活性碳纖維在農村生活污水處理中的應用

張國照 藥寶寶

摘要 以活性碳纖維作為微生物載體開展農村生活污水處理試驗，在進水COD、NH 4+-N、TN、TP濃度分別為79.3～107.1、28.0～48.2、32.6～51.6、2.3～3.9 mg/L的條件下，上述指標的去除率分別為73.7%～89.1%、91.1%～98.2%、42.6%～77.9%、74.5%～86.3%（投加除磷劑）。其中，COD和NH 4+-N的出水水質優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準，TN和TP可穩定達到一級B標準（投加除磷劑），出水SS保持在5 mg/L以下。采用活性碳纖維填料的一體化農村污水處理裝置已用于示范工程，達到了預期效果。與常規填料相比，活性碳纖維填料接觸氧化法NH 4+-N的去除性能更優。活性碳纖維適合在農村生活污水處理中應用。

關鍵詞 農村生活污水;活性碳纖維;A/O工藝;生物膜

中圖分類號 X799.3? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）07-0197-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.047

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Application of Activated Carbon Fiber in Rural Domestic Sewage Treatment

ZHANG Guo-zhao， YAO Bao-bao

（CECEP Water Development Co.，Ltd.， Beijing 100082）

Abstract The experiment of rural domestic sewage treatment was carried out with activated carbon fiber（ACF） as the microbial carrier. The removal rates of COD， NH 4+- N， TN and TP were 73.7%-89.1%， 91.1%-98.2%， 42.6%-77.9% and 74.5%-86.3% （phosphorus removal agent was added） respectively when the influent concentrations were 79.3-107.1， 28.0-48.2， 32.6 - 51.6 and 2.3 - 3.9 mg/L respectively. Among them， the effluent quality of COD and NH 4+-N were better than the first class level A of Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant （GB 18918-2002）， the effluent quality of TN and TP stably reached the first class level B standard （phosphorus removal agent was added）， and SS of effluent was kept below 5 mg/L. The integrated rural sewage treatment device using ACF filler had been used in the demonstration project and achieved the expected effect. Compared with the conventional filler， the ACF filler biological contact oxidation process had better NH 4+-N removal performance. ACF was suitable for rural domestic sewage treatment.

Key words Rural domestic sewage;Activated carbon fiber;A/O process;Biofilm

隨著我國農村經濟的發展和生活水平的提高，農村生活污水對環境的影響也越來越大。農村生活污水不僅影響整個農村的生態環境，同時還制約農村經濟的發展[1]，農村污水治理成為一項非常重要的工作。在農村污水處理技術中，應用較廣泛的一體化生活污水處理裝置大多采用接觸氧化法[2-3]。而作為微生物載體的填料是接觸氧化法的核心，其對污水處理裝置的處理效果具有重要影響[4-5]。填料對處理效果的影響與填料的機械強度、比表面積和生化穩定性等都有一定的關系[4]。碳纖維是一種含碳量超過90%的新型纖維材料，于1959年首先由美國研發出來。碳纖維具有力學性能好、耐高溫（能在2 000 ℃的環境下使用）、抗化學腐蝕等優點[6]?；钚蕴祭w維是經過高溫活化的含碳纖維，表面可產生納米級的孔徑，其比表面積可達到1 000～3 000 m2/g，遠高于彈性立體填料（0.03 m2/g）、生物繩填料（0.05 m2/g）和活性炭（800～1 000 m2/g）。活性碳纖維在水處理中主要用于飲用水凈化、工業用水處理、工業廢水處理、富營養化水體和微污染原水的處理[7-8]，其原理主要是利用活性碳纖維高強的吸附性能直接吸附污染物質使水得到凈化，或利用活性碳纖維作為生物膜載體降解微污染水中污染物質。碳纖維具有吸附大量微生物的功能，附著生物膜增長速度快，同時可以快速捕捉浮游懸濁物，形成良好的生物鏈。周東凱[9]用活性碳纖維進行了模擬生活污水處理試驗，試驗采用好氧接觸氧化工藝，結果表明活性碳纖維掛膜性能優良，并考察了不同參數對COD、NH 4+-N、TN處理效果的影響。筆者將改性的活性碳纖維材料作為微生物載體，采用A/O工藝處理農村生活污水，通過試驗研究其處理效果，并在某農村污水處理工程中進行應用，為農村污水處理技術發展提供新的借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置處理規模為1 m3/d，采用A/O工藝原理，出水以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級B標準為目標。原水由進水泵提升進入主處理裝置，依次經過進水區、缺氧區、好氧區和出水區，出水溢流排出。好氧區出水一部分回流至缺氧區，在缺氧區中通過反硝化作用去除總氮。在缺氧區和好氧區內懸掛活性碳纖維作為生物膜載體，未設置污泥回流系統。除磷采用同步化學除磷的方式。試驗裝置如圖1所示。

主處理裝置尺寸為長2.00 m、寬0.66 m、高1.10 m，有效水深0.95 m。其中，缺氧區和好氧區容積均為0.5 m3。缺氧區預留了隔斷裝置，可調整缺氧區容積大小。在缺氧區和好氧區內分別懸掛23束和22束改性活性碳纖維。改性活

性碳纖維相比普通活性碳纖維具有更高的親水性和掛膜效果，其比表面積為1 200～2 000 m2/g。每束碳纖維呈“豐”字型，懸掛高度為0.75 m，單絲長為0.22 m，有效碳纖維絲長度為9.6 m。生物池內碳纖維平均裝填密度為435.6 m/m3。在好氧區底部設置微孔曝氣管2根，采用供氣泵供氧，供氣量為2.4 L/min。設內回流泵1臺，將一部分好氧區出水回流至缺氧區入口，回流比為1∶1～2∶1。

1.2 試驗用水水質

試驗用水取自某生活污水處理廠細格柵前進水，其COD為79.3～107.1 mg/L，NH 4+-N為28.0～48.2 mg/L，TN為32.6～51.6 mg/L，TP為2.3～3.9 mg/L，SS為24.0～70.5 mg/L。所有水質指標均采用國家標準方法進行測定[10-14]。

1.3 啟動過程

試驗時間為2019年5—12月。首先在主處理裝置中充滿污水，在缺氧區和好氧區各投加0.5 kg接種污泥（以干物質計），然后開啟曝氣裝置，使污泥與活性碳纖維填料充分接觸（缺氧池內放置粗孔曝氣管攪拌）。為防止氣流對碳纖維絲的擾動影響生物附著，啟動曝氣量開啟較小。悶曝48 h后，待缺氧區和好氧區活性碳纖維絲均已掛膜后開始連續進水。好氧區溶解氧保持在2～4 mg/L運行。初始進水量為0.25 m3/d，出水回流比為1∶1。當出水水質指標穩定后逐步提升進水量，進水量依次為0.50、0.75、1.00 m3/d。當進水量提升到0.50 m3/d且出水氨氮穩定達標后，出水回流比調整為2∶1;當進水量達到1.00 m3/d且出水水質穩定后開始連續記錄運行數據，數據記錄時間為23 d。

2 結果與分析

2.1 COD去除效果

從試驗期間COD的進出水水質和去除率（圖2）可以看出，活性碳纖維試驗裝置的出水COD濃度在9.7～23.9 mg/L，對COD的去除率為73.7%～89.1%。試驗裝置對COD具有較高的去除效果，并且隨著運行時間的增加，COD的去除率逐漸增加，這說明活性碳纖維上生物膜量充足、活性好、降解有機物性能優?；钚蕴祭w維極強的吸附能力、巨大的比表面積和良好的生物親和力為生物膜的良好生長提供了有利條件。雖然進水COD波動較大，但出水COD比較穩定，出水COD濃度穩定優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準，說明該工藝的抗沖擊負荷能力較強。

2.2 NH 4+-N去除效果

從試驗期間NH 4+-N的進出水水質和去除率（圖3）可以看出，活性碳纖維試驗裝置的出水NH 4+-N濃度在0.6～3.2 mg/L，對NH 4+-N的去除率為911%～98.2%。試驗裝置對NH 4+-N表現出很高的去除效果，去除率均在90%以上，出水NH 4+-N濃度穩定優于GB 18918—2002的一級A標準。污水中NH 4+-N的去除主要依靠硝化細菌的硝化作用，試驗裝置對NH 4+-N的高去除率說明硝化細菌在活性碳纖維上掛膜性能優異。有研究表明，活性碳纖維依靠吸附作用對NH 4+-N也有一定的去除作用，這可能也是該工藝NH+ 4-N去除率高的原因之一[15]。

2.3 TN去除效果

從試驗期間TN的進出水水質和去除率（圖4）可以看出，活性碳纖維試驗裝置的出水TN濃度在7.7～18.7 mg/L，對TN的去除率為42.6%～77.9%。TN的去除率相對不高且變化范圍較大，主要是受進水COD較低的影響。但在進水碳氮比較低且未投加外部碳源的情況下，出水TN濃度能穩定達到GB 18918—2002的一級B標準。分析原因主要有：一是缺氧區反硝化細菌在活性碳纖維上生長良好;二是由于缺氧區水力停留時間較長，原水中碳源能夠得到充分利用。

2.4 TP去除效果

從試驗期間TP的進出水水質和去除率（圖5）可以看出，在前17 d未向試驗裝置中投加除磷劑，出水TP濃度在1.4～2.5 mg/L，對TP的去除率為10.7%～472%;TP去除率較低，無法達到GB 18918—2002的一級B標準。這主要是由于試驗裝置沒有污泥回流系統，無法依靠聚磷菌在厭氧狀態下釋磷和好氧狀態下吸磷的方式除磷，在未投加除磷劑的情況下，主要依靠生物同化作用和活性碳纖維的吸附作用去除一部分磷。從第18天開始采用同步除磷的方式投加除磷劑三氯化鐵，TP的去除率提高至74.5%～86.3%，出水TP濃度為0.39～0.76 mg/L，可以穩定達到GB 18918—2002的一級B標準。試驗期間，未觀察到投加三氯化鐵對生物處理造成的不良影響。

2.5 出水SS

正常情況下活性碳纖維試驗裝置好氧池出水的SS濃度保持在5 mg/L以下，顯著優于GB 18918—2002的一級A標準。這是由于活性碳纖維具有優異的吸附性能，可對進水中的懸浮物進行截留吸附和微生物降解。

2.6 生物掛膜量

填料表面附著的生物膜量對評價該填料處理污水的性能具有一定的意義?；钚蕴祭w維試驗裝置運行結束后，取好氧池和缺氧池內活性碳纖維絲各1根，采用烘干稱重法測得缺氧池內活性碳纖維絲掛膜量為3.43 g/m，好氧池內活性碳纖維絲掛膜量為5.29 g/m。再通過填料裝填密度計算得到單位池容的生物濃度，其中，缺氧池的生物濃度為1 533 mg/L，好氧池的生物濃度為2 243 mg/L。此次試驗生物掛膜量與常規工藝活性污泥濃度相比較少，主要與進水水質濃度較低有關。

2.7 停留時間優化

試驗裝置在處理水量為1.0 m3/d的情況下，生物池停留時間為24 h。為了推進活性碳纖維生物處理工藝在實際工程中的應用，降低實際工程應用投資，進行了停留時間優化試驗。在缺氧區增加了隔板，使其容積縮小至0.335 m3，增加生物池活性碳纖維填料裝填密度至652.1 m/m3，然后逐漸提升進水量，每次增加進水量0.1 m3/d，并穩定運行3～4 d，最終進水量提升至1.7 m3/d。提升水量期間進水COD為54.6～106.3 mg/L，NH 4+-N為14.8～298 mg/L，TN為20.3～32.1 mg/L，TP為2.6～4.6 mg/L，SS為20.0～55.5 mg/L;出水COD為9.7～19.7 mg/L，NH 4+-N為4.5～7.6 mg/L，TN為12.2～17.5 mg/L，TP為1.2～2.7 mg/L（未投加除磷劑），SS為1.0～5.5 mg/L。出水COD和SS優于GB 18918—2002的一級A標準，NH 4+-N和TN可達到GB 18918—2002的一級B標準。在進水量為1.7 m3/d時，停留時間優化為11.8 h。

2.8 工程應用

在廣東某農村污水處理項目中，建設了活性碳纖維填料一體化污水處理裝置示范工程。該裝置處理規模為20 m3/d，外形尺寸為3.6 m×2.5 m×2.5 m，包括進水區、缺氧區、好氧區、出水區和設備間。其中缺氧區停留時間為4.36 h，好氧區停留時間為8.06 h。設備經調試穩定運行后，在2019年7—12月，進水COD為8～77 mg/L，出水COD為5～27 mg/L;進水NH 4+-N為0.5～11.0 mg/L，出水NH 4+-N為0.1～0.5 mg/L;進水TN為9～29 mg/L，出水TN為2～15 mg/L;進水TP為0.39～8.20 mg/L，出水TP為0.28～3.93 mg/L。由此可見，示范工程的處理效果與工藝試驗吻合，達到了預期目標。但由于進水COD較低，當進水TN較高時需要投加碳源使出水TN達標，同時進水TP需要投加除磷劑使出水TP達標。

2.9 不同填料性能比較

采用不同填料的接觸氧化法處理農村污水處理效果會有所不同。焦濤等[16]用接觸氧化工藝進行處理農村分散污水中試研究，反應器內選用價廉質優的生物膜填料組合，得到COD、NH 4+-N和TN的平均去除率分別為76.10%、68.12%、60.50%。李貴亮等[17]采用球形和懸浮式填料生物接觸氧化法進行處理農村生活污水研究，得到COD的去除率為88%～90%，NH 4+-N的去除率穩定在9005%，TN的去除率達到76.22%。劉建偉等[18]對用于北京市農村污水處理的6種技術進行了評估，其中生物接觸氧化技術COD 去除率為80%～85%，NH 4+-N去除率為81%～87%。由此可見，采用碳纖維填料的接觸氧化法與其他填料接觸氧化法相比，COD的去除率相當，NH 4+-N的去除率優于其他填料，TN的去除率基本持平。

3 結論

以活性碳纖維作為生物膜載體進行處理農村污水試驗，在進水COD、NH 4+-N、TN、TP濃度分別為79.3～107.1、28.0～48.2、32.6～51.6、2.3～3.9 mg/L的條件下，試驗裝置對COD、NH 4+-N、TN和TP的去除率分別為73.7%～89.1%、91.1%～98.2%、42.6%～77.9%和74.5%～86.3%（投加除磷劑），出水COD和NH 4+-N均優于GB 18918—2002中的一級A標準，出水TN和TP可穩定達到GB 18918—2002的一級B標準。好氧池出水SS小于5 mg/L，無需設置沉淀池和污泥回流系統。通過停留時間優化試驗，在出水滿足一級B標準的目標下，停留時間優化為11.8 h?；钚蕴祭w維填料一體化污水處理裝置在示范工程中應用達到了預期目標。與常規填料相比，采用活性碳纖維的接觸氧化法NH 4+-N的去除果更好?；钚蕴祭w維適合在農村生活污水處理中使用。

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