降池1的内底面，太阳能光催化系统6设置于预沉降池1的外表面，内连进水管7设置于预沉降池1上；预沉降池1与多级雨水净化池2之间设有第一进水阀门8；挡板结构9设置于预沉降池1与第一进水阀门8之间，包括固定板16、拦渣板17和拦渣栅18；固定板16设置于第一进水阀门8下方，拦渣板17通过拦渣栅18与固定板16连接。

多级雨水净化池2包括一级雨水处理室10、二级雨水处理室11、溢流雨水收集室12、雨水通道13和内连排水管14；一级雨水处理室10与所述溢流雨水收集室12并联布置，并与雨水通道13、二级雨水处理室11串联布置；一级雨水处理室10和二级雨水处理室11内设有铁碳净水层19；一级雨水处理室10与溢流雨水收集室12底侧连有排水管14；雨水通道13底侧与排水管14相连，顶侧与二级雨水处理室之间设有第二进水阀门20。

城市街道道路初期雨水流经该多级城市面源污染净化处理槽，分别采用重铬酸钾法、分光光度法和过硫酸钾氧化‐紫外分光光度法，对雨水净化前后COD_Cr浓度、浊度、TN浓度进行检测对比。所得数据如下：

表1净化处理槽净化前后数据

结果表明，该多级城市面源污染净化处理槽对COD_Cr去除率基本在60％－75％，对浊度去除率基本在70％‐75％，对TN去除率基本在60％－70％。由此可见，净化处理槽对城市街道雨水径流具有明显的净化效果。

实施例3

取实施例1或2所制备的旱伞竹生物碳作为介质净化层。将该净水层应用于潜流人工湿地中，如图3所示。该潜流人工湿地系统种植有旱伞竹植物，基质土层从上至下依次为碎石表土层23.1、陶粒层23.2、介质净化层23.3、陶粒层23.2、碎石层23.4(其中介质层与陶粒层可视情况多铺设几层，并不局限于该实施例)，在陶粒层与介质净化层之间以平铺方式铺设有用于向介质净化层布水的布水管，在碎石层上铺设有清水管。

该人工湿地系统连有输水管，污水自输水管22通入人工湿地系统23中，经由布水管均匀布水到下侧陶粒层和介质净化层中，在介质层和旱伞竹根系经过净水吸污后，再通过清水管连接排水管24排出潜流人工湿地系统。

将旱伞竹生物碳应用于潜流人工湿地系统，不仅实现了原料的循环利用，提高能源应用率；同时以旱伞竹生物碳为主要基质的介质净化层，也加强了潜流人工湿地系统净水排污的能力。