生態(tài)碳纖維在水污染治理中的吸附及掛膜性能研究

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

水是生命的源泉，是人類(lèi)生存和發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是維持生態(tài)系統(tǒng)健康不可或缺的要素。水資源短缺、水災(zāi)害頻發(fā)、水土資源匹配性差、水污染嚴(yán)重成為我國(guó)水資源所面臨的主要問(wèn)題[1]，其中受水資源情勢(shì)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等因素影響，我國(guó)水污染問(wèn)題不斷凸顯，日益成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。近年來(lái)，隨著監(jiān)管力度不斷加大、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及廢污水處理率的不斷升高，水質(zhì)狀況有所緩解，但全國(guó)地表水污染現(xiàn)狀仍不容樂(lè)觀，據(jù)《2017年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，全國(guó)地表水1940個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面中，Ⅳ類(lèi)水質(zhì)以上的斷面623個(gè)，COD、氨氮依舊為主要的污染指標(biāo)。

如何減少受污染的水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量、恢復(fù)水體的綜合功能已成為當(dāng)前全球性環(huán)境問(wèn)題的研究熱點(diǎn)。因此，尋找到一種最佳的水體修復(fù)技術(shù)刻不容緩。碳纖維凈水技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，以其強(qiáng)大的吸附能力、無(wú)須清除底泥、無(wú)能耗、對(duì)有機(jī)污染物和氮磷廢水的治理高效顯著等特點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展；其強(qiáng)大的微生物親和性使得天然水體中的微生物可以固定在其表面，并形成生物膜，實(shí)現(xiàn)吸附及生物膜雙重修復(fù)功能[2]。本文以碳纖維為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，分別從吸附性能、掛膜啟動(dòng)時(shí)間、掛膜量、氮磷去除效果等方面進(jìn)行研究，以期為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定科學(xué)依據(jù)，并為污染負(fù)荷較重的城市河流和飲用水源地的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供新的途徑。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)用水

本研究采集汾河中下游段的小店橋附近的河水作為原水，同時(shí)取一部分底泥。水體水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)，主要超標(biāo)污染物為氨氮、總磷以及石油類(lèi)。試驗(yàn)初始水質(zhì)氨氮、TP濃度分別為9.300mg/L、0.437mg/L。

1.1.2 試驗(yàn)材料

碳纖維以其優(yōu)異的性能成為當(dāng)今材料學(xué)方向的研究重點(diǎn)，尤其是將其作為填料，應(yīng)用于生物掛膜技術(shù)處理污水，已形成一門(mén)新興的關(guān)于材料、微生物、污水處理交叉的學(xué)科。碳結(jié)構(gòu)類(lèi)似于人造石墨，具有很高的強(qiáng)度和彈性模量，其熱膨脹系數(shù)接近于0，甚至可為負(fù)值(-1.6×106)[3]，其材料構(gòu)造及基本性能見(jiàn)圖1及表1。

圖1 碳纖維材料構(gòu)造

表1 碳纖維的基本性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在有效容積為60L的水桶中進(jìn)行，水桶直徑45cm，高52cm。研究采集汾河小店橋附近水作為原水，共設(shè)置兩組試驗(yàn)，編號(hào)為1、2，在1、2組分別放置一束碳纖維，質(zhì)量為16g，為保證碳纖維材料能全部浸入水中，每組材料的下方懸掛固體配重物，上方與浮子相連。采集汾河原水并取其底泥，機(jī)械攪拌、混勻、靜止后，導(dǎo)入1號(hào)試驗(yàn)組水桶中，試驗(yàn)污泥量為水桶容積的1/4，掛膜期間污泥量保持不變，污泥濃度為1.5g/L。對(duì)1、2號(hào)試驗(yàn)組同時(shí)采用增氧泵進(jìn)行間歇曝氣，曝氣時(shí)間為每天上午9∶00—11∶00。

1.3 樣品采集與方法

試驗(yàn)期間分別在2h、6h、12h、24h、36h、48h、60h、72h、96h、120h、144h、168h、216h、288h、360h、432h、576h、720h進(jìn)行水樣采集，監(jiān)測(cè)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，并觀察1號(hào)試驗(yàn)組生物膜的變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 掛膜情況

1號(hào)試驗(yàn)組將碳纖維放置在水中后，水體的濁度下降，24h后碳纖維表面開(kāi)始出現(xiàn)氣泡，直到第48h后，碳纖維表面出現(xiàn)黃色絮狀物，布置72h后即形成成熟的生物膜，通過(guò)顯微鏡觀察，可知生物膜上主要的附著物為耐毒的菌膠團(tuán)，此外還有一部分的輪蟲(chóng)、變形蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)等，見(jiàn)圖2。附著的菌膠團(tuán)是由相互粘連的細(xì)菌構(gòu)成，其主要作用為氧化分解有機(jī)物；輪蟲(chóng)、變形蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)等可以有效去除污泥，防止污泥的聚集，使得生物膜可以保持好氧的狀態(tài)。生物膜上微生物的形態(tài)主要受水體中溶解氧和營(yíng)養(yǎng)的限制，隨著生物膜逐漸增厚，氧氣將難以進(jìn)入到生物膜內(nèi)層，那么將在生物膜內(nèi)層形成厭氧性膜，這樣便出現(xiàn)了從膜面到膜內(nèi)，微生物呈好氧-兼性-厭氧的結(jié)構(gòu)[5]。

圖2 1號(hào)試驗(yàn)組掛膜期間微生物

2.2 對(duì)污染物的去除效果

圖3 碳纖維材料對(duì)的去除率

3 分析與討論

近年來(lái)，碳纖維水生態(tài)修復(fù)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于河流、湖泊、制藥、化工、養(yǎng)殖廢水等水處理方面，且其作為一種優(yōu)良的生物膜載體也發(fā)揮著巨大的作用。

本次試驗(yàn)研究表明，碳纖維水質(zhì)凈水原理可以分為兩個(gè)階段：第一階段主要是微生物吸附階段；第二階段為動(dòng)態(tài)生物膜和活性污泥團(tuán)去除階段。碳纖維因其巨大的表面積且表面存在大量均勻分布的微孔結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)吸附作用去除水中的氮磷，同時(shí)其表面含有多種生物親和性的有機(jī)官能團(tuán)，可使大量微生物附著在碳纖維表面，為微生物的生長(zhǎng)提供有利的條件，使得生物膜可以較快啟動(dòng)[6-9]，并且具有豐富的生物相結(jié)構(gòu)，不僅可以通過(guò)吸附功能達(dá)到污染物去除效果，還可以通過(guò)激活廢污水中的本底微生物附著其上，進(jìn)一步增加廢水中氮磷的去除效率。因此碳纖維不僅可以作為生物膜法的載體材料，也可單獨(dú)應(yīng)用于水體的修復(fù)與治理中，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本研究針對(duì)碳纖維材料，進(jìn)行了小試試驗(yàn)，對(duì)其吸附性能、掛膜情況、去氮除磷效果等進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

b.將碳纖維放置在含有污泥團(tuán)的水中后，第48h左右其表面出現(xiàn)黃色絮狀物，布置72h后即形成成熟的生物膜，通過(guò)顯微鏡觀察，其生物膜上主要的附著物為耐毒的菌膠團(tuán)，此外還有一部分的輪蟲(chóng)、變形蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)等。

本次試驗(yàn)研究，雖然取得了一定效果，但仍存在一些不足，本次研究試驗(yàn)為小試試驗(yàn)，接下來(lái)將會(huì)在取水地進(jìn)行室外試驗(yàn)，保證基本條件一致，來(lái)獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。