生态碳纤维在水污染治理中的吸附及挂膜性能研究

2019-08-24

水资源开发与管理 2019年8期

(山西省水利水电科学研究院，山西太原 030002)

水是生命的源泉，是人类生存和发展必不可少的物质基础，也是维持生态系统健康不可或缺的要素。水资源短缺、水灾害频发、水土资源匹配性差、水污染严重成为我国水资源所面临的主要问题[1]，其中受水资源情势和经济社会发展等因素影响，我国水污染问题不断凸显，日益成为经济社会可持续发展的重要制约因素。近年来，随着监管力度不断加大、工农业产业结构的调整及废污水处理率的不断升高，水质状况有所缓解，但全国地表水污染现状仍不容乐观，据《2017年中国环境状况公报》显示，全国地表水1940个水质监测断面中，Ⅳ类水质以上的断面623个，COD、氨氮依旧为主要的污染指标。

如何减少受污染的水体中的营养物质的含量、恢复水体的综合功能已成为当前全球性环境问题的研究热点。因此，寻找到一种最佳的水体修复技术刻不容缓。碳纤维净水技术作为一种新兴的技术，以其强大的吸附能力、无须清除底泥、无能耗、对有机污染物和氮磷废水的治理高效显著等特点，得到了迅速发展；其强大的微生物亲和性使得天然水体中的微生物可以固定在其表面，并形成生物膜，实现吸附及生物膜双重修复功能[2]。本文以碳纤维为研究对象进行试验，分别从吸附性能、挂膜启动时间、挂膜量、氮磷去除效果等方面进行研究，以期为其进一步推广应用奠定科学依据，并为污染负荷较重的城市河流和饮用水源地的生态系统恢复提供新的途径。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验用水

本研究采集汾河中下游段的小店桥附近的河水作为原水，同时取一部分底泥。水体水质为劣Ⅴ类，主要超标污染物为氨氮、总磷以及石油类。试验初始水质氨氮、TP浓度分别为9.300mg/L、0.437mg/L。

1.1.2 试验材料

碳纤维以其优异的性能成为当今材料学方向的研究重点，尤其是将其作为填料，应用于生物挂膜技术处理污水，已形成一门新兴的关于材料、微生物、污水处理交叉的学科。碳结构类似于人造石墨，具有很高的强度和弹性模量，其热膨胀系数接近于0，甚至可为负值(-1.6×106)[3]，其材料构造及基本性能见图1及表1。

图1 碳纤维材料构造

表1 碳纤维的基本性能

1.2 试验设计

本次试验在有效容积为60L的水桶中进行，水桶直径45cm，高52cm。研究采集汾河小店桥附近水作为原水，共设置两组试验，编号为1、2，在1、2组分别放置一束碳纤维，质量为16g，为保证碳纤维材料能全部浸入水中，每组材料的下方悬挂固体配重物，上方与浮子相连。采集汾河原水并取其底泥，机械搅拌、混匀、静止后，导入1号试验组水桶中，试验污泥量为水桶容积的1/4，挂膜期间污泥量保持不变，污泥浓度为1.5g/L。对1、2号试验组同时采用增氧泵进行间歇曝气，曝气时间为每天上午9∶00—11∶00。

1.3 样品采集与方法

试验期间分别在2h、6h、12h、24h、36h、48h、60h、72h、96h、120h、144h、168h、216h、288h、360h、432h、576h、720h进行水样采集，监测各项水质指标，并观察1号试验组生物膜的变化情况。

2 试验结果

2.1 挂膜情况

1号试验组将碳纤维放置在水中后，水体的浊度下降，24h后碳纤维表面开始出现气泡，直到第48h后，碳纤维表面出现黄色絮状物，布置72h后即形成成熟的生物膜，通过显微镜观察，可知生物膜上主要的附着物为耐毒的菌胶团，此外还有一部分的轮虫、变形虫、线虫等，见图2。附着的菌胶团是由相互粘连的细菌构成，其主要作用为氧化分解有机物；轮虫、变形虫、线虫等可以有效去除污泥，防止污泥的聚集，使得生物膜可以保持好氧的状态。生物膜上微生物的形态主要受水体中溶解氧和营养的限制，随着生物膜逐渐增厚，氧气将难以进入到生物膜内层，那么将在生物膜内层形成厌氧性膜，这样便出现了从膜面到膜内，微生物呈好氧-兼性-厌氧的结构[5]。

图2 1号试验组挂膜期间微生物

2.2 对污染物的去除效果

图3 碳纤维材料对的去除率

3 分析与讨论

近年来，碳纤维水生态修复技术已广泛应用于河流、湖泊、制药、化工、养殖废水等水处理方面，且其作为一种优良的生物膜载体也发挥着巨大的作用。

本次试验研究表明，碳纤维水质净水原理可以分为两个阶段：第一阶段主要是微生物吸附阶段；第二阶段为动态生物膜和活性污泥团去除阶段。碳纤维因其巨大的表面积且表面存在大量均匀分布的微孔结构，可以通过吸附作用去除水中的氮磷，同时其表面含有多种生物亲和性的有机官能团，可使大量微生物附着在碳纤维表面，为微生物的生长提供有利的条件，使得生物膜可以较快启动[6-9]，并且具有丰富的生物相结构，不仅可以通过吸附功能达到污染物去除效果，还可以通过激活废污水中的本底微生物附着其上，进一步增加废水中氮磷的去除效率。因此碳纤维不仅可以作为生物膜法的载体材料，也可单独应用于水体的修复与治理中，具有良好的推广应用前景。