趙雪娜

（藍星（北京）化工機械有限公司，北京 100176）

“二級厭氧—微氧—好氧”組合工藝處理模擬碳纖維生產廢水

趙雪娜

（藍星（北京）化工機械有限公司，北京 100176）

對模擬碳纖維生產廢水進行“厭氧—好氧”靜態(tài)小試，根據COD的去除效果確定該碳纖維廢水的可生化性。采用“二級厭氧—微氧—好氧”組合工藝進行動態(tài)中試，考察廢水的處理效果及系統(tǒng)的抗沖擊性能。試驗結果表明：該工藝對碳纖維生產廢水的處理效果較好；系統(tǒng)具有厭氧池出水pH增大的特點，且抗沖擊能力較強；在厭氧池水溫為28～38 ℃、好氧池水溫不低于15 ℃、廢水流量為100 L/h、進水COD為660 mg/L、進水ρ（氨氮）為4.9 mg/L的條件下，出水COD穩(wěn)定在50 mg/L以下，ρ（氨氮）穩(wěn)定在5 mg/L以下，能夠滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標準》的要求。

碳纖維生產廢水；厭氧生物處理；微氧生物處理；好氧生物處理；抗沖擊性能

聚丙烯腈基碳纖維以其優(yōu)異的力學性能，在現代科學和現代工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，廣泛應用于航空、航天、建筑、體育、汽車、醫(yī)療等領域［1-2］。該碳纖維生產廢水主要含有甲酸、丙烯腈、二甲基亞砜（DMSO）、表面活性劑等污染物質。一般觀點認為該廢水具有毒性高、難生化的特點，傳統(tǒng)工藝難以實現達標排放［3-6］。

本工作針對模擬碳纖維生產廢水，首先通過靜態(tài)小試考查COD的去除效果，進而提出“二級厭氧—微氧—好氧”生化組合工藝，通過小試及中試考察了處理可行性和運行穩(wěn)定性，為實際工程應用提供技術支持。

1 試驗部分

1.1 廢水水質

依據實際碳纖維生產廢水組成（數據由廠家提供，見表1）配制模擬碳纖維生產廢水，模擬廢水的水質：COD約660 mg/L，pH約3.5，ρ（氨氮）4.9 mg/L。

1.2 試驗方法

1.2.1 靜態(tài)小試

采用“厭氧—好氧”工藝進行靜態(tài)小試，厭氧單元由1 L具塞錐形瓶、排氣管、恒溫磁力攪拌器等組成，好氧單元由1 L錐形瓶和曝氣裝置等組成。小試工藝參數見表2。首先以逐漸增加廢水濃度的方式對厭氧污泥進行馴化并收集厭氧出水，馴化初期（第1～5馴化階段）利用尿素作為外部氮源，并加入葡萄糖、磷酸鹽等物質，保持n（C）∶n（N）∶ n（P）=200∶5∶1，后期不加外部氮源。好氧污泥利用儲存的厭氧出水進行9個處理批次的馴化培養(yǎng)。污泥馴化結束后進行厭氧—好氧全流程運行，每次運行時間為1個處理批次。

表1 實際碳纖維生產廢水組成 ρ，mg/L

表2 小試工藝參數

1.2.2 動態(tài)中試

動態(tài)中試的處理規(guī)模為100 L/h，中試流程示意見圖1，各中試工藝單元的有效容積見表3，其中各單元流離球生物填料的填充體積比均為80%左右。厭氧池水溫保持在28～38 ℃、好氧池水溫不低于15 ℃。

圖1 中試流程示意

表3 各中試工藝單元的有效容積

污泥培養(yǎng)過程：在系統(tǒng)啟動初期采用好氧啟動的方式對4個生化池中的污泥進行馴化培養(yǎng)，向反應器中投加接種污泥，進行悶曝，控制DO≤4 mg/L，并適當加入葡萄糖、氮、磷等營養(yǎng)物質；悶曝后，開始用工業(yè)廢水逐步提高負荷，當厭氧池內生物膜生長較好時，停止厭氧池曝氣，開始正常運行。

系統(tǒng)運行及沖擊試驗：設備開始連續(xù)運行后，取樣測定進水及各反應池出水的COD、ρ（氨氮）和pH；系統(tǒng)開始滿負荷運行后連續(xù)監(jiān)測10 d，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后逐步提高進水負荷，考察系統(tǒng)的抗沖擊能力，進水COD由660 mg/L逐步提高到2 200 mg/L。

1.3 分析方法

COD的測定采用重鉻酸鉀法［7］。pH 的測定采用雷磁PHB-4型數字式酸度計（上海儀電科學儀器股份有限公司）。ρ（氨氮）的測定采用AC2012型氨氮測量儀（美國奧立龍公司）。DO的測定采用雷磁JPB-607A型便攜式溶解氧測定儀（上海儀電科學儀器股份有限公司）。

2 結果與討論

2.1 靜態(tài)小試

要開發(fā)這樣一個系統(tǒng)，在20世紀50年代中期仍處于起步階段的磁帶錄音技術必須取得進步才行。在與蘭德公司合作期間，安派克斯公司推出了世界上第一臺在商業(yè)上大獲成功的磁帶錄像機。雖然它的功能還沒有強大到從太空捕捉蘇聯的活動，體積也沒有小到能夠放入衛(wèi)星，但它永遠改變了“晚間新聞”，開啟了錄像帶的新紀元。

2.1.1 厭氧污泥的馴化

靜態(tài)小試厭氧污泥的馴化結果見表4所示，數據以各馴化階段均值計。厭氧污泥經過40個處理批次（7個馴化階段）的馴化培養(yǎng)，能夠完全以模擬廢水作為營養(yǎng)源，出水穩(wěn)定，污泥沉降性好；在第7馴化階段，進水COD為583 mg/L左右時，出水COD約為404 mg/L，COD去除率約為30.70%。

表4 靜態(tài)小試厭氧污泥的馴化結果

2.1.2 系統(tǒng)運行及抗沖擊試驗結果

從第50個處理批次開始進行厭氧—好氧全流程運行，并在后期提高配水濃度至分別為實際廢水的1.2倍、1.5倍、1.8倍，即COD分別達到674，884，969 mg/L，以考察系統(tǒng)的抗沖擊性能。小試后期COD的變化見圖2。由圖2可見：當進水COD為562 mg/L（即實際廢水COD全負荷運行）時，厭氧出水COD為384 mg/L左右，厭氧COD去除量為178 mg/L左右，運行穩(wěn)定；當進水COD為674 mg/L（即1.2倍實際廢水COD時），厭氧COD去除量為220 mg/L左右；當進水COD為884 mg/L（即1.5倍實際廢水COD時），運行初期的厭氧出水COD為640 mg/L左右，厭氧COD去除量為210 mg/L左右，但當停留時間由24 h延長到48 h時（第66個和第67個處理批次），厭氧出水COD為480 mg/L左右，厭氧出水COD去除量高達400 mg/L；當進水COD為969 mg/L（即1.8倍實際廢水COD時），厭氧出水COD仍保持較高的去除量，這表明，隨著系統(tǒng)進水COD的提高，厭氧容積負荷提高，系統(tǒng)抗沖擊性較好，適當增加厭氧時間能夠改善COD的去除效果。此外，由圖2還可見，整個運行過程中好氧出水COD為25～53 mg/L，說明該廢水的生化性較好。

圖2 小試后期COD的變化

2.2 動態(tài)中試

2.2.1 COD的去除

由于中試規(guī)模較大，從第41天開始，系統(tǒng)進入全負荷運行。為了進一步考察系統(tǒng)的抗沖擊性能，第46～54天內，進水COD從660 mg/L提高到1 500 mg/L，第55天開始投加質量濃度為145 mg/L（500倍設計濃度）的某表面活性劑（廢水公司提供），總COD達到2 200 mg/L左右。中試后期的COD變化見圖3。由圖3可見：在系統(tǒng)COD不斷提高的情況下，生化池能有效降解COD；2級厭氧池出水COD均穩(wěn)定在200 mg/L以下；好氧池出水COD均穩(wěn)定在50 mg/L以下。這表明，該碳纖維生產廢水處理系統(tǒng)具有較強的抗沖擊能力。

圖3 中試后期的COD變化

在中試運行的第41～62天，系統(tǒng)進水ρ（氨氮）隨COD負荷的提高從5.6 mg/L提高到8.4 mg/L。中試后期的ρ（氨氮）變化見圖4。由圖4可見，48天后好氧池出水的氨氮均穩(wěn)定在5 mg/L以下，說明系統(tǒng)具有較好的降解有機氮和除氨氮的能力。廢水中丙烯腈是有機氮化合物，碳酸氫銨貢獻氨氮。分析認為，運行初期1級厭氧池氨氮升高，主要是由于丙烯腈被厭氧降解，釋放氨氮。從第48天開始將好氧池的混合液以300%的回流比回流到2級厭氧池中，各生化池氨氮濃度下降明顯。這是由于好氧池中的硝化細菌將氨氮氧化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，然后硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮通過回流至微氧環(huán)境，在反硝化細菌的作用下充分降解。另外，實驗中觀察到厭氧池出現大量氣泡，分析認為產生了甲烷和二

氧化碳氣體，厭氧氨氧化細菌能夠利用二氧化碳作為碳源將部分氨氮完全降解。

圖4 中試后期的ρ（氨氮）變化

2.2.3 厭氧單元pH的變化

在小試實驗中已觀察到厭氧過程pH升高的現象，因此，將中試進水pH調至6左右，觀察厭氧池出水pH的變化。中試后期的pH變化見圖5。由圖5可見，厭氧池出水pH穩(wěn)定在8.2～8.5。分析認為，厭氧池出水pH的升高與碳纖維廢水的成分有關，該廢水含有的主要有機物是丙烯腈和甲酸，丙烯腈作為有機氮化合物被厭氧降解后會產生氨氮等堿性小分子，導致pH增大，甲酸的分解也會使pH增大。

圖5 中試后期的pH變化

2.2.4 小結

在厭氧池水溫為28～38 ℃、好氧池水溫不低于15 ℃、廢水流量為100 L/h、進水COD為660 mg/L、進水ρ（氨氮）為4.9 mg/L的條件下，該模擬碳纖維生產廢水出水COD穩(wěn)定在50 mg/L以下，ρ（氨氮）穩(wěn)定在5 mg/L以下，達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》［8］的要求。

3 結論

a）采用“厭氧—好氧”小試組合工藝處理模擬碳纖維生產廢水。試驗結果表明，該廢水具有較好的可生化性和一定的抗沖擊能力。

b）采用“二級厭氧—微氧—好氧”中試組合工藝處理模擬碳纖維生產廢水。試驗結果表明，在厭氧池水溫為28～38 ℃、好氧池水溫不低于15 ℃、廢水流量為100 L/h、進水COD為660 mg/L、進水ρ（氨氮）為4.9 mg/L的條件下，該模擬碳纖維生產廢水出水COD穩(wěn)定在 50 mg/L以下，ρ（氨氮）穩(wěn)定在5 mg/L以下，達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》的要求。進水COD為660～2 000 mg/L時，系統(tǒng)運行仍較穩(wěn)定，系統(tǒng)生物培養(yǎng)馴化較好，能有效地降解污染物，且抗沖擊能力較強。

c）本研究中試進水pH為6左右，考慮到碳纖維生產廢水具有厭氧出水pH升高的特點，實際工程中建議將廢水pH由3.5調至5.8左右進入生化系統(tǒng)。

d）本研究中試停留時間只作為工程放大設計的參考。工程中因調試時間較長，污泥負荷可進一步提高，所以建議在工程放大設計中可考慮適當降低各處理單元的停留時間。

［1］劉國昌，徐淑瓊.聚丙烯腈基碳纖維及其應用［J］.機械制造與自動化，2004，33（4）：41-43.

［2］盧春華，宋丕雙，孟慶輝.國內外聚丙烯腈基碳纖維生產現狀及市場分析［J］.彈性體，2012（2）： 89 -94.

［3］崔鵬.PAN基碳纖維生產廢水處理研究［J］.河北化工，2009，32（6）：66-68.

［4］任婷，李存生.二氧化鈦光催化氧化在碳纖維生產廢水處理中的應用［J］.新材料產業(yè)，2013（11）：53 -56.

［5］潘亮.碳纖維生產廢水的預處理工藝試驗研究［D］.蘭州：蘭州交通大學，2012.

［6］陸朝陽，胡學文，陳安明.碳纖維生產廢水DMSO的膜分離濃縮研究［J］.化學與生物工程，2013（5）：82-84.

［7］原國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京：中國環(huán)境科學出版社，2002：211-213.

［8］原國家環(huán)境保護局.GB 8978—1996 污水綜合排放標準［S］.北京：中國標準出版社，1998.

（編輯 葉晶菁）

Treatment of simulated carbon fiber production wastewater by
combined two-stage anaerobic，microaerobic and aerobic biological process

Zhao Xuena
（Bluestar（Beijing）Chemical Machinery Co.Ltd.，Beijing 100176，China）

The simulated carbon fi ber production wastewater was fi rst treated by static lab test of anaerobic-aerobic biological treatment，and the biodegradability of the wastewater was determined according to COD removal effect.Then，the dynamic pilot test of combined two-stage anaerobic，microaerobic and aerobic biological process was carried out，by which the treatment effects and the impact resistance of the system were examined.The results show that：This process has good treatment effect on the carbon fi ber production wastewater；The system has the characters of increased anaerobic effl uent pH and strong impact resistance；Under the conditions of water temperature of anaerobic tank 28-38 ℃，water temperature of aerobic tank above 15 ℃，wastewater fl ow 100 L/h，infl uent COD 660 mg/L and influent ρ（ammonia）4.9 mg/L，the effluent COD and ρ（ammonia）are stabilized at below 50 mg/L and 5 mg/L respectively，which meet the national discharge standard of GB 8978-1996.

carbon fiber production wastewater；anaerobic biological treatment；microaerobic biological treatment；aerobic biological treatment；impact resistance

X783.4

A

1006-1878（2016）02-0189-04

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.02.013

2015-10-08；

2015-10-22。

趙雪娜（1978—），女，吉林省松原市人，博士，工程師。電話 010-58082051，電郵 zhaoxuena2002@163.com。