利用碳素纤维和一体化设备进行污水净化的研究

2021-03-23宗步泽

科学技术创新 2021年7期

宗步泽

（东方希望集团集团总部环保组，上海200331）

1 背景

在全世界环境问题被重视的情况下，污水处理、排水处理问题被认为是包括公共设施和民间企业在内的重要课题。

近年来，由于湖沼的富营养化，青藻等藻类的产生增加，水资源的污染成为了问题。虽然有很多水处理方法，特别是膜处理系统，以前，像悬浮质那样与水混合，像胶体和悬浮质那样混合、浮游、溶解在水中的物质，使用凝集、氧化、吸附等过程，不能充分除去。这些物质也可以通过物理上的处理而分离出来。虽然是具有如此优秀特征的膜处理，但也有不足以改善除浊度以外的有机物量的情况。

另外，在导入膜处理之初，初期费用有变高的倾向，而且适合原水的水质有一定的限制，也有需要预先处理的情况。即使是现在，光从装置的费用来看，还比其它的处理价格高，需要定期更换膜模块，所以必须考虑更换作业中的运转停止和成本。

本论文以更便宜的价格净化封闭性水域的水质为目标，使用简单的构造能提高水中溶解氧的量的气液泵，通过与碳纤维组合来调查实际进行池水净化时的效果。

膜分离技术是指根据膜的不同特性，通过膜两侧压差的作用力，同时利用各污染物在膜传质过程中存在的选择性差异情况，对多组的流体物质进行分离、分级、提纯和富集等操作。膜分离技术在污水处理环节中起着重大的作用，其原理是通过膜元件的渗透性原理，将水体里比较粗大的污染物进行物理分离出来。当前，膜分离技术不仅可以对废水起到净化与过滤的作用，而且在纯水制备与消毒环节中也发挥着重要作用。在水处理的应用中，既能降低水处理成本支出，还能提升水资源的循环利用效率，为人们创造更加安全的生活环境。

2 成本分析

本试验所采用的膜为PVDF 平板膜，膜孔径为0.2 微米，膜通量采用15-20L/m3.h，的膜富余量，该设备中需要放置1 套500 平膜面积，该种膜的价格为150 元／平。公司的一体式膜式生物反应器采用同一类型的膜，这种规模的设备报价为6000 元／套，因此膜方面设备的一次性投资为8 万元。配套反应器的其他投资为10 万元。

采用二级污水处理工艺的污水处理厂的投资为7000-9000元／吨水，若处理污水的目标是成为中水，还需要增加沉淀、过滤、消毒等设备以及对应的人工操作，与之对应的是，给水处理工艺方面的投资约为30 万元。

通过比对上述设备投资分析，虽然一体式膜式生物反应器比传统的生物物化中水处理工艺的设备投资略微高一些，但成本差距不大。如果一体式膜式生物反应器的污水处理规模达到一定规模，处理量很大，整体设备投资还可降低。

公司的污水处理一体式膜式生物反应器的占地面积200 平。如果考虑设备所需的其他设备如水泵、鼓风机、控制柜等，两种设备的占地也不超过百分之20，比同种传统的生物物化处理工程少占地百分之50 以上。

同时，膜分离技术操作方便，对各种污水处理的应用环境具有较强的适用性。但同时，膜分离技术的使用需要匹配对应的设备设施，此设备的特点是自动化程度比较高，并且能为工作人员操作上带来了很多便利，基本通过PLC 自动控制系统就能一键完成。通常，整个膜处理分离过程可以在室内或工厂内部进行，可多次使用，在使用过程中也不会对试验设备造成磨损。在运行维护方面，工作人员要定期对设备进行维护检查，同时汇总好整个设备运行体系可能存在的故障点，对是否需要进行保养等问题进行标准化的检查。在标准化检查中，可采用红牌作战法，逐步解决每一个存在的问题，在运行点检上进行标准化检查，在检查中，制定完善的检查参照对象，逐次进行检查，不会产生遗漏现象。除此之外，相对于其他污水处理方式，其出水更加干净，稳定性也能得到很好的保证，同时水中的有机物也不会影响处理过程。通过分离，实现对废水的过滤与净化操作，可以达到良好的水质处理效果，并且能减少很多资源的浪费。其主要靠压力推动进行过滤化的操作，整个工艺流程中受环境影响较小，并同时能够实现自动化处理，从而提升工人的工作效率。

3 工艺比对

3.1 好氧处理技术。好氧处理技术是通过好氧菌的培养来处理污水的技术，该污水处理技术的优点是成本低，在污水处理过程中需要人工干预相对较少，只需要将合适的好养菌群培养出来。在废水中放入一定量的好氧菌对各种污染物进行有效处理，其原理是好氧菌对废水中有机物进行分解，将其分解成为二氧化碳、水和无机盐等物质。在分解过程中，二氧化碳会排放到空气中，无机盐中部分金属离子会被微生物吸收，磷酸根和硫酸根则会溶解在水里，不会对水资源和土壤造成环境上的危害。好氧菌从污水有机物的分解中获取能量，用来供自己代谢和繁殖所用。这样就能产生无限量的好氧菌，并使无限量的好氧菌可以持续进行废水处理工作。在好氧污水处理技术中也有多种处理方式，其中比较有效的是间歇曝气法，在间歇曝气运行方式中，比较常用的IDEA、CASS。

3.2 厌氧-好氧组合处理技术。在污水处理中，由于厌氧污水处理技术和好氧污水处理技术都有其各自的优点，但同时都具有一定局限性，单独使用任何一种处理技术都无法实现完全消除废水中的有害物质，难以达到废水排放标准。为此，将两种技术结合，形成厌氧-好氧组合技术，就可以实现污染物处理，也让废水达到排放标准。该技术需要专业污水处理设备，适用于大规模养殖场的污水处理技术中，上流式厌氧污泥床-活性污泥反应器在养殖废水处理中较为多见。畜禽养殖废水处理技术较为成熟，但是还有很大提升空间。养殖废水处理需要耗费大量的人力、物力和财力，所以，在畜禽养殖污染防治工作，最关键的环节是通过预防来降低废水处理的难度。因此，畜禽养殖业主、相关废水处理部门、地方环保部门需要通力合作，切实处理好畜禽养殖废水预防处理工作。

4 实验内容

将气液泵设置在像图1 那样生长有藻类的水池中，使其通过碳纤维循环，同时使用（株）堀场制作所的水质监测系统等定期测量池水的：①浊度；②pH 值；③CD（导电率）；④DO（溶解氧量）等水质指标。

关于碳纤维的净化效果，实验室也进行了测定，为了找到池水净化系统的气液泵的容量、流水量和碳纤维的必要量等最佳条件，现在正在进行研究。除此之外，还进行了调查应用KSB 功能水时的净化效果的实证试验。

图1 气液泵池水净化装置的照片

5 结果与考察

作为结果的一个例子，将安装碳纤维和气液泵的池水的浊度变化体现为图2，净化总溶解度（TDS）在图3 上，氧化还原电位（ORP）在图4 上。主要是由于水中不溶性杂质引起的浊度随时间降低，而表示水溶性杂质量的TDS 几乎没有变化。如图4 所示，ORP是正值，随着时间的增加而增加。而且，由于溶解氧量（DO）的增加，水中有机杂质发生氧化、分解等使浊度降低。水是由碳素和液体所产生的。根据设备试验结果，制定/审核/调整/优化工艺方案，制定好企划方案，出具工艺图纸；AO 工艺变更为AAO 工艺，增加厌氧效果；增加小隔断，使水流停留时间延长，处理效果提高。计算所需材料使用量和成本价格，包括一体化玻璃钢、PAC 药剂，碳素纤维材料，水泵等。