运行参数对碳纤维反应器处理黑臭水体的影响

2020-05-08郜银梁冯瑞枝范荆凯林佩斌

环境科技 2020年2期

郜银梁，尹娟，亚涛，冯瑞枝，范荆凯，林佩斌

（1. 深圳市广汇源环境水务有限公司，广东深圳 518011；2. 北京化工大学北京市水处理环保材料工程技术研究中心，北京 100029）

0 引言

水体黑臭严重影响居民生活和城市形象。治理城市黑臭水体已成为当前城市水环境治理的焦点问题[1-2]。水体黑臭的成因是多方面的，涉及的因素较多，包括溶解氧、有机污染物、温度等。目前针对城市黑臭水体的治理主要采用“控源截污、内源控制、生态修复和补水活水”的技术路线来实施[3]。深圳市河道经过近几年的强化治理，已基本完成了对河道点源污染的控制，但面源污染依然存在[4]，因此必须采取有效的手段对面源污染进行治理。

目前，用于河道面源污染治理的技术主要有曝气复氧、生物接触氧化、多功能生态浮岛、人工水草、人工湿地、复合生态滤床、净水菌剂及微生物激活剂的投放等[5-6]。碳纤维材料不同于一般工业用的纤维，是一种生态新型复合材料，抗酸碱、耐老化、使用寿命长。该材料具有丰富的微孔结构、比表面积大、吸附容量大，经太阳光照射后发出的声波能够激发微生物的活性，微生物挂膜快，无二次污染、成本低、适用水质范围广，在水体治理和修复方面有很大的应用空间[7-11]，可作为生物接触氧化、生态浮岛、水工湿地和生态滤床等技术的生物载体，用于河道、湖泊等水体面源污染的治理。姚理为等[12]采用碳素纤维处理北京朝阳区清河水，结果表明碳素纤维生物膜对氮、磷具有较好的去除效果，对总氮、总磷、氨氮的去除率分别为40%，60%，98%。王朔等[13]采用碳素纤维生态草填料和间歇曝气强化的泛氧化塘对长春新凯河河水进行治理，结果表明该技术对COD、氨氮和总磷的平均去除率分别为34.19%，53.14%和26.08%。梁益聪等[14]以碳素纤维生态基为载体，处理南宁市朝阳溪黑臭河水，结果表明碳素纤维生态基对污水中悬浮物有较强的吸附能力，是一种较有效的改善城市黑臭水体水质的生态材料。

纵观国内外的研究，将碳纤维作为缺氧-好氧工艺中的挂膜材料，并与絮凝技术相结合处理黑臭水体的研究还鲜见报道。本文采用絮凝-缺氧-好氧-沉淀组合工艺处理黑臭水体，研究挂膜菌剂配比、水力停留时间和溶解氧浓度等参数对碳纤维反应器处理黑臭水体的影响，以期为今后黑臭水体的治理实践提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 实验装置与材料

采用一体化设备处理模拟黑臭水体，一体化设备由絮凝池、缺氧池、好氧池和沉淀池等组成，每个池子的有效容积均为50 L，实验装置见图1。黑臭水体从原水桶由蠕动泵提升依次进入絮凝池、缺氧池、好氧池、沉淀池后出水。在运行过程中，向絮凝池中加入聚合氯化铝，同时好氧池出水回流至缺氧池，回流比为100%。在好氧池和缺氧池中均加入4 根碳纤维填料，每根长为40 cm。好氧池池底放置微孔曝气头，通过曝气泵曝气，用气体流量计控制曝气量，并定时监测溶解氧浓度。定期取一体化设备的进水、出水，分析其中COD、氨氮、总氮和总磷浓度。

实验所用碳纤维生产厂家为北京水处理环保材料工程技术研究中心，碳纤维比表面积大于1 000 m2/g，拉伸强度大于4.9 GPa，拉伸模量为220 ～240 GPa，断裂伸长率不小于2.1%，体密度1.80 g/cm3，线密度880 g/km，碳质量分数不小于93%，直径7 μm，聚丙烯晴（PAN）原丝平均孔度（Φ）不大于5 nm，稳定性高、质轻、机械强度大，寿命达10 ～15 a。

图1 实验装置

1.2 原水水质

进水采用模拟黑臭水体，其组成主要为葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾、硝酸钾、硫酸镁等，进水水质见表1。

表1 进水水质

1.3 分析方法

试验过程中COD 测定采用GB11914—89 重铬酸钾法，氨氮的测定采用GB7479—87 纳氏试剂分光光度法，总氮的测定采用GB11894—89 过硫酸钾氧化分光光度法，总磷的测定采用GB11893—89 钼锑抗分光光度法。溶解氧的测定采用百灵达公司生产的便携式溶解氧仪（Micro 600），pH 值的测定采用上海佑科公司生产的台式pH 计（P904）。

2 结果与讨论

2.1 挂膜菌剂的选择

生物膜法处理黑臭水体成败的关键是生物膜。本文采用菌剂进行挂膜，菌剂加入后采用先闷曝后原水培养微生物的方式培养生物膜。通过测定COD、氨氮等污染物的去除效果以及肉眼观察微生物的生长情况来判断挂膜成功与否。选取复合细菌菌剂（GDB）和反硝化菌剂（BM）进行小试试验，研究同等试验条件下，不同配比菌剂对污染物的去除效果。

实验过程中首先向3 个锥形瓶中加入同等量的碳纤维和模拟黑臭水体，然后分别加入1 g GDB（A组），0.95 g GDB+0.05 g BM （B 组），0.9 g GDB+0.1 g BM（C 组）运行2 d，实验结果见表2。从表2 可知，C组对COD、氨氮、总氮和总磷去除效果最好，出水质量浓度分别为70，17.84，20.4 和0.415 mg/L，这说明GDB 与BM 的投加比例为9 ∶1 时，挂膜效果最好，为挂膜菌剂最佳配比。

2.2 挂膜期间对污染物的去除效果

实验装置启动后，向缺氧池和好氧池中均投加22.5 g GDB 和2.5 g BM 进行挂膜，挂膜期间黑臭水体处理量为50 L/d。絮凝池中投加固体高效絮凝剂3.0 g/d，好氧池中溶解氧质量浓度控制在2 ～3 mg/L，缺氧池中不曝气。挂膜期间一体化设备对黑臭水体的去除效果见图2。从图2 可以看出，在运行的前6 d，出水COD、氨氮、总氮和总磷的浓度下降速度较快，之后缓慢下降至基本趋于稳定。在运行的15 d 中，出水COD 质量浓度从121 降至40 mg/L；氨氮质量浓度从25 降至9 mg/L；总氮质量浓度从31 降至15 mg/L；总磷质量浓度从1.3 降至0.5 mg/L，各污染物浓度趋于稳定。这说明经过15 d 的培养，一体化设备中碳纤维表面的生物膜基本形成，挂膜完成，出水水质接近《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 排放标准。这可能是由于碳纤维能快速吸附水中的微生物，在碳纤维的表面形成稳定的微生物群落，从而达到快速挂膜的目的。

郭艳君等[15]研究传统的A/O 生物膜法处理污水，试验过程中采用纤维束作为挂膜填料，向反应器中投加活性污泥进行挂膜，结果表明反应器从启动至挂膜完成需40 d，出水水质除TP 外可达《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 排放标准。这说明采用碳纤维作为挂膜材料和投加菌剂的方式进行挂膜，优于普通填料的活性污泥挂膜方式，可以有效缩短挂膜时间，同时提高设备对污染物的去除效果。

图2 挂膜期间污染物的去除效果

2.3 水力停留时间对出水水质的影响

本文在一体化设备挂膜完成后，研究了水力停留时间（HRT）对污染物的去除效果影响，实验结果见图3。

表2 不同菌剂对污染物的去除效果mg·L-1

图3 不同HRT 下污染物的去除效果

表3 不同DO 浓度下出水污染物浓度及去除率

从图3 可以看出，在运行的1 ～15 d 内，即HRT=24 h 时，出水COD 和总磷质量浓度基本维持稳定，分别为30 和0.3 mg/L，出水氨氮质量浓度从9 mg/L缓慢降低至5 mg/L，出水总氮质量浓度从20 mg/L 缓慢降低至10 mg/L。第16 天调整HRT 至12 h，出水污染物浓度迅速升高，之后缓慢降低，运行至第22 天，出水COD、氨氮、总氮和总磷质量浓度分别为30，5，8，和0.3 mg/L。第23 天调整HRT 至6 h，出水污染物浓度的变化趋势与HRT=12 h 一致，运行至第27 天，出水COD、氨氮、总氮和总磷质量浓度分别为30，5，10，和0.3 mg/L。

以上实验结果说明一体化设备具有良好的抗冲击负荷能力，采用该设备对黑臭水体进行处理，在HRT=6 h 时出水就能达到氨氮质量浓度小于8 mg/L，实现消除黑臭的目的，较传统A/O 工艺处理低碳源污水中生化池的HRT（约18.5 h）要短[16]。这可能是由于碳纤维上附着大量的微生物，使得在较短的HRT下一体化设备对黑臭水体的处理效果较传统活性污泥法要好。

2.4 DO 浓度对出水水质的影响

本文在完成HRT 条件实验后，在HRT=6 h 的条件下，研究了DO 浓度对一体化设备去除污染物的影响。实验过程中，好氧池DO 质量浓度分别设置为2，3，4 和5 mg/L，运行至稳定，取稳定后一体化设备的出水，测其污染物浓度。在相同进水条件下，即进水COD、氨氮、总氮和总磷质量浓度分别为164.6，24.62，35.64 和2.537 mg/L，不同DO 质量浓度下的出水污染物浓度见表3。

由表3 可知，DO 质量浓度为4 mg/L 时，出水水质效果最好，COD、氨氮、总氮和总磷质量浓度分别为27.95，4.44，5.76，和0.239 mg/L，但是与DO 质量浓度为3 mg/L 相差不大。这可能是由于生物膜法好氧区DO 质量浓度为2 mg/L 时，限制了硝化菌的生长速率，影响硝化反应的进行，而DO 质量浓度为5 mg/L时，过高的溶解氧会随混合液回流至缺氧区，影响缺氧段硝酸盐的反硝化，对脱氮不利，且曝气量过大使得碳纤维上的生物膜脱落，硝化效果变差，出水水质变差。因此，从运行成本和出水水质的角度来看，本文认为最佳DO 质量浓度为3 mg/L，这与其他学者得出的研究结果：生物膜系统DO 质量浓度至少应为3 mg/L 一致[17]。