(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、水污染嚴重成為我國水資源所面臨的主要問題[1]，其中受水資源情勢和經(jīng)濟社會發(fā)展等因素影響，我國水污染問題不斷凸顯，日益成為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。近年來，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，但全國地表水污染現(xiàn)狀仍不容樂觀，據(jù)《2017年中國環(huán)境狀況公報》顯示，全國地表水1940個水質(zhì)監(jiān)測斷面中，Ⅳ類水質(zhì)以上的斷面623個，COD、氨氮依舊為主要的污染指標。

如何減少受污染的水體中的營養(yǎng)物質(zhì)的含量、恢復(fù)水體的綜合功能已成為當前全球性環(huán)境問題的研究熱點。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)，以其強大的吸附能力、無須清除底泥、無能耗、對有機污染物和氮磷廢水的治理高效顯著等特點，得到了迅速發(fā)展；其強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象進行試驗，分別從吸附性能、掛膜啟動時間、掛膜量、氮磷去除效果等方面進行研究，以期為其進一步推廣應(yīng)用奠定科學(xué)依據(jù)，并為污染負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 試驗材料

1.1.1 試驗用水

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

1.1.2 試驗材料

碳纖維以其優(yōu)異的性能成為當今材料學(xué)方向的研究重點，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)類似于人造石墨，具有很高的強度和彈性模量，其熱膨脹系數(shù)接近于0，甚至可為負值(-1.6×106)[3]，其材料構(gòu)造及基本性能見圖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 試驗設(shè)計

本次試驗在有效容積為60L的水桶中進行，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，編號為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，機械攪拌、混勻、靜止后，導(dǎo)入1號試驗組水桶中，試驗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1、2號試驗組同時采用增氧泵進行間歇曝氣，曝氣時間為每天上午9∶00—11∶00。

1.3 樣品采集與方法

試驗期間分別在2h、6h、12h、24h、36h、48h、60h、72h、96h、120h、144h、168h、216h、288h、360h、432h、576h、720h進行水樣采集，監(jiān)測各項水質(zhì)指標，并觀察1號試驗組生物膜的變化情況。

2 試驗結(jié)果

2.1 掛膜情況

1號試驗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，通過顯微鏡觀察，可知生物膜上主要的附著物為耐毒的菌膠團，此外還有一部分的輪蟲、變形蟲、線蟲等，見圖2。附著的菌膠團是由相互粘連的細菌構(gòu)成，其主要作用為氧化分解有機物；輪蟲、變形蟲、線蟲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養(yǎng)的限制，隨著生物膜逐漸增厚，氧氣將難以進入到生物膜內(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號試驗組掛膜期間微生物

2.2 對污染物的去除效果

圖3 碳纖維材料對的去除率

3 分析與討論

近年來，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。

本次試驗研究表明，碳纖維水質(zhì)凈水原理可以分為兩個階段：第一階段主要是微生物吸附階段；第二階段為動態(tài)生物膜和活性污泥團去除階段。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)，可以通過吸附作用去除水中的氮磷，同時其表面含有多種生物親和性的有機官能團，可使大量微生物附著在碳纖維表面，為微生物的生長提供有利的條件，使得生物膜可以較快啟動[6-9]，并且具有豐富的生物相結(jié)構(gòu)，不僅可以通過吸附功能達到污染物去除效果，還可以通過激活廢污水中的本底微生物附著其上，進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

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

b.將碳纖維放置在含有污泥團的水中后，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，通過顯微鏡觀察，其生物膜上主要的附著物為耐毒的菌膠團，此外還有一部分的輪蟲、變形蟲、線蟲等。

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