玄武巖纖維填料在廢水處理中的應用

蔣 霞，吳春篤，吳智仁，彭 嬌，徐 暢，張 波*

(1.江蘇大學 環境與安全工程學院，江蘇鎮江212013;2.艾特克控股集團有限公司，江蘇宜興214214)

生物接觸氧化工藝是目前應用較為廣泛的廢水處理工藝之一，具有處理效率高、污泥產量小、運行費用低等特點［1］。填料作為微生物生長繁殖的重要場所，一直是該工藝的核心所在。填料的選擇、結構設計以及設置都會對其在接觸氧化池中的氧傳質和掛膜效果產生重大影響［2－4］，進而影響微生物降解廢水中有機物的速率。因此，選擇一種性能優異的填料及高效的結構形式對于提高整個系統的處理效率和運行成本具有重要的意義。

改進填料作為推進生物接觸氧化工藝發展的突破口，一直都是研究的熱點之一。但是，受材質、結構和設置的影響，填料的改進對于提高生物接觸氧化工藝的處理效率收效甚微。目前，市場上使用較多的諸如彈性填料、組合填料以及一些以聚乙烯等為主的填料［5］，雖然在氧傳質或者掛膜上具有一定的優勢，但是，對于填料的遺留問題仍欠缺考慮。

玄武巖纖維是在高溫熔融下通過漏板拉絲而成的，是一種純天然、無污染的綠色材料，性能優異，可以作為生物填料用于生物接觸氧化工藝廢水處理［6－8］。

作者將玄武巖纖維制作成一種高效的結構形式后，采用間歇非穩態實驗方法與彈性填料和組合填料一起進行了生物接觸氧化池中氧傳質性能的實驗研究，并以氧的總傳質系數(KLa)作為氧傳質效能的評價指標，并通過玄武巖纖維填料的掛膜實驗，對其成膜質量進行了測算，為環境友好型的玄武巖纖維載體的推廣應用提供理論依據。

1 實驗

1.1 原料與藥劑

1.1.1 填料

彈性填料、組合填料:其總生物量(A)分別為56～69，72～80 kg/m3，廣州市綠燁環保公司產品;玄武巖纖維填料:山東省章丘市山玉石材開發有限公司產。其結構形式是將按照一定設計制作好的玄武巖纖維片串聯起來而成，串聯的過程中，在玄武巖纖維片上下各夾一片帶有規則不一孔洞的塑料圓片，見圖1。

圖1 玄武巖纖維填料結構示意Fig.1 Structural diagram of basalt fiber filler

1.1.2 試劑

無水亞硫酸鈉、六水氯化鈷、重鉻酸鉀:均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司提供;濃硫酸:分析純，上海聚泰特種試劑有限公司提供。

1.2 實驗裝置

實驗裝置為接觸氧化池，內裝填料。接觸氧化池大小為長、寬、高分別為380，380，800 mm，有效容積為100 L。實驗用水為自來水，空氣由廣東日生制造的LP-60空氣機經氣體流量計調節控制進氣量后送入裝置之中。本實驗在池底平行設置3排曝氣管，每排曝氣管上布設3個微孔曝氣頭，見圖2。池體中溶解氧采用美國哈希公司制造的便攜式溶氧儀進行直測。

圖2 實驗裝置示意Fig.2 Schematic diagram of experimental device

1.3 實驗方法

采用間歇非穩態實驗方法進行生物接觸氧化池中填料的充氧性能研究。實驗過程如下:首先向池體中注滿自來水，并測定水溫和溶解氧濃度，計算所需亞硫酸鈉和氯化鈷的用量;再將藥劑進行溶解后倒入池體之中，配以適當的攪拌，使溶液在池體中均勻混合;待池體中的溶解氧測定值為零后，開始啟動空壓機，并通過調節氣體流量計對池體進行充氧實驗，在實驗過程中，以溶解氧上升到0.1 mg/L為起始點，隨后每隔1 min記錄1次池中溶解氧和溫度值，直至池體中的溶解氧達到飽和。

為了能夠更為全面地對接觸氧化池的氧傳質效能進行研究，選取了10，15，20 L/min曝氣量，25%，50%，75%填料填充比，每組填料進行9組溶解氧測定實驗。

采用接種污泥掛膜法進行玄武巖纖維填料的掛膜實驗。掛膜污泥取自鎮江市京口區污水處理廠好氧池污泥，所需污泥量為池體有效體積的10%。接種過后，采用生活污水進行生物膜培養，后續按比例遞增添加部分印染廢水，印染廢水取自富鼎特種織品有限公司。前3 d連續曝氣13 h，停氣2 h，以后則連續曝氣18 h，停氣2 h。池體中的溶解氧濃度維持在2～4 mg/L。

在確定生物量的時候，選取池體中具有一定代表性點位上的等量、并長有生物膜的填料，將其置于乙醇溶液中進行生物膜洗脫。混合溶液按照懸浮生物量(C)的測定方法進行測定;洗脫后的玄武巖纖維填料按照平均固定生物量(B)的方法進行測定，兩者生物量的相加即為玄武巖纖維填料的A。

1.4 分析測試

本實驗采用20℃下的氧總傳質系數(KLa(20))對接觸氧化填料的氧轉移特性進行評價;采用化學耗氧量(COD)的去除率以對玄武巖纖維填料的掛膜特性進行評價;采用生物量作為評價玄武巖纖維填料生物膜特性的評價指標。

KLa:指在標準狀態下，曝氣設備在單位時間向單位體積的液體中傳遞氧的總量［9］。計算如下:

式中:Cs為水中的飽和溶解氧濃度;Ct是t時間的溶解氧濃度;C0為初始溶解氧濃度。

為了便于分析，對溫度進行修正，可將不同溫度下的KLa統一為KLa(20)。

A:B與C之和。

C 的測定公式為［10］:

式中:D為懸浮生物濃度;W1為稱量瓶和濾紙在105℃的烘箱中烘干恒重后的質量;W2為過濾后帶污泥的濾紙置于稱量瓶105℃烘干恒重后的質量;V為池容積;η為生物填料填充率。

B:將采集的帶有生物膜的填料置于105℃下烘干恒重后，與不帶生物膜的等量同類填料在相同條件下的質量之差。

化學耗氧量(COD):采用重鉻酸鉀法進行測定。廢水COD的去除率為處理前后的廢水COD的差值與處理前廢水COD的比值。

2 結果與討論

2.1 填料的氧傳質效能

在設定的曝氣量梯度和填料填充率梯度下，對每組填料開展9組溶解氧實驗，水溫為15.3～16 ℃，飽和溶解氧實測值為 9.63 ～9.84 mg/L。根據公式(1)計算出每組實驗的KLa。按公式(2)將其換算成KLa(20)，如表1所示。

表1 不同曝氣量下的KLa(20)Tab.1 KLa(20)at different aeration rate

2.1.1 曝氣量對氧傳質效能的影響

從表1可以看出:不論接觸氧化池中是否添加填料，KLa(20)都隨著曝氣量的增大而增大，只是當池體中添加填料時，KLa(20)的增長速率呈現逐漸減緩的趨勢。原因是由于當曝氣量較小時，池體的氣含率相對較低，而增大曝氣量到15 L/min時，會擴大氣液兩相間的溶解氧濃度差，氧傳質動力較大，KLa(20)增長速率增大。而進一步增大曝氣量到20 L/min時，氣、液相間的溶解氧濃度差減小，氧傳質動力相對較小，因此，表現為KLa(20)增長速率減緩。曝氣強度的進一步增大可以增加氣泡之間相互碰撞的機率，較小的氣泡通過碰撞結合成較大的氣泡，減少了氣液接觸的時間［11］，KLa(20)便隨著曝氣量的持續增加呈現平緩增加的趨勢。

2.1.2 填充比對氧傳質效能的影響

(1)彈性填料

從圖3可以看出，隨著彈性填料填充比的增大，KLa(20)也隨之增大。這是因為彈性填料具有特殊的放射狀彈性細絲立體結構，隨著填充比的增加，該細絲在池體縱向空間層次上分布更加密集，能夠較好地截獲小氣泡，切割大氣泡，從而延長氣液接觸的時間，更加有利于接觸氧化池的氧氣傳質。并且由表1可以看出，相對于無填料添加時，彈性填料的KLa(20)由0.325最大增加到了0.488，增加了 50%。

圖3 不同曝氣量下彈性填料填充率對KLa(20)的影響Fig.3 Effect of filling ratio of elastic filler on KLa(20)at different aeration rate

(2)組合填料

從圖4和表1可以看出，組合填料的添加使得接觸氧化池中的KLa(20)較無填料添加時最大增加了21%，較彈性填料要小。在同一曝氣量下，組合填料填充比的大小對KLa(20)的影響甚微，KLa(20)的大小幾乎沒有發生變化，這說明組合填料的填充比對于接觸氧化池的氧傳質效能無明顯的影響。究其原因是因為組合填料是由中心塑料環夾雜軟性纖維束而成，雖然中心帶有不規則孔洞的塑料環對于池體中的氣泡具有一定的截獲和切割氣泡作用，但是，相較于整體結構來說，這部分所占的填充比例較小。曝氣量較小時，池體氣含率不高，氣泡較少，并可以較為通暢地上升到水的表面。另外，在塑料環上夾雜的軟性填料在曝氣的沖擊下，難以對氣泡的上升產生阻礙和切割作用，氣泡的氣液接觸面積并未得到明顯地增加，因此，組合填料的填充對KLa(20)的影響不大。

圖4 組合填料填充率對KLa(20)的影響Fig.4 Effect of filling ratio of combined filler on KLa(20)

(3)玄武巖纖維填料

從表1和圖5可以看出，玄武巖纖維填料的添加相較于無填料添加時的KLa(20)最大增加了37%，介于彈性填料與組合填料之間。玄武巖纖維填料填充比對于接觸氧化池的充氧能力有著一定的影響。隨著填充率的增加，KLa(20)的值也呈現出增加的趨勢。并且當曝氣量較高時，其變化幅度較大。

圖5 玄武巖纖維填料填充率對KLa(20)的影響Fig.5 Effect of filling ratio of basalt fiber on KLa(20)

分析原因是本實驗中采用的玄武巖纖維本身具有較強的力學性能，能夠抗拒強剪切力，在將制作成的玄武巖纖維片串聯起來的過程中，在每片纖維片的上下層均放置有一片帶有規則不一的塑料圓環，在將纖維片撐開的同時具有一定的布水布氣作用。增加填充率，懸掛固定式的布置，限定了氣泡在池內的上升空間，減少了氣水流的水力半徑。由弗汝德數可得出［12］，水流的紊動性增強，增大了KLa(20)。當曝氣量越大時，紊動性就越強［13］。而隨著填充率的增加，池體中的多束玄武巖纖維片串聯式的玄武巖纖維填料的布置可對氣體中的大氣泡進行層層切割，同時減少水力半徑，提高水流紊動性，進而提高KLa(20)。

接觸氧化池的充氧能力受填料填充比的影響從大到小依次是:彈性填料、玄武巖纖維填料、組合填料。這主要是由填料本身的材質和結構形式的不同所造成的，從實驗結果來看，硬性細絲狀的立體結構更有助于接觸氧化池的氧傳質。

2.2 玄武巖纖維填料的掛膜結果

從表2可以看出，以玄武巖纖維為填料的接觸氧化池掛膜速度較快，在僅經過4 d生活污水的短期培養，生物膜就已經表現出了良好的COD去除率，達到76.5%;在后期(第7 d)混入40%的印染廢水后，生物膜對污水的COD去除率不但沒有降低，反而升高至85.3%，表現出了較好的耐污染負荷沖擊力。原因主要有:玄武巖纖維作為一種微生物填料載體材料具有良好的生物親和性和吸附性能，能很快地將接種污泥中的微生物吸附，并在曝氣充氧的生活污水中大量快速繁殖，并且COD去除率在較短的時間內達到較高的水平，充分表明生物膜系統中的微生物活性較高;在水體中，玄武巖纖維載體易展絲。水中的接種污泥在曝氣的過程中被迅速揚散開來，而在水中舒展的玄武巖纖維便可截獲和捕捉大量被揚散的接種活性污泥，延長其污泥齡;玄武巖纖維填料纖維絲纖細，在曝氣的過程中不會阻水、不導流，促使氧氣在整個反應槽中具有較高的傳質效率。

表2 玄武巖纖維填料的掛膜結果Tab.2 Biofilm culturing situation of basalt fiber

2.2 填料的A

玄武巖纖維的A為90～150 kg/m3，即最高可達150 kg/m3，高于彈性填料和組合填料(彈性填料和組合填料的 A分別為 56～69，72～80 kg/m3)。表明玄武巖纖維作為一種生物填料用于接觸氧化工藝中，生物膜量將顯著提升，有利于提高系統污染物的去除效率。

3 結論

a.充氧實驗中，無論是否添加填料，池體的氧傳質系數都是隨著曝氣量的加大而增加。在添加填料后，接觸氧化池的充氧能力受填料填充比的影響從大到小依次是:彈性填料、玄武巖纖維填料、組合填料。

b.充氧實驗中，含玄武巖纖維填料的接觸氧化池，與無填料相比，KLa(20)最大增加了37%，僅次于彈性填料的50%，優于組合填料的22%。

c.掛膜實驗表明玄武巖纖維作為一種生物填料，掛膜速率較快，通過7 d的短期培養后，生物膜對于廢水中COD的去除率可達到85.3%。另外，玄武巖纖維的A為90～150 kg/m3，優于彈性填料和組合填料。

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