挂膜碳素纤维对雨水排口区域水体的净化试验研究

张博，王敏，李玲，孙正凯，刘雨萱

(1. 湖北大学楚才学院， 湖北 武汉 430062； 2. 湖北大学资源环境学院， 湖北 武汉430062)

0 引言

改革开放以来，我国急剧的城市化建设带来了诸多环境问题.特别是城市下垫面的过度硬化和雨水排水系统的不完善，导致了城市内涝频发，进而使得初期雨水造成的水体污染问题尤为严重[1-2].裹挟了空气中众多污染物的初期雨水汇入分流制雨水排水管网中，携带着管道中晴天累积的沉积物直接排入受纳水体，会对其水质造成恶劣的影响.传统的单一“快速排放”理念已难以应对急剧城市化过程中出现的城市水环境问题[3-5].为应对和解决此类问题，中央城镇化工作会议于2013年12月正式提出了“海绵城市”理念[6].

为契合“海绵城市”建设理念，并合理解决城市的雨水排放困境，相较于物理和化学方法，采用生物法处理城市初期雨水具有低投资、高效益、对环境友好等优点.其中，生物膜法对水质水量适应能力强、生物相丰富稳定，而碳素纤维(carbon fiber，CF)具有质轻、强韧、弹性高、遇水即散、比表面积大等特性，是性能良好的生物膜载体；且目前国内外均有利用碳素纤维生物膜法处理水体，并使得水体水质有明显改善的实例[7-9].鉴于此，本研究将曝气与碳素纤维微生物处理系统相结合，高效持续的微生物处理系统不仅能够减少高污染浓度雨水对受纳水体的影响，还有利于雨水排口区域水体生态功能恢复和景观美化，环境效益和社会效益明显，因此具有较强的推广应用价值.然而目前国内对基于海绵城市建设的雨水排口区域水体的净化少有研究，本研究以武汉市海绵城市建设试点东湖港某集中排水口区域水体作为研究对象，探究载菌碳素纤维对污水的处理机理，并开展曝气微生物碳素纤维处理系统对初期雨水的处理效果的研究，以期为武汉市海绵城市建设提供技术支持及运行数据参考，并供其他城市借鉴.

1 实验材料和方法

1.1 实验材料本实验所要用到的主要材料有：取自武汉市某大学家属区污水处理厂进水和污泥饼、购于东莞市煜烁实业有限公司的碳素纤维、梅雨时节武汉市海绵城市建设试点东湖港某集中排水口的初期雨水.

1.2 实验方法

1.2.1 污泥驯化 取适量污泥做初始生物样，于-20 ℃环境保存.驯化前将污泥置于装有清水的培养箱中，并连续曝气48 h以增加水中的含氧量，进而提高后续通入污水后微生物的成活率.驯化开始后，通入污水厂进水，其水质及排放标准见表1.控制曝气每天22 h，静沉2 h，保持溶解氧浓度(DO)≥6.5 mg/L，水温(T)≥20 ℃，pH值在7.5左右.2 d后当培养箱底部、壁部及曝气管上出现棕黄色附着物时，说明微生物已开始生长.待污泥变为絮状，其颜色由黑色变成褐色，沉降性能较好并有清新泥土味时，驯化完成[10]，此过程共需5 d.

表1 试验进水水质指标及《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)

1.2.2 载体负载 将样品做喷金镀膜处理后，采用日本电子公司JSM-6510LV扫描电子显微镜(SEM)对未挂膜CF进行表征观察.在微曝气条件下将CF与驯化污泥按一定比例均匀混合，进行挂膜培养，当CF载体出现一层黄褐色黏状薄膜时，表示生物膜初具形态.随着时间的增加，膜范围变大，5 d后挂膜完成，取其进行实验.

1.2.3 生活污水净化 生活污水净化为小试实验，于2个100 L的桶状HDPE反应器中加入30 L污水厂进水，将挂膜的CF固定于其中一个反应器中，投加量为8 g/L，作挂膜组；另一组为空白对照组，不进行任何处理.对两组反应器进行曝气处理，每隔24 h检测二者NH3-N、TN、TP和COD，通过指标数值变化计算去除率，根据去除效果确定CF是否挂膜成功.

1.2.4 初期雨水净化 将污水厂进水替换为初期雨水，方法与“生活污水净化”实验大致相同.控制水中DO保持在2.5～3.0 mg/L、pH在7.5左右，检测项目较1.2.3中多加一项高锰酸盐指数.

1.2.5 水质检测方法 水质检测方法均依据《水与废水监测分析方法(第四版)》，检测项目和方法见表2.

表2 水质检测项目及方法

2 实验结果与讨论

2.1 SEM挂膜前CF在SEM下观察的结构见图1，CF的每根纤维细度高，表面有许多凹凸结构，比表面积大，可提供较多的吸附位，同时有利于附着更多的生物量，增强生物膜的活性和去污能力.

图1 碳素纤维挂膜前的SEM照片

2.2 生活污水净化挂膜组及对照组对污水中各污染物的去除效果见图2.由图2可知，污水经7 d处理后，挂膜组NH3-N、TN、TP、COD的最大去除率分别达到96.5%、71.7%、71.6%、76.5%，各指标数值均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级A排放标准，而对照组的最大去除率远低于挂膜组.说明CF挂膜成功并在污水净化中达到了明显的效果.

由图2(a)可知，在0～2 d处理期内，挂膜组与对照组的NH3-N去除率差别不大，均呈缓慢上升趋势，推测是CF上的硝化细菌还处于适应期，以CF对NH3-N的吸附为主.2 d后，世代生长周期较长的硝化细菌度过适应期，其对氨氮的降解作用为该阶段氨氮降低的主要原因，去除速率加快[11-12].两实验组于3 d后对NH3-N的去除率开始有明显区别，挂膜组保持上升趋势，7 d后达96.5%；对照组上升变缓并趋于稳定，7 d后为51.8%.由于挂膜组CF的多孔结构适宜硝化细菌的生长，给微生物提供了较好的生长繁殖场所，增强对水中污染物的吸收转化，而对照组中缺少载体，微生物多为漂浮生长，生物量较前者少.另一方面由于曝气的作用增加了水体中溶解氧的含量，加快了微生物的新陈代谢作用，这两方面的共同作用使得挂膜组氨氮的去除效果较对照组有明显提高.

由图2(b)可知，与NH3-N不同，TN的去除趋势为“先快后慢”.两实验组对TN的去除率在1 d后就有明显差别.挂膜组保持上升趋势，于3 d趋于稳定，此时对TN的去除率为62.6%，7 d后达71.7%；对照组于2 d后趋于稳定，7 d后为20.7%.TN的去除以颗粒悬浮态氮为主，CF对水中悬浮物有捕捉吸附作用[7].且生物膜因生长过程中厚度不断增加，溶解氧受传质阻力影响，使生物膜由内向外逐渐形成厌氧层、兼性厌氧层、好氧层[13].硝化与反硝化反应得以同步进行，污染物最终以气态氮的方式从水中去除；对照组中的微生物无固定附着的生长场所，难以形成一定厚度进而营造兼性厌氧和厌氧环境，故很难通过反硝化反应去除水中的污染物.

由图2(c)可知， 1 d后两实验组对TP的去除率有明显差距.整体上看，去除率变化曲线表现出与总氮类似的特点，这可能与氮、磷在水中的存在形态有关.TN、TP多以悬浮物的形式存在，易被CF及其表面附着的生物膜吸附去除.污水中具有除磷作用的微生物包括好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌.污水除磷处理中常利用这些微生物厌氧释磷、好氧超量吸磷的特性.CF不仅可直接吸附悬浮态的磷，还是除磷菌的良好载体.由于CF特殊的结构，使其表面吸附和脱落的生物膜保持动态平衡，不易堵塞，同时还可以富集较多微生物，同步硝化、反硝化及超量吸磷过程[14].7 d的处理期后，载菌CF对生活污水中总磷的去除率可达71.6%.填料表面微生物的生长过程对溶解性磷的需求是后期处理中磷主要的去除途径[15].但此阶段水中碳源较为匮乏，限制了微生物的生长，故其对磷的摄取量较少，水中总磷浓度变化不大.

由图2(d)可知，挂膜组对COD的去除率于3 d后趋于稳定，对照组2 d后趋于稳定，前者的去除效果优于后者.在0～3 d处理期内，污水中COD降低70.5%，此阶段载菌CF上的微生物已开始发挥作用，其对有机物的降解作用为COD降低的主要原因.填料是微生物的生命活动场所，其单独的吸附作用对有机物的去除影响不明显，主要是间接影响微生物来提高有机物的去除效果[16].在DO较高的环境下，生物膜表面大量的好氧菌将有机物氧化分解为CO2和H2O；此外，生存在生物膜内侧厌氧环境下的产酸菌可将有机物分解成小分子有机物，再由产甲烷菌将小分子有机物分解成CH4和CO2[7].在4～7 d处理期内，COD浓度下降的速率减慢，此时污水中大部分有机物已被微生物通过代谢作用吸附去除，微生物继续吸附降解周边有机物.

图2 挂膜CF对生活污水各项污染物指标的处理效果

2.3 初期雨水净化初期雨水各原始水质指标的检测结果见表3，依据地表水水域环境功能和保护目标，东湖港为Ⅳ类水.由《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)可知，原始初期雨水NH3-N、TN、TP、高锰酸盐指数、COD各为0.62、3.26、0.43、7.24、23.39 mg/L.NH3-N、高锰酸盐指数、COD分别达到了Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅳ类水标准，而TN、TP分别超标1.17倍、0.43倍，是需要重点关注的对象.

各处理时长下，5项水质指标的浓度值及去除率见图3.由图3可知，各指标去除率趋势与生活污水大致相同，符合实验预期.7 d后初期雨水中NH3-N、TN、TP、高锰酸盐、COD的去除率分别达到93.5%、69.6%、62.8%、76.7%、72.1%，浓度分别降至0.10、1.0、0.23、1.80、7.40 mg/L，除TN、TP外，均达到Ⅰ类水标准.TN、TP分别达到Ⅲ类、Ⅳ类水标准，总体处理效果满足东湖港的水质目标要求.

表3 初期雨水水质指标

较之生活污水净化实验，初期雨水净化实验对各污染指标的去除率偏低，有可能是初期雨水中各污染物浓度比生活污水小，浓度梯度作用力较低，去除效果没有前者明显.

载菌CF和曝气技术两者的结合，不仅充分利用了CF材料表面巨大的比表面积，使微生物高效地富集，而且通过曝气装置提高了水体中DO的浓度，为微生物的生长繁殖提供条件，从而使各污染物的处理效果有了明显提高.固着在CF表面上的微生物通过维持自身生存的反应来分解污染物，CF使微生物可以与其一起在水中摇动，因此处理效果明显[7].

图3 曝气载菌CF对初期雨水各项污染物指标的处理效果

分别对NH3-N和TN、TN和TP做相关性分析，结果见表4与表5.由表4可知，NH3-N与TN的相关系数为0.850(P<0.01)，呈极显著相关，说明TN被吸附的同时NH3-N也在被快速降解，二者联系性很强.相关试验表明，TN与硝酸盐并没有相关性，间接表明TN的去除并非依赖于反硝化作用，而主要由于CF的吸附作用[7].由表5可知，TN与TP相关系数为0.968(P<0.01)，呈极显著相关.前文提到，TN、TP大都以悬浮状态存在于污水中，CF的吸附作用是对氮、磷的去除主要机制之一，并通过微生物的降解提高水质净化效果.

表4 氨氮、总氮相关性分析结果

表5 总氮、总磷相关性分析结果

3 结论与展望

3.1 结论

1)SEM表明，CF表面的凹凸结构具有巨大的比表面积，提供了大量的吸附位.

2)初期雨水净化实验表明，经7 d处理后，对NH3-N、TN、TP、高锰酸盐、COD的去除率分别达93.5%、69.6%、62.8%、76.7%、72.1%，净化后各水质指标均能满足东湖港Ⅳ类水的水功能区划要求.

3)本次实验表明挂膜5 d的CF生物活性高，启动速度快，对生活污水和初期雨水均具有良好的净化效果，对海绵城市的建设与发展具有重要的指导意义.

3.2 展望本课题对曝气条件下挂膜CF处理系统对初期雨水的处理效果展开研究，但由于个人水平、实验条件、实验时间等因素所限，尚有许多不足之处需要进一步去研究和解决，主要包括以下几个方面：

1)初期雨水净化实验中，出水中TP的浓度与Ⅳ类水标准限制接近，且其去除率曲线还不稳定，需要延长实验时间来考察最终的去除效果；

2)本论文在静态条件下研究挂膜CF对污水的净化效果，与实际应用环境有一定差别，建议进一步研究在一定水力停留时间下的净化效果；

3)建议对挂膜CF在雨水排口区域中的布设方式等运行参数展开进一步研究.