黑臭河水治理中碳纖維填料生物膜技術研究

余　恒　孫安民

（寧波立升環保工程有限公司浙江寧波315000）

黑臭河水治理中碳纖維填料生物膜技術研究

余恒孫安民

（寧波立升環保工程有限公司浙江寧波315000）

本文利用碳纖維填料生物膜技術對黑臭河水進行治理研究，實驗在連續補充黑臭河水,進行曝氣條件、無曝氣條件、及無任何處理的對照條件下,連續處理30天。實驗結果表明：該技術對黑臭河水中的COD,氨氮，總磷，濁度都有非常明顯的降解效果。

黑臭河水；污染治理；碳纖維填料生物膜技術；河水治理養護

1　導言

近年來，由于社會的飛速進步，城市河道水環境受到人們日常生活排放污水的影響，河水黑臭現象時常發生，河道生態環境遭到破壞[1]，為此研究一種高效、生態、廣譜、持續的快速削減河水各種污染物的生物技術，恢復河道生態系統，才可以更好地促進社會發展和生態環境建設。所以，找到科學合理有效的治理方法，進而消除此類環境問題已經迫在眉睫。

2　碳纖維填料生物膜技術分析

河水中特別河道底部本身含有大量的微生物，組成了一個天然的生態系統。碳纖維填料生物膜技術則是對河流生態系統中的微生物治理過程的一種強化處理，將河水中的各種物生物激活，固定附著在碳纖維填料上形成固定的高效生物膜系統。該生物膜包含好氧菌、厭氧菌和大量的原生動物，主要是利用這些微生物產生各種生物酶和生物絮粘劑，通過吸附截留、絡合沉降、消化降解等生物化學的途徑去除污染物，營造了健康的水環境。伴隨微生物群落的發展、水質的改善，其他的水生生物逐步豐滿和多樣化，各種微生物和其他水生動植物之間相互作用并構建生物鏈，形成良性平衡的水生態系統[2][3]。

其中該技術中碳纖維填料采用高分子中心繩和超細纖維絲條制成。該填料具有巨大的微生物附著表面積，可以為微生物提供8000m2/m3以上的生存空間，遠遠高于現有其他微生物載體。有極強的抗老化性，使用壽命在15年以上；填料上超細纖維之間具有很多微細的孔隙，形成毛細管構造,該填料具有高吸水性和極強的吸附能力，更有利于微生物的負載增殖。總結起來具備以下三點功能：

2.1促使其大量繁殖的功能

碳纖維填料由于其巨大的接觸面積和親和材質、惰性及化學處理、多層精密及水體浮力精密計算的編制，賦予其能夠為污染水體中微生物、原生動物、后生動物提供了優勢生存與大量繁殖的棲息地，大大提高生物菌群量及消化與轉換水中污染物速率。

2.2具有強大的生物過濾作用

碳纖維生物活性填料的加工制作特點，賦予它使用生物工程化機理和精確的水生基質來培育大量微生物種群，并對水體中污染物具有精確有效的吸附、生物降解作用，在水體中它具有天然的生物過濾作用。

2.3具有同步脫氮除磷功能

由于具有強大的立體空間功能性及伸縮性，不但能實現平面上的厭氧區、好氧區、兼氧區，而且能夠在立面上、立體空間微觀上實現不同區域，大大提高了其具有同步脫氮除磷功能。

3　實驗部分

本文以河道底泥中培養馴化的活性污泥固定到碳纖維生物填料上，探索該系統對黑臭河水中各污染物的去除能力和系統運行特性，以期為該技術在黑臭河水治理養護中提供一定參考依據。

3.1實驗準備

3.1.1微生物菌種

微生物菌種主要采用污水處理廠污泥濃縮池中的污泥濃縮液。

3.1.2實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。3

圖1　碳纖維填料生物膜裝置示意圖

.2實驗原水

取污染河道原水，原水黑臭，不斷有氣泡溢出，實測溶解氧為零，原水水質見表1。

表1　黑臭河水原水水質

3.3實驗方法

4組水箱分別裝入2t黑臭河水。其中將1#水箱作為對照組；2#、4#水箱內只放碳纖維填料生物膜系統;3#水箱放入碳纖維填料生物膜系統，并安裝微孔曝氣裝置。同時為了模擬在河道中的實際運行狀況，每天對1#，2#，3#水箱進行換水，4#水箱不換水。換水量為30L/天，占水箱容積的6%。實驗開始前10天不進行換水，主要進行活性污泥中微生物菌種的培養和馴化，系統實驗周期為30天。

圖2　水樣中COD含量的變化

4　結果與討論

4.1黑臭河水CODcr處理效果

由圖2可知：除了1#水箱外，其它三個水箱CODcr的濃度是先上升，然后又開始下降直到平穩。從結果可以看出3#水箱CODcr濃度下降幅度最大且下降速度最快:第10天監測數據為21mg/L，之后20來天一直穩定在21mg/L左右波動；2#、4#水箱CODcr濃度為18 mg/L～41mg/L。對照組1#水箱CODcr濃度為59 mg/L～79mg/L，均高于其余3個水箱的CODcr濃度。在第30天3#水箱的CODcr監測濃度委22.85mg/L，符合國標《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中Ⅳ類水的要求。另外2#、4#水箱分別降至29.98、33.09mg/L，也滿足Ⅴ類水的要求。從下圖可看出該系統對黑臭河道中CODcr去除效果明顯。其中3#水箱的去除速度和去除率相對于其它水箱均為最佳，表明該系統在曝氣條件下效果最佳。

4.2黑臭河水中濁度處理效果

圖3　水樣濁度的變化

圖3中，除了1#水箱外，其它三個水箱濁度也是跟COD變化趨勢一樣，濁度先上升然后又開始下降直到平穩。同時從結果可以看出3#水箱的濁度下降幅度最大且下降速度最快。3#水箱從第11天開始，水體基本能清澈見底，2#水箱從第17天開始透明度也提高很多，水體清澈，但效果略差于3#水箱。實驗到第20天，2#、3#水箱透明度很高，基本處于清澈見底狀態，濁度監測接近3NUT，4#水箱在第25天濁度監測值為10NUT。可看出2#、3#和4#三個水箱的濁度均低于1#水箱。結果表明系統對河道水質的凈化起到一定的作用。其中3#水箱處理效果最佳，表明系統在微孔曝氣的輔助作用下效果最佳。

4.3黑臭河水中NH3-N處理效果

圖4　水樣NH3-N含量的變化

NH3-N的數據是從第11天開始進行測定。由圖4可看出：4個水箱的NH3-N濃度基本處于無規律上下波動狀況，但總體處于下降趨勢。其中，3#水箱的NH3-N最先達到0.207mg/L，達到Ⅱ類水的要求。實驗第30天，2#和4#水箱NH3－N濃度分別為0.219mg/L，0.201mg/L，均達到Ⅱ類水的要求。

1#水箱在實驗第30天，NH3－N濃度也降至0.5mg/L。主要原因為是由于水箱是露天放置，1#水箱受光照面積最大，光照時間也相對長些，有利于水箱中藻類生長，從而通過光合作用吸收了河水中的氮[4]，所以NH3-N濃度也相應降低。

4.4碳纖維填料生物膜系統對黑臭河水中總磷的處理效果

圖5　水樣TP含量的變化

從下圖5可看出：4個水箱的總磷濃度整體呈下降趨勢。在實驗第30天，2#、3#和4#水箱總磷濃度分別為0.209，0.214，0.219mg/L，達到了Ⅳ類水的標準，1#水箱的總磷濃度為0.319mg/L，只滿足Ⅴ類水的標準。

1#水箱TP下降的主要原因與該水箱氨氮下降的原因一樣，主要由于1#水箱受光照的影響，水箱中藻類生生成過程中通過光合作用吸收了河水中的磷[4]，所以總磷濃度也相應下降。

4.5系統對黑臭河水的各污染物凈化效果

從上面碳纖維填料生物膜系統對黑臭河水中各種主要污染物的降解分析來看，從實驗第10天后，3#水箱系統已經到達了一定的凈化效果，水質明顯得到改善，但其余3個水箱水質指標仍在變化。在實驗進行到第18天后，4個水箱水樣水質通過監測科看出基本均處于穩定狀態，水質變化相對較少，因此選用第18天所測數據計算去除率，結果見表2。

表2　黑臭河水污染物去除率

5　實驗結論

從上面的實驗過程和實驗監測結果分析可知：（1）實驗結束時，放置了碳纖維填料生物膜系統的2#、3#和4#這三個水箱的水質都比對照組1#水箱中的各污染物濃度要低，各污染物都得到了較高的去除率，說明纖維填料生物膜系統對黑臭河水的治理養護效果較好；（2）從實驗結果可看出，3#水箱CODcr濃度降至21mg/L，達到Ⅳ類水的要求，NH3－N濃度降至0.2mg/L，達到Ⅱ類水的要求，總磷降至0.214mg/L，達到Ⅳ類水的要求，特別COD降解率達到75.79%，NH3－N的降解率達到98.66%，說明輔助曝氣增氧設備的3#水箱比單純放置碳纖維填料生物膜系統的2#和4#水箱對污染物的降解速度更快，降解率更高。3、在以后黑臭河水質量養護的過程中，碳纖維填料生物膜系統應配置微孔曝氣系統進行輔助治理，效果才最佳。

6　在河道中實際應用

寧波市江東區一條河道全長約210m，平均寬度10m，水質治理面積2292m2。周邊均為住宅小區，水質為劣V類，長期處于黑臭狀態，嚴重影響周邊居民生活。該河道自2015年9月共投入8臺碳纖維生物模塊，并配合河道布置的曝氣系統，經過長達3個月的水質治理養護，通過第三方水質監測單位監測情況來看，主要指標均達到IV類水標準，甚至部分指標達到III以上，如氨氮基本維持在1.0mg/L左右。因此可見，該技術在河水治理中具備很好的效果，在河水治理凈化領域具備很好推廣意義。

[1]郝桂玉,黃民生,徐亞同.生物修復原理及其在黑臭水體治理中的應用[J]凈水技術,2004,23(2)：39-41.

[2]趙健亞,周為琴,郭玉華.有效微生物的組成特性及其應用[J].飼料博覽,2004(11):7-9.

[3]魏薇,曹文平.生物膜技術在生物-生態修復技術治理污染水體中的研究[J].節水灌溉,2013（11）：39-43.

[4]羅加,李祥林,石玉潔.應用藻類防治河水黑臭的試驗研究[J].江蘇環境科技,1997（2）：2-5.

余恒（1982—），男，湖北蘄春人，本科，工程師。主要研究方向：環境工程。