郜銀梁，尹 娟，亞 濤，馮瑞枝，范荊凱，林佩斌

（1. 深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518011；2. 北京化工大學(xué) 北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，北京 100029）

0 引言

水體黑臭嚴(yán)重影響居民生活和城市形象。治理城市黑臭水體已成為當(dāng)前城市水環(huán)境治理的焦點(diǎn)問題[1-2]。水體黑臭的成因是多方面的，涉及的因素較多，包括溶解氧、有機(jī)污染物、溫度等。目前針對城市黑臭水體的治理主要采用“控源截污、內(nèi)源控制、生態(tài)修復(fù)和補(bǔ)水活水”的技術(shù)路線來實(shí)施[3]。深圳市河道經(jīng)過近幾年的強(qiáng)化治理，已基本完成了對河道點(diǎn)源污染的控制，但面源污染依然存在[4]，因此必須采取有效的手段對面源污染進(jìn)行治理。

目前，用于河道面源污染治理的技術(shù)主要有曝氣復(fù)氧、生物接觸氧化、多功能生態(tài)浮島、人工水草、人工濕地、復(fù)合生態(tài)濾床、凈水菌劑及微生物激活劑的投放等[5-6]。碳纖維材料不同于一般工業(yè)用的纖維，是一種生態(tài)新型復(fù)合材料，抗酸堿、耐老化、使用壽命長。該材料具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)、比表面積大、吸附容量大，經(jīng)太陽光照射后發(fā)出的聲波能夠激發(fā)微生物的活性，微生物掛膜快，無二次污染、成本低、適用水質(zhì)范圍廣，在水體治理和修復(fù)方面有很大的應(yīng)用空間[7-11]，可作為生物接觸氧化、生態(tài)浮島、水工濕地和生態(tài)濾床等技術(shù)的生物載體，用于河道、湖泊等水體面源污染的治理。姚理為等[12]采用碳素纖維處理北京朝陽區(qū)清河水，結(jié)果表明碳素纖維生物膜對氮、磷具有較好的去除效果，對總氮、總磷、氨氮的去除率分別為40%，60%，98%。王朔等[13]采用碳素纖維生態(tài)草填料和間歇曝氣強(qiáng)化的泛氧化塘對長春新凱河河水進(jìn)行治理，結(jié)果表明該技術(shù)對COD、氨氮和總磷的平均去除率分別為34.19%，53.14%和26.08%。梁益聰?shù)萚14]以碳素纖維生態(tài)基為載體，處理南寧市朝陽溪黑臭河水，結(jié)果表明碳素纖維生態(tài)基對污水中懸浮物有較強(qiáng)的吸附能力，是一種較有效的改善城市黑臭水體水質(zhì)的生態(tài)材料。

縱觀國內(nèi)外的研究，將碳纖維作為缺氧-好氧工藝中的掛膜材料，并與絮凝技術(shù)相結(jié)合處理黑臭水體的研究還鮮見報(bào)道。本文采用絮凝-缺氧-好氧-沉淀組合工藝處理黑臭水體，研究掛膜菌劑配比、水力停留時(shí)間和溶解氧濃度等參數(shù)對碳纖維反應(yīng)器處理黑臭水體的影響，以期為今后黑臭水體的治理實(shí)踐提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

采用一體化設(shè)備處理模擬黑臭水體，一體化設(shè)備由絮凝池、缺氧池、好氧池和沉淀池等組成，每個(gè)池子的有效容積均為50 L，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。黑臭水體從原水桶由蠕動(dòng)泵提升依次進(jìn)入絮凝池、缺氧池、好氧池、沉淀池后出水。在運(yùn)行過程中，向絮凝池中加入聚合氯化鋁，同時(shí)好氧池出水回流至缺氧池，回流比為100%。在好氧池和缺氧池中均加入4 根碳纖維填料，每根長為40 cm。好氧池池底放置微孔曝氣頭，通過曝氣泵曝氣，用氣體流量計(jì)控制曝氣量，并定時(shí)監(jiān)測溶解氧濃度。定期取一體化設(shè)備的進(jìn)水、出水，分析其中COD、氨氮、總氮和總磷濃度。

實(shí)驗(yàn)所用碳纖維生產(chǎn)廠家為北京水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，碳纖維比表面積大于1 000 m2/g，拉伸強(qiáng)度大于4.9 GPa，拉伸模量為220 ～240 GPa，斷裂伸長率不小于2.1%，體密度1.80 g/cm3，線密度880 g/km，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于93%，直徑7 μm，聚丙烯晴（PAN）原絲平均孔度（Φ）不大于5 nm，穩(wěn)定性高、質(zhì)輕、機(jī)械強(qiáng)度大，壽命達(dá)10 ～15 a。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 原水水質(zhì)

進(jìn)水采用模擬黑臭水體，其組成主要為葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、硝酸鉀、硫酸鎂等，進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 進(jìn)水水質(zhì)

1.3 分析方法

試驗(yàn)過程中COD 測定采用GB11914—89 重鉻酸鉀法，氨氮的測定采用GB7479—87 納氏試劑分光光度法，總氮的測定采用GB11894—89 過硫酸鉀氧化分光光度法，總磷的測定采用GB11893—89 鉬銻抗分光光度法。溶解氧的測定采用百靈達(dá)公司生產(chǎn)的便攜式溶解氧儀（Micro 600），pH 值的測定采用上海佑科公司生產(chǎn)的臺(tái)式pH 計(jì)（P904）。

2 結(jié)果與討論

2.1 掛膜菌劑的選擇

生物膜法處理黑臭水體成敗的關(guān)鍵是生物膜。本文采用菌劑進(jìn)行掛膜，菌劑加入后采用先悶曝后原水培養(yǎng)微生物的方式培養(yǎng)生物膜。通過測定COD、氨氮等污染物的去除效果以及肉眼觀察微生物的生長情況來判斷掛膜成功與否。選取復(fù)合細(xì)菌菌劑（GDB）和反硝化菌劑（BM）進(jìn)行小試試驗(yàn)，研究同等試驗(yàn)條件下，不同配比菌劑對污染物的去除效果。

實(shí)驗(yàn)過程中首先向3 個(gè)錐形瓶中加入同等量的碳纖維和模擬黑臭水體，然后分別加入1 g GDB（A組），0.95 g GDB+0.05 g BM （B 組），0.9 g GDB+0.1 g BM（C 組）運(yùn)行2 d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2 可知，C組對COD、氨氮、總氮和總磷去除效果最好，出水質(zhì)量濃度分別為70，17.84，20.4 和0.415 mg/L，這說明GDB 與BM 的投加比例為9 ∶1 時(shí)，掛膜效果最好，為掛膜菌劑最佳配比。

2.2 掛膜期間對污染物的去除效果

實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)后，向缺氧池和好氧池中均投加22.5 g GDB 和2.5 g BM 進(jìn)行掛膜，掛膜期間黑臭水體處理量為50 L/d。絮凝池中投加固體高效絮凝劑3.0 g/d，好氧池中溶解氧質(zhì)量濃度控制在2 ～3 mg/L，缺氧池中不曝氣。掛膜期間一體化設(shè)備對黑臭水體的去除效果見圖2。從圖2 可以看出，在運(yùn)行的前6 d，出水COD、氨氮、總氮和總磷的濃度下降速度較快，之后緩慢下降至基本趨于穩(wěn)定。在運(yùn)行的15 d 中，出水COD 質(zhì)量濃度從121 降至40 mg/L；氨氮質(zhì)量濃度從25 降至9 mg/L；總氮質(zhì)量濃度從31 降至15 mg/L；總磷質(zhì)量濃度從1.3 降至0.5 mg/L，各污染物濃度趨于穩(wěn)定。這說明經(jīng)過15 d 的培養(yǎng)，一體化設(shè)備中碳纖維表面的生物膜基本形成，掛膜完成，出水水質(zhì)接近《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。這可能是由于碳纖維能快速吸附水中的微生物，在碳纖維的表面形成穩(wěn)定的微生物群落，從而達(dá)到快速掛膜的目的。

郭艷君等[15]研究傳統(tǒng)的A/O 生物膜法處理污水，試驗(yàn)過程中采用纖維束作為掛膜填料，向反應(yīng)器中投加活性污泥進(jìn)行掛膜，結(jié)果表明反應(yīng)器從啟動(dòng)至掛膜完成需40 d，出水水質(zhì)除TP 外可達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。這說明采用碳纖維作為掛膜材料和投加菌劑的方式進(jìn)行掛膜，優(yōu)于普通填料的活性污泥掛膜方式，可以有效縮短掛膜時(shí)間，同時(shí)提高設(shè)備對污染物的去除效果。

圖2 掛膜期間污染物的去除效果

2.3 水力停留時(shí)間對出水水質(zhì)的影響

本文在一體化設(shè)備掛膜完成后，研究了水力停留時(shí)間（HRT）對污染物的去除效果影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

表2 不同菌劑對污染物的去除效果mg·L-1

圖3 不同HRT 下污染物的去除效果

表3 不同DO 濃度下出水污染物濃度及去除率

從圖3 可以看出，在運(yùn)行的1 ～15 d 內(nèi)，即HRT=24 h 時(shí)，出水COD 和總磷質(zhì)量濃度基本維持穩(wěn)定，分別為30 和0.3 mg/L，出水氨氮質(zhì)量濃度從9 mg/L緩慢降低至5 mg/L，出水總氮質(zhì)量濃度從20 mg/L 緩慢降低至10 mg/L。第16 天調(diào)整HRT 至12 h，出水污染物濃度迅速升高，之后緩慢降低，運(yùn)行至第22 天，出水COD、氨氮、總氮和總磷質(zhì)量濃度分別為30，5，8，和0.3 mg/L。第23 天調(diào)整HRT 至6 h，出水污染物濃度的變化趨勢與HRT=12 h 一致，運(yùn)行至第27 天，出水COD、氨氮、總氮和總磷質(zhì)量濃度分別為30，5，10，和0.3 mg/L。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明一體化設(shè)備具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力，采用該設(shè)備對黑臭水體進(jìn)行處理，在HRT=6 h 時(shí)出水就能達(dá)到氨氮質(zhì)量濃度小于8 mg/L，實(shí)現(xiàn)消除黑臭的目的，較傳統(tǒng)A/O 工藝處理低碳源污水中生化池的HRT（約18.5 h）要短[16]。這可能是由于碳纖維上附著大量的微生物，使得在較短的HRT下一體化設(shè)備對黑臭水體的處理效果較傳統(tǒng)活性污泥法要好。

2.4 DO 濃度對出水水質(zhì)的影響

本文在完成HRT 條件實(shí)驗(yàn)后，在HRT=6 h 的條件下，研究了DO 濃度對一體化設(shè)備去除污染物的影響。實(shí)驗(yàn)過程中，好氧池DO 質(zhì)量濃度分別設(shè)置為2，3，4 和5 mg/L，運(yùn)行至穩(wěn)定，取穩(wěn)定后一體化設(shè)備的出水，測其污染物濃度。在相同進(jìn)水條件下，即進(jìn)水COD、氨氮、總氮和總磷質(zhì)量濃度分別為164.6，24.62，35.64 和2.537 mg/L，不同DO 質(zhì)量濃度下的出水污染物濃度見表3。

由表3 可知，DO 質(zhì)量濃度為4 mg/L 時(shí)，出水水質(zhì)效果最好，COD、氨氮、總氮和總磷質(zhì)量濃度分別為27.95，4.44，5.76，和0.239 mg/L，但是與DO 質(zhì)量濃度為3 mg/L 相差不大。這可能是由于生物膜法好氧區(qū)DO 質(zhì)量濃度為2 mg/L 時(shí)，限制了硝化菌的生長速率，影響硝化反應(yīng)的進(jìn)行，而DO 質(zhì)量濃度為5 mg/L時(shí)，過高的溶解氧會(huì)隨混合液回流至缺氧區(qū)，影響缺氧段硝酸鹽的反硝化，對脫氮不利，且曝氣量過大使得碳纖維上的生物膜脫落，硝化效果變差，出水水質(zhì)變差。因此，從運(yùn)行成本和出水水質(zhì)的角度來看，本文認(rèn)為最佳DO 質(zhì)量濃度為3 mg/L，這與其他學(xué)者得出的研究結(jié)果： 生物膜系統(tǒng)DO 質(zhì)量濃度至少應(yīng)為3 mg/L 一致[17]。

3 結(jié)論

（1）在相同小試實(shí)驗(yàn)條件下，0.9 g GDB+0.1 g B組合菌劑對COD、氨氮、總氮、總磷去除效果最好，出水COD、氨氮、總氮和總磷質(zhì)量濃度分別為70，17.84，20.4 和0.415 mg/L，即GDB 與BM 的投加比例為9 ∶1時(shí)，掛膜效果最好，為掛膜菌劑最佳配比。

（2）采用碳纖維作為掛膜材料和添加菌劑的方式對一體化設(shè)備進(jìn)行掛膜，15 d 掛膜即可完成，與傳統(tǒng)活性污泥法掛膜相比，可以有效縮短掛膜時(shí)間，同時(shí)提高設(shè)備對污染物的去除效果。

（3）在HRT 為6 ～24 h 的范圍內(nèi)，HRT 對出水水質(zhì)的影響較小，HRT=6，12 和24 h 時(shí)，出水COD、氨氮、總氮和總磷質(zhì)量濃度均能分別維持在30，5，10和0.2 mg/L 左右，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A 標(biāo)準(zhǔn)。

（4）在HRT 為6 h 時(shí)，好氧池中DO 質(zhì)量濃度為4 mg/L，出水水質(zhì)最好，但與DO 質(zhì)量濃度為3 mg/L相差不大。對運(yùn)行成本和出水水質(zhì)進(jìn)行綜合考慮，本文認(rèn)為DO 最佳質(zhì)量濃度為3 mg/L。