碳纖維對污水處理試驗研究

王丹

摘 要：為了獲得碳纖維去除污水中氮磷的效果，本文通過室內試驗，以工業污水為試驗對象，對碳纖維處理污水進行了室內試驗研究，試驗結果表明：碳纖維能明顯地減少污水中氮磷的含量，且隨著時間越長，污水中氨氮和總磷的濃度降低越多，降低速率逐漸變小且趨于穩定。污水中氨氮和總磷的濃度達到穩定后其氮的去除率達到75%，磷的去除率達到69.81%。

關鍵詞：污水處理 碳纖維 氮 磷

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（c）-0118-02

隨著科技和經濟的發展，大量的工業污水排放成了不可忽視的環境問題。如何解決污水低污染排放是當前刻不容緩的問題。碳纖維是一種新型材料，具有表面積大、微孔豐富、吸附能力強的特點，能夠有效去除污水廢水的氣味、顏色、油脂等物質，降解難以降解的物質。如孟潔[1]等采用活性碳纖維對石化廢水進行處理，試驗表明碳纖維作為吸附劑及生物膜載體處理廢水效率高，具有占地小、能耗小、污泥減量化、能夠反復多次使用，運行成本較傳統工藝低等優點，是一種良好的石化廢水處理填料。杜娟娟[2]分別用生態碳纖維、軟性填料、組合填料對污水進行處理，試驗表明碳纖維的污水處理性能優于其他兩種材料，且對氨氮和總磷的去除率達到73.8%和56.4%，焦衛東[3]利用碳纖維復合材料處理廢水，其處理效果較好，處理后水質能達到國家規范的沖廁水質要求。井塚淑夫[4]等研究發現碳纖維材料利用其生物親和性和導電性能及凈化水質。周小穎[5]等進行了碳素纖維去除富營養化水體氮磷的動力學研究，研究發現碳素纖維具有良好的微生物附著特性，掛膜啟動快，附著生物量大且生物膜較薄，更有利于生物膜的傳質。楊林燕[9]等利用碳纖維濕地式浮床對微污染水體的凈化進行了研究，研究發現碳纖維濕地式浮床對微污染水體中的濁度、COD、NH4+-N以及TP的平均去除率分別達到96.47%、83.76%、90.48%及81.58%，去除效果顯著，從而得到碳纖維濕地式浮床對微污染水體的凈化效果顯著，比較適合用來處理微污染水體。

本文在已有的研究成果上，以工業污水為對象，用不同量的碳纖維處理污水分析污水中氮磷含量的變化及有關規律，為污水處理提供一定的參考意見。

1 試驗簡介

1.1 試驗材料

本試驗的水樣取自湖南省某城市工業污水，其氮磷富含量高，并選取碳纖維作為污水處理性能試驗的主要材料，碳纖維材料的主要參數見表1，污水氮磷含量見表2。

1.2 試驗方案

本試驗主要是通過在污水中加入不同量碳纖維材料，測試污水前后氮磷的含量，以此來判斷碳纖維處理污水的效果。其具體實驗步驟如下。

（1）材料和儀器的準備：準備污水40mL，碳纖維20g，盛水容器（容積60L），惰性固體物塊，注射器。試驗數據分析采用origin8.0。

（2）取40mL污水分成2等份，每等份20mL，并將其分別注入60L的容器中，編號依次為#1、#25。

（3）取20g碳纖維將其用細繩系在惰性固體物塊上，然后放入#2中。

（4）在不等時間區間內分別用注射器抽取2個容器內水面下10cm處水樣，并采用納式試劑比色法和鉬酸銨分光光度法分別測定出2個容器中氮磷含量。其時間區間分為1、2、4、6、9、13、17、22、28、35d，并在相應時間區間點的早晨10整采樣。其中#1為原污水對照組，測試量取其平均值。#2為試驗組，測試量取其平均值。

2 試驗結果與分析

由試驗結果得到碳纖維處理污水后的氮磷濃度隨時間變化的濃度值，見表1。為定量分析碳纖維處理污水后的氮磷濃度變化規律，分別繪制出天數與氮磷去除率的曲線圖，見圖1和圖2。

由圖1可知碳纖維去除污水中氨氮含量的效果較顯著，污水中氨氮去除率在6d前呈直線增長，6d后增長速率稍有降低，直到28d后其去除率趨于穩定。經碳纖維處理污水后，氮從初始濃度8.36mg/L降到2.09mg/L，去除率達到75%；由圖1可知未加碳纖維污水對照組的氨氮濃度略有下降，這是由于污水中含有大量微生物，微生物對氨氮具有一定的吸收和形態轉化作用，且水樣本身具有自凈功能。

圖2可知污水中總磷濃度降低率均呈現先增大后趨于穩定狀態，污水中總磷去除率在17d前趨于直線增長，17d后增長速率逐漸趨于穩定。經碳纖維處理污水后，總磷從初始濃度0.53mg/L降到0.16mg/L，去除率達到69.81%。由圖2也可知未加碳纖維污水對照組的總磷濃度略有下降，這是由于污水中含有的大量微生物對總磷具有一定的吸收和形態轉化作用。

綜上結果可知，碳纖維能顯著地降低污水中氮磷濃度，其主要原因在于碳纖維自身的比表面積大，大量微孔結構分布在其表面上，污水中的氮磷通過吸附作用被除去，并且碳纖維含有多種生物親和性的有機官能團，大量微生物附著在碳纖維表面上，增強了自身脫氮除磷效果，從而增加去除率。在碳纖維處理污水初期，污水中的有機物吸附在碳纖維表面上并快速填充孔隙，故氮磷去除率的效果最為明顯，隨著時間的推移，碳纖維內部孔隙逐漸被有機物填充，最終趨于飽和，有機物進入碳纖維內部孔隙的機會越來越小，故碳纖維吸附有機物的能力逐漸變低，去除污水中氮磷的能力越低。

3 結語

選取碳纖維材料，通過室內試驗，對污水氮磷含量的處理，發現碳纖維去除氮磷效果顯著，且隨著時間越長，污水中氨氮和總磷的濃度降低越多，降低速率逐漸變小且趨于穩定。污水中氨氮和總磷的濃度達到穩定后其氮的去除率達到75%，磷的去除率達到69.81%，能顯著改善水體的水質和生態功能，是一種較經濟的除污水雜質的纖維材料。

參考文獻

[1] 孟潔，李蘭，陳攀.活性碳纖維在石化廢水處理中的應用研究[J].中國農村水利水電，2015（5）：81-84，90.

[2] 杜娟娟.不同纖維材料對污水中氮磷的去除效果研究[J].水電能源科學，2018，36（9）：86-88.

[3] 焦衛東.碳纖維復合材料制品生產廢水處理及回用[J].中國給水排水，2011，27（14）：84-86.

[4] 井塚淑夫，小島昭，劉輔庭.碳纖維在工業和水質凈化方面的應用[J].合成纖維，2013，42（2）：43-47.

[5] 周小穎，黃力群，郭子軍，等.碳素纖維去除富營養化水體氮磷的動力學研究[J].環境工程，2015，33（9）：25-30.

[6] 楊林燕，海熱提，李萌，等.碳纖維濕地式浮床對微污染水體的凈化研究[J].環境科學與技術，2013，36（11）：136-141，180.