運行參數對碳纖維反應器處理黑臭水體的影響

郜銀梁，尹 娟，亞 濤，馮瑞枝，范荊凱，林佩斌

（1. 深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518011；2. 北京化工大學 北京市水處理環保材料工程技術研究中心，北京 100029）

0 引言

水體黑臭嚴重影響居民生活和城市形象。治理城市黑臭水體已成為當前城市水環境治理的焦點問題[1-2]。水體黑臭的成因是多方面的，涉及的因素較多，包括溶解氧、有機污染物、溫度等。目前針對城市黑臭水體的治理主要采用“控源截污、內源控制、生態修復和補水活水”的技術路線來實施[3]。深圳市河道經過近幾年的強化治理，已基本完成了對河道點源污染的控制，但面源污染依然存在[4]，因此必須采取有效的手段對面源污染進行治理。

目前，用于河道面源污染治理的技術主要有曝氣復氧、生物接觸氧化、多功能生態浮島、人工水草、人工濕地、復合生態濾床、凈水菌劑及微生物激活劑的投放等[5-6]。碳纖維材料不同于一般工業用的纖維，是一種生態新型復合材料，抗酸堿、耐老化、使用壽命長。該材料具有豐富的微孔結構、比表面積大、吸附容量大，經太陽光照射后發出的聲波能夠激發微生物的活性，微生物掛膜快，無二次污染、成本低、適用水質范圍廣，在水體治理和修復方面有很大的應用空間[7-11]，可作為生物接觸氧化、生態浮島、水工濕地和生態濾床等技術的生物載體，用于河道、湖泊等水體面源污染的治理。姚理為等[12]采用碳素纖維處理北京朝陽區清河水，結果表明碳素纖維生物膜對氮、磷具有較好的去除效果，對總氮、總磷、氨氮的去除率分別為40%，60%，98%。王朔等[13]采用碳素纖維生態草填料和間歇曝氣強化的泛氧化塘對長春新凱河河水進行治理，結果表明該技術對COD、氨氮和總磷的平均去除率分別為34.19%，53.14%和26.08%。梁益聰等[14]以碳素纖維生態基為載體，處理南寧市朝陽溪黑臭河水，結果表明碳素纖維生態基對污水中懸浮物有較強的吸附能力，是一種較有效的改善城市黑臭水體水質的生態材料。

縱觀國內外的研究，將碳纖維作為缺氧-好氧工藝中的掛膜材料，并與絮凝技術相結合處理黑臭水體的研究還鮮見報道。本文采用絮凝-缺氧-好氧-沉淀組合工藝處理黑臭水體，研究掛膜菌劑配比、水力停留時間和溶解氧濃度等參數對碳纖維反應器處理黑臭水體的影響，以期為今后黑臭水體的治理實踐提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與材料

采用一體化設備處理模擬黑臭水體，一體化設備由絮凝池、缺氧池、好氧池和沉淀池等組成，每個池子的有效容積均為50 L，實驗裝置見圖1。黑臭水體從原水桶由蠕動泵提升依次進入絮凝池、缺氧池、好氧池、沉淀池后出水。在運行過程中，向絮凝池中加入聚合氯化鋁，同時好氧池出水回流至缺氧池，回流比為100%。在好氧池和缺氧池中均加入4 根碳纖維填料，每根長為40 cm。好氧池池底放置微孔曝氣頭，通過曝氣泵曝氣，用氣體流量計控制曝氣量，并定時監測溶解氧濃度。定期取一體化設備的進水、出水，分析其中COD、氨氮、總氮和總磷濃度。

實驗所用碳纖維生產廠家為北京水處理環保材料工程技術研究中心，碳纖維比表面積大于1 000 m2/g，拉伸強度大于4.9 GPa，拉伸模量為220 ～240 GPa，斷裂伸長率不小于2.1%，體密度1.80 g/cm3，線密度880 g/km，碳質量分數不小于93%，直徑7 μm，聚丙烯晴（PAN）原絲平均孔度（Φ）不大于5 nm，穩定性高、質輕、機械強度大，壽命達10 ～15 a。

圖1 實驗裝置

1.2 原水水質

進水采用模擬黑臭水體，其組成主要為葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、硝酸鉀、硫酸鎂等，進水水質見表1。

表1 進水水質

1.3 分析方法

試驗過程中COD 測定采用GB11914—89 重鉻酸鉀法，氨氮的測定采用GB7479—87 納氏試劑分光光度法，總氮的測定采用GB11894—89 過硫酸鉀氧化分光光度法，總磷的測定采用GB11893—89 鉬銻抗分光光度法。溶解氧的測定采用百靈達公司生產的便攜式溶解氧儀（Micro 600），pH 值的測定采用上海佑科公司生產的臺式pH 計（P904）。

2 結果與討論

2.1 掛膜菌劑的選擇

生物膜法處理黑臭水體成敗的關鍵是生物膜。本文采用菌劑進行掛膜，菌劑加入后采用先悶曝后原水培養微生物的方式培養生物膜。通過測定COD、氨氮等污染物的去除效果以及肉眼觀察微生物的生長情況來判斷掛膜成功與否。選取復合細菌菌劑（GDB）和反硝化菌劑（BM）進行小試試驗，研究同等試驗條件下，不同配比菌劑對污染物的去除效果。

實驗過程中首先向3 個錐形瓶中加入同等量的碳纖維和模擬黑臭水體，然后分別加入1 g GDB（A組），0.95 g GDB+0.05 g BM （B 組），0.9 g GDB+0.1 g BM（C 組）運行2 d，實驗結果見表2。從表2 可知，C組對COD、氨氮、總氮和總磷去除效果最好，出水質量濃度分別為70，17.84，20.4 和0.415 mg/L，這說明GDB 與BM 的投加比例為9 ∶1 時，掛膜效果最好，為掛膜菌劑最佳配比。

2.2 掛膜期間對污染物的去除效果

實驗裝置啟動后，向缺氧池和好氧池中均投加22.5 g GDB 和2.5 g BM 進行掛膜，掛膜期間黑臭水體處理量為50 L/d。絮凝池中投加固體高效絮凝劑3.0 g/d，好氧池中溶解氧質量濃度控制在2 ～3 mg/L，缺氧池中不曝氣。掛膜期間一體化設備對黑臭水體的去除效果見圖2。從圖2 可以看出，在運行的前6 d，出水COD、氨氮、總氮和總磷的濃度下降速度較快，之后緩慢下降至基本趨于穩定。在運行的15 d 中，出水COD 質量濃度從121 降至40 mg/L；氨氮質量濃度從25 降至9 mg/L；總氮質量濃度從31 降至15 mg/L；總磷質量濃度從1.3 降至0.5 mg/L，各污染物濃度趨于穩定。這說明經過15 d 的培養，一體化設備中碳纖維表面的生物膜基本形成，掛膜完成，出水水質接近《城鎮污水處理廠污染物排放標準》 一級A 排放標準。這可能是由于碳纖維能快速吸附水中的微生物，在碳纖維的表面形成穩定的微生物群落，從而達到快速掛膜的目的。

郭艷君等[15]研究傳統的A/O 生物膜法處理污水，試驗過程中采用纖維束作為掛膜填料，向反應器中投加活性污泥進行掛膜，結果表明反應器從啟動至掛膜完成需40 d，出水水質除TP 外可達《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 排放標準。這說明采用碳纖維作為掛膜材料和投加菌劑的方式進行掛膜，優于普通填料的活性污泥掛膜方式，可以有效縮短掛膜時間，同時提高設備對污染物的去除效果。

圖2 掛膜期間污染物的去除效果

2.3 水力停留時間對出水水質的影響

本文在一體化設備掛膜完成后，研究了水力停留時間（HRT）對污染物的去除效果影響，實驗結果見圖3。

表2 不同菌劑對污染物的去除效果mg·L-1

圖3 不同HRT 下污染物的去除效果

表3 不同DO 濃度下出水污染物濃度及去除率

從圖3 可以看出，在運行的1 ～15 d 內，即HRT=24 h 時，出水COD 和總磷質量濃度基本維持穩定，分別為30 和0.3 mg/L，出水氨氮質量濃度從9 mg/L緩慢降低至5 mg/L，出水總氮質量濃度從20 mg/L 緩慢降低至10 mg/L。第16 天調整HRT 至12 h，出水污染物濃度迅速升高，之后緩慢降低，運行至第22 天，出水COD、氨氮、總氮和總磷質量濃度分別為30，5，8，和0.3 mg/L。第23 天調整HRT 至6 h，出水污染物濃度的變化趨勢與HRT=12 h 一致，運行至第27 天，出水COD、氨氮、總氮和總磷質量濃度分別為30，5，10，和0.3 mg/L。

以上實驗結果說明一體化設備具有良好的抗沖擊負荷能力，采用該設備對黑臭水體進行處理，在HRT=6 h 時出水就能達到氨氮質量濃度小于8 mg/L，實現消除黑臭的目的，較傳統A/O 工藝處理低碳源污水中生化池的HRT（約18.5 h）要短[16]。這可能是由于碳纖維上附著大量的微生物，使得在較短的HRT下一體化設備對黑臭水體的處理效果較傳統活性污泥法要好。

2.4 DO 濃度對出水水質的影響

本文在完成HRT 條件實驗后，在HRT=6 h 的條件下，研究了DO 濃度對一體化設備去除污染物的影響。實驗過程中，好氧池DO 質量濃度分別設置為2，3，4 和5 mg/L，運行至穩定，取穩定后一體化設備的出水，測其污染物濃度。在相同進水條件下，即進水COD、氨氮、總氮和總磷質量濃度分別為164.6，24.62，35.64 和2.537 mg/L，不同DO 質量濃度下的出水污染物濃度見表3。

由表3 可知，DO 質量濃度為4 mg/L 時，出水水質效果最好，COD、氨氮、總氮和總磷質量濃度分別為27.95，4.44，5.76，和0.239 mg/L，但是與DO 質量濃度為3 mg/L 相差不大。這可能是由于生物膜法好氧區DO 質量濃度為2 mg/L 時，限制了硝化菌的生長速率，影響硝化反應的進行，而DO 質量濃度為5 mg/L時，過高的溶解氧會隨混合液回流至缺氧區，影響缺氧段硝酸鹽的反硝化，對脫氮不利，且曝氣量過大使得碳纖維上的生物膜脫落，硝化效果變差，出水水質變差。因此，從運行成本和出水水質的角度來看，本文認為最佳DO 質量濃度為3 mg/L，這與其他學者得出的研究結果： 生物膜系統DO 質量濃度至少應為3 mg/L 一致[17]。

3 結論

（1）在相同小試實驗條件下，0.9 g GDB+0.1 g B組合菌劑對COD、氨氮、總氮、總磷去除效果最好，出水COD、氨氮、總氮和總磷質量濃度分別為70，17.84，20.4 和0.415 mg/L，即GDB 與BM 的投加比例為9 ∶1時，掛膜效果最好，為掛膜菌劑最佳配比。

（2）采用碳纖維作為掛膜材料和添加菌劑的方式對一體化設備進行掛膜，15 d 掛膜即可完成，與傳統活性污泥法掛膜相比，可以有效縮短掛膜時間，同時提高設備對污染物的去除效果。

（3）在HRT 為6 ～24 h 的范圍內，HRT 對出水水質的影響較小，HRT=6，12 和24 h 時，出水COD、氨氮、總氮和總磷質量濃度均能分別維持在30，5，10和0.2 mg/L 左右，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A 標準。

（4）在HRT 為6 h 時，好氧池中DO 質量濃度為4 mg/L，出水水質最好，但與DO 質量濃度為3 mg/L相差不大。對運行成本和出水水質進行綜合考慮，本文認為DO 最佳質量濃度為3 mg/L。