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摘要 淡水水体水质净化和水环境保护是中国水生态环境保护中的一项重要工作。竹炭作为一种机能型环保净水材料，具有很强的水质净化能力，近年来被广泛应用于水体净化和水环境保护领域。就竹炭材料的水质净化机理、在水环境治理中的应用现状、存在的问题进行分析，并在此基础上对竹炭材料的开发和利用进行前景展望。
关键词 水环境保护;竹炭材料;净化机理;应用现状;前景展望
中图分类号：X703.5 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2020）03-051-04
DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.03.023
随着国民经济的快速发展和城市化进程的不断推进，工农业污染、水资源过度开发等问题导致水环境处于被严重破坏的状态，为自然环境带来了极大的负担。因此，做好水污染治理、水环境保护工作至关重要。近年来，碳基材料在污水处理和其他污染物质吸附方面已经得到了广泛的应用，生物碳材料因生态环保且不会形成二次污染成为了新兴净水材料中的研究热点。其中，竹炭材料丰富的孔隙分布特征和高比表面积使其具有良好的吸附特性，是一种环境友好型生物净化材料[1]。目前，研究发现竹炭材料，不仅可以有效除去水体中的有机杂质，各种臭味等，对工业废水、农业污水和生活污水有显著的净化效果，在废水深度处理、饮用水净化及水环境保护领域也得到了广泛应用。
1 竹炭材料净化机理
1.1 物理作用
竹炭是竹材在高温和缺氧（或限制性的通入氧气）条件下受热分解而得到的，有着类似石墨的碳微晶按"螺层行结构"排列以及微晶间的强烈交联形成了发达的微孔结构。研究发现，竹炭中的多孔性结构作用像超强力海绵，能吸附自来水中的多余的化学物质，并去除有害重金属[2]。竹炭孔隙的大小不尽相同，且孔隙表面结构表现出不完整性，加之灰分和其他杂原子的存在，竹炭的基本结构产生缺陷和不饱和价，氧原子和其他杂原子吸着于这些缺陷上，由此表现出极强的物理吸附能力[3]。 同时，竹炭表面结构特性分别影响其物理吸附能力，利用化学物质对竹炭进行改性，可以有效提高其吸附能力[4]。
1.2 化学作用
1.2.1 释放天然矿物质 竹子生长时从土壤中吸收了钾、镁、铁、钙、磷、铝等矿物质，经高温炭化后，存在于组织中的矿物质从细胞壁中融出，附着在竹炭多孔质表面。竹炭含有丰富的矿物质和人体必需的微量元素，如铜、硒、锌、锶等，而对人体有害的重金属元素含量很低或在安全范围之内[5]。当竹炭放入水中时，可向周围环境通过离子交换作用释放出这些天然矿物质，使原有水体成为含有矿物质的弱碱性水。竹炭材料中的矿物质溶解于水中，可以改善人们普遍矿物质摄取不足的现象[6]。
1.2.2 产生各种离子 竹材热解过程中，多糖成分的剧烈热降解可能产生许多自由基，这些自由基包括各种原子、原子团、分子或离子。其中的超氧离子自由基是氧化性很强的活泼自由基，不仅能够将各种有机化合物直接氧化变成二氧化碳和水等无机小分子，而且可以穿透细菌细胞壁，破坏细胞膜，进入菌体，使细菌质流失而死亡，凝固病毒蛋白质，抑制病毒活性，并捕捉、杀除水体中的浮游细菌，具有极强的防污、杀菌和除臭功能。此外，竹炭材料五元环和六元环所组成的洋葱状富勒烯（C60）和展开的碳纳米管结构的特殊孔隙形状产生负离子效应[5]。负离子是空气中的自由电子被氧分子捕捉后结合产生的负氧离子，这些负离子具有很强的穿透作用，容易附着在各种介质上，可以對空气和水体起到一定程度的净化作用。
1.3 生物作用
竹炭材料表面丰富的孔隙分布特征和高比表面积，为微生物提供良好的附着可能，控制环境因素使其适宜微生物的生存，借助微生物的新陈代谢可对水体进行净化。徐明双等[6]发现微生物菌群可以寄居在竹炭内部空隙和表面并繁衍，利用含微生物的竹炭材料可以实现城镇生活污水的处理。黄茜等[7]对比了竹炭固定菌和游离菌对水中类雌激素壬基酚的降解效果，发现竹炭固定菌对壬基酚的7 d降解率分别为100.0%，显著优于游离菌的54.2%。经过8轮重复利用后，竹炭固定菌对壬基酚的降解率仍可达到36.5%，远高于游离菌8.9%的降解率，说明竹炭通过固定微生物可以长期重复降解废水类雌激素壬基酚。张可等[8]采用玉米芯、竹炭及油枯吸附-海藻酸钠包埋复合固定施氏假单胞菌PFS-4，通过正交试验研究发现固定化菌剂和游离菌体对二氯喹啉酸的降解率分别为91.4%和72.8%。在用于实际污水处理时，固定化菌剂和游离菌体对水中及土壤中二氯喹啉酸去除率仍能分别达到84.2%和74.3%，利用竹炭复合固定微生物在去除废水有机污染物中具有较好的工程应用前景。
2 竹炭在水环境治理中的应用现状
2.1 工业废水治理
工业废水是指工业生产过程中产生的废水和废液，包括生产废水、生产污水及冷却水。工业废水中含有大量重金属、酚类等有毒有害物质，容易产生大面积水体污染，对人类健康造成极大危害。国内现阶段工业废水处理方法有物理治理方法、化学治理方法和生物治理方法。应用微生物和活性炭生物质吸附材料的生物处理方法不仅操作简单，而且生态环保，不会对水体形成二次污染。
2.1.1 重金属废水治理 重金属废水作为影响水环境的严重问题之一，不仅毒性大、易积累，而且处理后难以回收 ，易造成二次污染等问题[9]。竹炭对重金属吸附机制主要表现为：物理吸附、静电作用、离子交换、络合反应和化学沉淀[10]。竹炭对重金属汞具有较明显的去除效果，由经氯化铁改性后的竹炭脱汞率在140℃时达到99.9%，氯化锌改性后的竹炭脱汞率可达92.0%[11]。同时，在pH=3.2～6.2的范围内，竹炭对铅有较好的吸附，对废水中铅的最高去除率可达98.5%[12]。此外，利用竹炭为载体负载Fe2+制成催化剂，构成非均相Fenton催化剂，用于含铜废水的处理上效果较好。白晓龙[13]等通过实验研究发现，当 Fe2+负载平衡60 min、Fe2+浓度为1 280 mg/L时，最佳的负载量为65.8 mg/g时，对于处理50 mg/L的含铜废水，铜的去除率可达到88.8%。成本低的载性竹炭和改性竹炭材料对重金属具有广泛的吸附性，治理废水操作简单，可以有效实现工业重金属废水的综合治理。 2.1.2 有机污水治理 有机污水中有机物浓度高且成分复杂，不易降解。其中的含酚废水主要来自焦化厂、煤气厂等工业部门和合成苯酚、有机农药等生产过程。含酚废水中存在大量酚基化合物，饮用水中含酚对人体健康有不利影响。竹炭对有机污水的吸附类型有物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。孙盼华[14]通过反复蒸煮法制备了载铁竹炭非均相Fenton催化剂，并且对催化剂制备过程中的条件进行了优化。当环境条件达到适宜程度时，载铁竹炭对苯酚去除率可达到99.7%，反应结束后不会产生大量的含铁污泥，大大降低了二次污染的程度。芬顿法广泛应用于环保领域中难降解有机废物的处理与处置，而进一步研究竹炭材料在芬顿实验中的应用可以促进使芬顿技术的发展，也有利于工业生产中产生的大量有机污染物废水的生态环保治理。
2.1.3 抗生素及环境激素污水治理 抗生素及环境激素属于新型有毒有机污染物，对淡水水体的污染已经受到国内外学者的广泛关注。这一类污水有机物成分复杂，水体中的化学需氧量、悬浮物及色度含量均比较高。目前，工业上处理方式主要有吸附处理、混凝处理、膜分离处理、生化处理和高级氧化处理等，竹炭处理作用主要以物理和化学吸附作用为主。陈国鑫[15]通过负载水合氧化铁的形式对竹炭进行改性制备水合氧化铁改性竹炭，对抗生素磺胺甲噁唑的去除效果最好，48 h去除率可达到97.8%。竹炭作为一种新型吸附剂，在溶液pH=3时对内分泌干扰物邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的吸附率可达98.1%。刘浩然等[16]将加入竹炭的污泥经过高温好氧-堆肥处理30 d后，污泥中的青霉素降解速率（99.2%）比不添加任何物质的污泥中青霉素降解速率（99.0%）更高，在开始堆肥45 d后，前者中青霉素已经完全降解，后者仍然存在0.03 ug/kg青霉素。现阶段，国内对于某些抗生素和环境激素的研究较少，但从已有研究可以看出竹炭材料在减轻新型有毒有机污染物对人类健康和环境的影响上具有较大的发展潜能。
2.2 农业污水治理
农业污水是指农作物栽培、牲畜饲养、农产品加工等过程中排出的影响人体健康和环境质量的污水或液态物质。按照污水的排放方式可分为点源污水和面源污水。将竹炭应用在废水的生物化学处理技术上可对农业污水实现一定程度的净化效果，方法简便易行且成本低廉，不仅可以为小型农业水体中的富营养化治理提供理论支持，还可以在一定程度上修复淡水水生态环境。
2.2.1 有机氯农药污水治理 有机氯农药是农业污水中的典型持久性有机污染物，具有难降解性、生物蓄积性及高毒性，对生态环境及人类健康具有极大的危害。左丹[17]以三氯甲烷作为废水中的代表物质，竹炭掺杂氧化铁作为催化剂在光催化剂作用下对有机氯的最大降解率可以达到52.0%，而自来水厂常规臭氧-生物活性炭深度处理工艺对有机氯农药的去除率最好达到42.8%。由此可见，竹炭经过优化加工处理后对处理有机氯废水具有良好效果，且操作简单运行成本低，将竹炭用在农村乡镇企业排放的污水中，可有效减轻农村环境的有机氯农药点源污染程度。
2.2.2 富营养污水治理 水体富营养化是人为的将含有过量氮、磷等营养物质的污废水排入水体，导致污染负荷超过其自净能力，在極短时间内出现藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体游离氧含量下降，鱼类及其他水生生物大量死亡，最终水质变差的现象，水体富营养化是国内外水环境污染治理的难题。研究发现竹炭是较为理想磷离子吸附材料，竹炭净化含磷废水的理论研究已较为成熟。丁荫祥等[18]发现竹炭对磷离子吸附去除率随粒径的减小而增大，随用量的增加而增大;磷离子初始浓度增大，竹炭吸附率减小;竹炭对磷离子的吸附可在180 min达到平衡，最佳吸附温度为30℃，对磷的吸附效率可达80.6% 。余国文等[19]发现以氯化铝为改性剂，改性后竹炭磷吸附容量为10.0 mg/g，是未改性竹炭的1.3倍，表现出较强的吸附性能。裴亮等[20]在阶梯式人工湿地中添加竹炭粒填料，不仅可以有效解决人工湿地降解废水污染物效果不稳定的问题，对污水中TP、TN和NH3-N的降解率也可以达到68.3%、69.2%和73.2%。竹炭材料对农业污水中过量氮、磷等营养物质的吸附可以从根本上降低水体富营养化程度，进而改善水体水质。
2.3 生活污水
近年来，城市生活污水与农村生活污水都通过采用一些废水的生物化学处理方法来实现对生活污水的净化。竹炭作为辅助物，吸附去除污染物的效果显著，将竹炭添加到各种生物化学处理设施中的水质净化效果均远胜于单独设施的处理效果。
2.3.1 城市生活污水 城市生活污水主要由粪便和洗涤污水组成，含有油脂、糖类物质及含氮磷的化工产物。各种污染物质相互交叉融合，严重污染了城市居民的生活用水质量。竹炭作为生物流化床填料可以在城市生活污水治理中发挥重要作用。添加了竹炭的生物流化床在结合A/O（厌氧好氧工艺法）、耦合A/O工艺后，水体中的COD、氮磷、总氮和总磷的去除率可以提升至90.3%、74.2%、77.5%、82.5%，从而实现了对生活污水较彻底的处理[21]。曝气生物滤池（BAF）是一种污水生物处理技术，它集生物降解、固液分离于一体，以竹炭为填料的两级曝气生物滤池在最佳运行条件下的COD、浊度、氨氮去除率分别为87.7%、93.4%和82.7%[22]。陈清松[23]等发现将竹炭和阳离子型聚丙烯酰胺（PAM）二者进行优化组合，得到组合型水处理剂，对城市污水COD的去除率、透光率和沉降速率分别达到83.7%、82.2%和300 mm/min，各项指标比PAM单独处理时提高了将近2倍。张磊等[24]以普通竹炭为原料，采用氢氧化钾活化法改性制备低湿密度竹炭，将低湿密度竹炭作为悬浮生物载体应用到移动床生物膜反应器（MBBR）中，用以处理模拟生活污水，处理后出水COD去除率为83.0%。 2.3.2 农村生活污水 目前，在农村中比较常见的污水主要为厨房、洗浴和施用农药化肥等产生的污水，氮磷含量较高，重金属以及有毒有害物含量较低，直接进入河、湖及塘中对水体造成了严重的污染，影响了农村居民的生活和自然环境。 农村生活污水多采用一体化生化滤池处理，在一体化生化滤池的生物滤池中添加活性炭，通过缺氧-除磷-好氧-竹炭吸附，可以有效去除污水中残留的有机物质，同时起到截留出水中的SS，实现了生态效益、经济效益为一体的农村生活污水处理[25]。另外，在使用水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地净化农村生活污水时，使用竹炭和砾石为组合填料可以将水平潜流人工湿地中生活污水的COD、TN和TP、平均去除率分别达到72.2%、47.8%和59.8%，垂直流人工湿地分别达到75.0%、48.1%和58.2%[26]。林建平等[27]将微生物和竹炭固定在聚乙烯醇（PVA）里，制得竹炭固定化微生物小球填料，用来处理农村生活污水，最终竹炭对COD去除率可达76.0%。添加竹炭作为吸附材料对灌溉水中镉最大吸附量分别为19.1 mg/g、沉砂池+人工表面流湿地+吸附池工艺系统对灌溉水中总镉的去除率在86.1%～100.0%之间，平均去除率则高达94.3%，且运行效果稳定，受进水口浓度、流速影响小，最终出水都低于2.0 ug/L ，平均出水镉浓度仅为0.5 ug/L[28]。在污水一级处理技术中，可以采用改性竹炭曝气生物滤池处理生活污水。竹炭作为新型高效低成本的填料，对氨氮的吸附去除率可以达到82.2%[29]。
3 竹炭材料开发及利用过程中存在的问题
3.1 竹炭得率低
目前，生产竹炭的方法主要有炭窑烧制法和干馏热解法，相应的设备分别是炭窑和干馏釜烧制过程中存在氧化问题，竹炭得率较低（约20.0%）。而且操作过程中容易进入过多的空气，进一步降低了竹炭的得率。张双燕[29]在实验室内采用高温电阻炉来制备竹炭，发现随着温度的升高，竹炭得率急剧下降，在200～350℃下降最快，500℃后，竹炭的得率趋于平缓，200℃时可达85.0%，未能达到较高的得率。
3.2 竹炭吸附效果易达到饱和
竹炭所含空隙有限，當环境介质中存在大量污染物，竹炭在短期内达到吸附平衡，此时竹炭不再具有吸附特性[30]。用竹炭净化含镉废水，竹炭添加量越多，单位吸附量越低，pH=8时，吸附量达到最大值，振荡时间在10～70 min时，对吸附量的影响变化较大，80 min后吸附量趋于平衡。同样地，竹炭是吸水性很强的物质，发达的孔道常常会被水分所"占领"，而目标污染物质便被拒之门外了。虽然可采用一定方法令已饱和的竹炭再生，然而再生后的竹炭仍较易达到饱和。
3.3 竹炭材料进一步研发创新不足
目前竹炭材料的研发创新处于停滞，且已有方法只是将竹炭添加到净水设施中吸附水中的污染物质。竹炭经改性后微孔结构增多、比表面积增大、表面含氧官能团增多，改性竹炭比未改性竹炭具有更为良好的化学吸附能力和物理吸附能力[31]。改性竹炭相对于未改性竹炭，表面酸性含氧官能团量G、比表面积S、孔比容积Vp明显增大，氨氮的最高吸附去除率由20.1%提高至82.2%，吸附平衡时间由未改性时的6 h缩短至4 h。其中，纳米改性竹炭具有光催化吸附、分解、抑菌、杀菌等多种功能，值得进一步研发和创新。
3.4 竹炭材料的市场化和产业化力量薄弱
竹炭产业技术门槛低，导致出现了众多规模小且技术力量薄弱的生产企业。市场上的竹炭制品生产烧制技术含量低、易于模仿，产品结构雷同较多，整个行业缺乏创新成品的开发[32]。人们接触到不正规厂家生产的不合格竹炭，吸附效果难以达到实验研究水平，容易被人质疑吸附效果而错过对竹炭的开发创新。
4 竹炭材料治理水环境的前景展望
国内水环境恶化和水资源减少的趋势日渐严峻，为确保社会经济和人民生活的正常发展，水环境保护是一项刻不容缓的工作。传统的筛网截留、过滤、重力分离等物理处理方法受水质影响较大，且净水效果较差。中和、沉淀、氧化还原、催化氧化等化学处理方法成本较高且易对水体产生二次污染。竹炭作为一种环境友好型生物吸附材料，生产成本低，吸附效果较显著。竹炭的物理、化学和生物作用均可以很好地净化水质，保护水环境。对竹炭材料进行改性可以有效提高物理吸附能力，竹炭材料中蕴含的化学物质可以很好地改善水环境质量，而与微生物结合则可以大大提升竹炭水体净化效率，积极推动水环境保护工作。目前，竹炭材料在工农业污水和生活污水的治理中应用广泛，而竹炭材料的开发和利用可以将竹炭材料净化水质理论研究推入更深层次，促进水环境保护的功能。
综上所述，竹炭是一种发展前景广阔的环保净水材料，可以在国内的水环境治理领域发挥重要作用。
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责任编辑：黄艳飞
关键词 水环境保护;竹炭材料;净化机理;应用现状;前景展望
中图分类号：X703.5 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2020）03-051-04
DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.03.023
随着国民经济的快速发展和城市化进程的不断推进，工农业污染、水资源过度开发等问题导致水环境处于被严重破坏的状态，为自然环境带来了极大的负担。因此，做好水污染治理、水环境保护工作至关重要。近年来，碳基材料在污水处理和其他污染物质吸附方面已经得到了广泛的应用，生物碳材料因生态环保且不会形成二次污染成为了新兴净水材料中的研究热点。其中，竹炭材料丰富的孔隙分布特征和高比表面积使其具有良好的吸附特性，是一种环境友好型生物净化材料[1]。目前，研究发现竹炭材料，不仅可以有效除去水体中的有机杂质，各种臭味等，对工业废水、农业污水和生活污水有显著的净化效果，在废水深度处理、饮用水净化及水环境保护领域也得到了广泛应用。
1 竹炭材料净化机理
1.1 物理作用
竹炭是竹材在高温和缺氧（或限制性的通入氧气）条件下受热分解而得到的，有着类似石墨的碳微晶按"螺层行结构"排列以及微晶间的强烈交联形成了发达的微孔结构。研究发现，竹炭中的多孔性结构作用像超强力海绵，能吸附自来水中的多余的化学物质，并去除有害重金属[2]。竹炭孔隙的大小不尽相同，且孔隙表面结构表现出不完整性，加之灰分和其他杂原子的存在，竹炭的基本结构产生缺陷和不饱和价，氧原子和其他杂原子吸着于这些缺陷上，由此表现出极强的物理吸附能力[3]。 同时，竹炭表面结构特性分别影响其物理吸附能力，利用化学物质对竹炭进行改性，可以有效提高其吸附能力[4]。
1.2 化学作用
1.2.1 释放天然矿物质 竹子生长时从土壤中吸收了钾、镁、铁、钙、磷、铝等矿物质，经高温炭化后，存在于组织中的矿物质从细胞壁中融出，附着在竹炭多孔质表面。竹炭含有丰富的矿物质和人体必需的微量元素，如铜、硒、锌、锶等，而对人体有害的重金属元素含量很低或在安全范围之内[5]。当竹炭放入水中时，可向周围环境通过离子交换作用释放出这些天然矿物质，使原有水体成为含有矿物质的弱碱性水。竹炭材料中的矿物质溶解于水中，可以改善人们普遍矿物质摄取不足的现象[6]。
1.2.2 产生各种离子 竹材热解过程中，多糖成分的剧烈热降解可能产生许多自由基，这些自由基包括各种原子、原子团、分子或离子。其中的超氧离子自由基是氧化性很强的活泼自由基，不仅能够将各种有机化合物直接氧化变成二氧化碳和水等无机小分子，而且可以穿透细菌细胞壁，破坏细胞膜，进入菌体，使细菌质流失而死亡，凝固病毒蛋白质，抑制病毒活性，并捕捉、杀除水体中的浮游细菌，具有极强的防污、杀菌和除臭功能。此外，竹炭材料五元环和六元环所组成的洋葱状富勒烯（C60）和展开的碳纳米管结构的特殊孔隙形状产生负离子效应[5]。负离子是空气中的自由电子被氧分子捕捉后结合产生的负氧离子，这些负离子具有很强的穿透作用，容易附着在各种介质上，可以對空气和水体起到一定程度的净化作用。
1.3 生物作用
竹炭材料表面丰富的孔隙分布特征和高比表面积，为微生物提供良好的附着可能，控制环境因素使其适宜微生物的生存，借助微生物的新陈代谢可对水体进行净化。徐明双等[6]发现微生物菌群可以寄居在竹炭内部空隙和表面并繁衍，利用含微生物的竹炭材料可以实现城镇生活污水的处理。黄茜等[7]对比了竹炭固定菌和游离菌对水中类雌激素壬基酚的降解效果，发现竹炭固定菌对壬基酚的7 d降解率分别为100.0%，显著优于游离菌的54.2%。经过8轮重复利用后，竹炭固定菌对壬基酚的降解率仍可达到36.5%，远高于游离菌8.9%的降解率，说明竹炭通过固定微生物可以长期重复降解废水类雌激素壬基酚。张可等[8]采用玉米芯、竹炭及油枯吸附-海藻酸钠包埋复合固定施氏假单胞菌PFS-4，通过正交试验研究发现固定化菌剂和游离菌体对二氯喹啉酸的降解率分别为91.4%和72.8%。在用于实际污水处理时，固定化菌剂和游离菌体对水中及土壤中二氯喹啉酸去除率仍能分别达到84.2%和74.3%，利用竹炭复合固定微生物在去除废水有机污染物中具有较好的工程应用前景。
2 竹炭在水环境治理中的应用现状
2.1 工业废水治理
工业废水是指工业生产过程中产生的废水和废液，包括生产废水、生产污水及冷却水。工业废水中含有大量重金属、酚类等有毒有害物质，容易产生大面积水体污染，对人类健康造成极大危害。国内现阶段工业废水处理方法有物理治理方法、化学治理方法和生物治理方法。应用微生物和活性炭生物质吸附材料的生物处理方法不仅操作简单，而且生态环保，不会对水体形成二次污染。
2.1.1 重金属废水治理 重金属废水作为影响水环境的严重问题之一，不仅毒性大、易积累，而且处理后难以回收 ，易造成二次污染等问题[9]。竹炭对重金属吸附机制主要表现为：物理吸附、静电作用、离子交换、络合反应和化学沉淀[10]。竹炭对重金属汞具有较明显的去除效果，由经氯化铁改性后的竹炭脱汞率在140℃时达到99.9%，氯化锌改性后的竹炭脱汞率可达92.0%[11]。同时，在pH=3.2～6.2的范围内，竹炭对铅有较好的吸附，对废水中铅的最高去除率可达98.5%[12]。此外，利用竹炭为载体负载Fe2+制成催化剂，构成非均相Fenton催化剂，用于含铜废水的处理上效果较好。白晓龙[13]等通过实验研究发现，当 Fe2+负载平衡60 min、Fe2+浓度为1 280 mg/L时，最佳的负载量为65.8 mg/g时，对于处理50 mg/L的含铜废水，铜的去除率可达到88.8%。成本低的载性竹炭和改性竹炭材料对重金属具有广泛的吸附性，治理废水操作简单，可以有效实现工业重金属废水的综合治理。 2.1.2 有机污水治理 有机污水中有机物浓度高且成分复杂，不易降解。其中的含酚废水主要来自焦化厂、煤气厂等工业部门和合成苯酚、有机农药等生产过程。含酚废水中存在大量酚基化合物，饮用水中含酚对人体健康有不利影响。竹炭对有机污水的吸附类型有物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。孙盼华[14]通过反复蒸煮法制备了载铁竹炭非均相Fenton催化剂，并且对催化剂制备过程中的条件进行了优化。当环境条件达到适宜程度时，载铁竹炭对苯酚去除率可达到99.7%，反应结束后不会产生大量的含铁污泥，大大降低了二次污染的程度。芬顿法广泛应用于环保领域中难降解有机废物的处理与处置，而进一步研究竹炭材料在芬顿实验中的应用可以促进使芬顿技术的发展，也有利于工业生产中产生的大量有机污染物废水的生态环保治理。
2.1.3 抗生素及环境激素污水治理 抗生素及环境激素属于新型有毒有机污染物，对淡水水体的污染已经受到国内外学者的广泛关注。这一类污水有机物成分复杂，水体中的化学需氧量、悬浮物及色度含量均比较高。目前，工业上处理方式主要有吸附处理、混凝处理、膜分离处理、生化处理和高级氧化处理等，竹炭处理作用主要以物理和化学吸附作用为主。陈国鑫[15]通过负载水合氧化铁的形式对竹炭进行改性制备水合氧化铁改性竹炭，对抗生素磺胺甲噁唑的去除效果最好，48 h去除率可达到97.8%。竹炭作为一种新型吸附剂，在溶液pH=3时对内分泌干扰物邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的吸附率可达98.1%。刘浩然等[16]将加入竹炭的污泥经过高温好氧-堆肥处理30 d后，污泥中的青霉素降解速率（99.2%）比不添加任何物质的污泥中青霉素降解速率（99.0%）更高，在开始堆肥45 d后，前者中青霉素已经完全降解，后者仍然存在0.03 ug/kg青霉素。现阶段，国内对于某些抗生素和环境激素的研究较少，但从已有研究可以看出竹炭材料在减轻新型有毒有机污染物对人类健康和环境的影响上具有较大的发展潜能。
2.2 农业污水治理
农业污水是指农作物栽培、牲畜饲养、农产品加工等过程中排出的影响人体健康和环境质量的污水或液态物质。按照污水的排放方式可分为点源污水和面源污水。将竹炭应用在废水的生物化学处理技术上可对农业污水实现一定程度的净化效果，方法简便易行且成本低廉，不仅可以为小型农业水体中的富营养化治理提供理论支持，还可以在一定程度上修复淡水水生态环境。
2.2.1 有机氯农药污水治理 有机氯农药是农业污水中的典型持久性有机污染物，具有难降解性、生物蓄积性及高毒性，对生态环境及人类健康具有极大的危害。左丹[17]以三氯甲烷作为废水中的代表物质，竹炭掺杂氧化铁作为催化剂在光催化剂作用下对有机氯的最大降解率可以达到52.0%，而自来水厂常规臭氧-生物活性炭深度处理工艺对有机氯农药的去除率最好达到42.8%。由此可见，竹炭经过优化加工处理后对处理有机氯废水具有良好效果，且操作简单运行成本低，将竹炭用在农村乡镇企业排放的污水中，可有效减轻农村环境的有机氯农药点源污染程度。
2.2.2 富营养污水治理 水体富营养化是人为的将含有过量氮、磷等营养物质的污废水排入水体，导致污染负荷超过其自净能力，在極短时间内出现藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体游离氧含量下降，鱼类及其他水生生物大量死亡，最终水质变差的现象，水体富营养化是国内外水环境污染治理的难题。研究发现竹炭是较为理想磷离子吸附材料，竹炭净化含磷废水的理论研究已较为成熟。丁荫祥等[18]发现竹炭对磷离子吸附去除率随粒径的减小而增大，随用量的增加而增大;磷离子初始浓度增大，竹炭吸附率减小;竹炭对磷离子的吸附可在180 min达到平衡，最佳吸附温度为30℃，对磷的吸附效率可达80.6% 。余国文等[19]发现以氯化铝为改性剂，改性后竹炭磷吸附容量为10.0 mg/g，是未改性竹炭的1.3倍，表现出较强的吸附性能。裴亮等[20]在阶梯式人工湿地中添加竹炭粒填料，不仅可以有效解决人工湿地降解废水污染物效果不稳定的问题，对污水中TP、TN和NH3-N的降解率也可以达到68.3%、69.2%和73.2%。竹炭材料对农业污水中过量氮、磷等营养物质的吸附可以从根本上降低水体富营养化程度，进而改善水体水质。
2.3 生活污水
近年来，城市生活污水与农村生活污水都通过采用一些废水的生物化学处理方法来实现对生活污水的净化。竹炭作为辅助物，吸附去除污染物的效果显著，将竹炭添加到各种生物化学处理设施中的水质净化效果均远胜于单独设施的处理效果。
2.3.1 城市生活污水 城市生活污水主要由粪便和洗涤污水组成，含有油脂、糖类物质及含氮磷的化工产物。各种污染物质相互交叉融合，严重污染了城市居民的生活用水质量。竹炭作为生物流化床填料可以在城市生活污水治理中发挥重要作用。添加了竹炭的生物流化床在结合A/O（厌氧好氧工艺法）、耦合A/O工艺后，水体中的COD、氮磷、总氮和总磷的去除率可以提升至90.3%、74.2%、77.5%、82.5%，从而实现了对生活污水较彻底的处理[21]。曝气生物滤池（BAF）是一种污水生物处理技术，它集生物降解、固液分离于一体，以竹炭为填料的两级曝气生物滤池在最佳运行条件下的COD、浊度、氨氮去除率分别为87.7%、93.4%和82.7%[22]。陈清松[23]等发现将竹炭和阳离子型聚丙烯酰胺（PAM）二者进行优化组合，得到组合型水处理剂，对城市污水COD的去除率、透光率和沉降速率分别达到83.7%、82.2%和300 mm/min，各项指标比PAM单独处理时提高了将近2倍。张磊等[24]以普通竹炭为原料，采用氢氧化钾活化法改性制备低湿密度竹炭，将低湿密度竹炭作为悬浮生物载体应用到移动床生物膜反应器（MBBR）中，用以处理模拟生活污水，处理后出水COD去除率为83.0%。 2.3.2 农村生活污水 目前，在农村中比较常见的污水主要为厨房、洗浴和施用农药化肥等产生的污水，氮磷含量较高，重金属以及有毒有害物含量较低，直接进入河、湖及塘中对水体造成了严重的污染，影响了农村居民的生活和自然环境。 农村生活污水多采用一体化生化滤池处理，在一体化生化滤池的生物滤池中添加活性炭，通过缺氧-除磷-好氧-竹炭吸附，可以有效去除污水中残留的有机物质，同时起到截留出水中的SS，实现了生态效益、经济效益为一体的农村生活污水处理[25]。另外，在使用水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地净化农村生活污水时，使用竹炭和砾石为组合填料可以将水平潜流人工湿地中生活污水的COD、TN和TP、平均去除率分别达到72.2%、47.8%和59.8%，垂直流人工湿地分别达到75.0%、48.1%和58.2%[26]。林建平等[27]将微生物和竹炭固定在聚乙烯醇（PVA）里，制得竹炭固定化微生物小球填料，用来处理农村生活污水，最终竹炭对COD去除率可达76.0%。添加竹炭作为吸附材料对灌溉水中镉最大吸附量分别为19.1 mg/g、沉砂池+人工表面流湿地+吸附池工艺系统对灌溉水中总镉的去除率在86.1%～100.0%之间，平均去除率则高达94.3%，且运行效果稳定，受进水口浓度、流速影响小，最终出水都低于2.0 ug/L ，平均出水镉浓度仅为0.5 ug/L[28]。在污水一级处理技术中，可以采用改性竹炭曝气生物滤池处理生活污水。竹炭作为新型高效低成本的填料，对氨氮的吸附去除率可以达到82.2%[29]。
3 竹炭材料开发及利用过程中存在的问题
3.1 竹炭得率低
目前，生产竹炭的方法主要有炭窑烧制法和干馏热解法，相应的设备分别是炭窑和干馏釜烧制过程中存在氧化问题，竹炭得率较低（约20.0%）。而且操作过程中容易进入过多的空气，进一步降低了竹炭的得率。张双燕[29]在实验室内采用高温电阻炉来制备竹炭，发现随着温度的升高，竹炭得率急剧下降，在200～350℃下降最快，500℃后，竹炭的得率趋于平缓，200℃时可达85.0%，未能达到较高的得率。
3.2 竹炭吸附效果易达到饱和
竹炭所含空隙有限，當环境介质中存在大量污染物，竹炭在短期内达到吸附平衡，此时竹炭不再具有吸附特性[30]。用竹炭净化含镉废水，竹炭添加量越多，单位吸附量越低，pH=8时，吸附量达到最大值，振荡时间在10～70 min时，对吸附量的影响变化较大，80 min后吸附量趋于平衡。同样地，竹炭是吸水性很强的物质，发达的孔道常常会被水分所"占领"，而目标污染物质便被拒之门外了。虽然可采用一定方法令已饱和的竹炭再生，然而再生后的竹炭仍较易达到饱和。
3.3 竹炭材料进一步研发创新不足
目前竹炭材料的研发创新处于停滞，且已有方法只是将竹炭添加到净水设施中吸附水中的污染物质。竹炭经改性后微孔结构增多、比表面积增大、表面含氧官能团增多，改性竹炭比未改性竹炭具有更为良好的化学吸附能力和物理吸附能力[31]。改性竹炭相对于未改性竹炭，表面酸性含氧官能团量G、比表面积S、孔比容积Vp明显增大，氨氮的最高吸附去除率由20.1%提高至82.2%，吸附平衡时间由未改性时的6 h缩短至4 h。其中，纳米改性竹炭具有光催化吸附、分解、抑菌、杀菌等多种功能，值得进一步研发和创新。
3.4 竹炭材料的市场化和产业化力量薄弱
竹炭产业技术门槛低，导致出现了众多规模小且技术力量薄弱的生产企业。市场上的竹炭制品生产烧制技术含量低、易于模仿，产品结构雷同较多，整个行业缺乏创新成品的开发[32]。人们接触到不正规厂家生产的不合格竹炭，吸附效果难以达到实验研究水平，容易被人质疑吸附效果而错过对竹炭的开发创新。
4 竹炭材料治理水环境的前景展望
国内水环境恶化和水资源减少的趋势日渐严峻，为确保社会经济和人民生活的正常发展，水环境保护是一项刻不容缓的工作。传统的筛网截留、过滤、重力分离等物理处理方法受水质影响较大，且净水效果较差。中和、沉淀、氧化还原、催化氧化等化学处理方法成本较高且易对水体产生二次污染。竹炭作为一种环境友好型生物吸附材料，生产成本低，吸附效果较显著。竹炭的物理、化学和生物作用均可以很好地净化水质，保护水环境。对竹炭材料进行改性可以有效提高物理吸附能力，竹炭材料中蕴含的化学物质可以很好地改善水环境质量，而与微生物结合则可以大大提升竹炭水体净化效率，积极推动水环境保护工作。目前，竹炭材料在工农业污水和生活污水的治理中应用广泛，而竹炭材料的开发和利用可以将竹炭材料净化水质理论研究推入更深层次，促进水环境保护的功能。
综上所述，竹炭是一种发展前景广阔的环保净水材料，可以在国内的水环境治理领域发挥重要作用。
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责任编辑：黄艳飞