黑臭河水治理中碳纖維填料生物膜技術(shù)研究

余　恒　孫安民

（寧波立升環(huán)保工程有限公司浙江寧波315000）

黑臭河水治理中碳纖維填料生物膜技術(shù)研究

余恒孫安民

（寧波立升環(huán)保工程有限公司浙江寧波315000）

本文利用碳纖維填料生物膜技術(shù)對(duì)黑臭河水進(jìn)行治理研究，實(shí)驗(yàn)在連續(xù)補(bǔ)充黑臭河水,進(jìn)行曝氣條件、無(wú)曝氣條件、及無(wú)任何處理的對(duì)照條件下,連續(xù)處理30天。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)對(duì)黑臭河水中的COD,氨氮，總磷，濁度都有非常明顯的降解效果。

黑臭河水；污染治理；碳纖維填料生物膜技術(shù)；河水治理養(yǎng)護(hù)

1　導(dǎo)言

近年來(lái)，由于社會(huì)的飛速進(jìn)步，城市河道水環(huán)境受到人們?nèi)粘Ｉ钆欧盼鬯挠绊?，河水黑臭現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，河道生態(tài)環(huán)境遭到破壞[1]，為此研究一種高效、生態(tài)、廣譜、持續(xù)的快速削減河水各種污染物的生物技術(shù)，恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)，才可以更好地促進(jìn)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。所以，找到科學(xué)合理有效的治理方法，進(jìn)而消除此類環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。

2　碳纖維填料生物膜技術(shù)分析

河水中特別河道底部本身含有大量的微生物，組成了一個(gè)天然的生態(tài)系統(tǒng)。碳纖維填料生物膜技術(shù)則是對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)中的微生物治理過(guò)程的一種強(qiáng)化處理，將河水中的各種物生物激活，固定附著在碳纖維填料上形成固定的高效生物膜系統(tǒng)。該生物膜包含好氧菌、厭氧菌和大量的原生動(dòng)物，主要是利用這些微生物產(chǎn)生各種生物酶和生物絮粘劑，通過(guò)吸附截留、絡(luò)合沉降、消化降解等生物化學(xué)的途徑去除污染物，營(yíng)造了健康的水環(huán)境。伴隨微生物群落的發(fā)展、水質(zhì)的改善，其他的水生生物逐步豐滿和多樣化，各種微生物和其他水生動(dòng)植物之間相互作用并構(gòu)建生物鏈，形成良性平衡的水生態(tài)系統(tǒng)[2][3]。

其中該技術(shù)中碳纖維填料采用高分子中心繩和超細(xì)纖維絲條制成。該填料具有巨大的微生物附著表面積，可以為微生物提供8000m2/m3以上的生存空間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有其他微生物載體。有極強(qiáng)的抗老化性，使用壽命在15年以上；填料上超細(xì)纖維之間具有很多微細(xì)的孔隙，形成毛細(xì)管構(gòu)造,該填料具有高吸水性和極強(qiáng)的吸附能力，更有利于微生物的負(fù)載增殖?？偨Y(jié)起來(lái)具備以下三點(diǎn)功能：

2.1促使其大量繁殖的功能

碳纖維填料由于其巨大的接觸面積和親和材質(zhì)、惰性及化學(xué)處理、多層精密及水體浮力精密計(jì)算的編制，賦予其能夠?yàn)槲廴舅w中微生物、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物提供了優(yōu)勢(shì)生存與大量繁殖的棲息地，大大提高生物菌群量及消化與轉(zhuǎn)換水中污染物速率。

2.2具有強(qiáng)大的生物過(guò)濾作用

碳纖維生物活性填料的加工制作特點(diǎn)，賦予它使用生物工程化機(jī)理和精確的水生基質(zhì)來(lái)培育大量微生物種群，并對(duì)水體中污染物具有精確有效的吸附、生物降解作用，在水體中它具有天然的生物過(guò)濾作用。

2.3具有同步脫氮除磷功能

由于具有強(qiáng)大的立體空間功能性及伸縮性，不但能實(shí)現(xiàn)平面上的厭氧區(qū)、好氧區(qū)、兼氧區(qū)，而且能夠在立面上、立體空間微觀上實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域，大大提高了其具有同步脫氮除磷功能。

3　實(shí)驗(yàn)部分

本文以河道底泥中培養(yǎng)馴化的活性污泥固定到碳纖維生物填料上，探索該系統(tǒng)對(duì)黑臭河水中各污染物的去除能力和系統(tǒng)運(yùn)行特性，以期為該技術(shù)在黑臭河水治理養(yǎng)護(hù)中提供一定參考依據(jù)。

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1.1微生物菌種

微生物菌種主要采用污水處理廠污泥濃縮池中的污泥濃縮液。

3.1.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。3

圖1　碳纖維填料生物膜裝置示意圖

.2實(shí)驗(yàn)原水

取污染河道原水，原水黑臭，不斷有氣泡溢出，實(shí)測(cè)溶解氧為零，原水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1　黑臭河水原水水質(zhì)

3.3實(shí)驗(yàn)方法

4組水箱分別裝入2t黑臭河水。其中將1#水箱作為對(duì)照組；2#、4#水箱內(nèi)只放碳纖維填料生物膜系統(tǒng);3#水箱放入碳纖維填料生物膜系統(tǒng)，并安裝微孔曝氣裝置。同時(shí)為了模擬在河道中的實(shí)際運(yùn)行狀況，每天對(duì)1#，2#，3#水箱進(jìn)行換水，4#水箱不換水。換水量為30L/天，占水箱容積的6%。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前10天不進(jìn)行換水，主要進(jìn)行活性污泥中微生物菌種的培養(yǎng)和馴化，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)周期為30天。

圖2　水樣中COD含量的變化

4　結(jié)果與討論

4.1黑臭河水CODcr處理效果

由圖2可知：除了1#水箱外，其它三個(gè)水箱CODcr的濃度是先上升，然后又開(kāi)始下降直到平穩(wěn)。從結(jié)果可以看出3#水箱CODcr濃度下降幅度最大且下降速度最快:第10天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為21mg/L，之后20來(lái)天一直穩(wěn)定在21mg/L左右波動(dòng)；2#、4#水箱CODcr濃度為18 mg/L～41mg/L。對(duì)照組1#水箱CODcr濃度為59 mg/L～79mg/L，均高于其余3個(gè)水箱的CODcr濃度。在第30天3#水箱的CODcr監(jiān)測(cè)濃度委22.85mg/L，符合國(guó)標(biāo)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中Ⅳ類水的要求。另外2#、4#水箱分別降至29.98、33.09mg/L，也滿足Ⅴ類水的要求。從下圖可看出該系統(tǒng)對(duì)黑臭河道中CODcr去除效果明顯。其中3#水箱的去除速度和去除率相對(duì)于其它水箱均為最佳，表明該系統(tǒng)在曝氣條件下效果最佳。

4.2黑臭河水中濁度處理效果

圖3　水樣濁度的變化

圖3中，除了1#水箱外，其它三個(gè)水箱濁度也是跟COD變化趨勢(shì)一樣，濁度先上升然后又開(kāi)始下降直到平穩(wěn)。同時(shí)從結(jié)果可以看出3#水箱的濁度下降幅度最大且下降速度最快。3#水箱從第11天開(kāi)始，水體基本能清澈見(jiàn)底，2#水箱從第17天開(kāi)始透明度也提高很多，水體清澈，但效果略差于3#水箱。實(shí)驗(yàn)到第20天，2#、3#水箱透明度很高，基本處于清澈見(jiàn)底狀態(tài)，濁度監(jiān)測(cè)接近3NUT，4#水箱在第25天濁度監(jiān)測(cè)值為10NUT。可看出2#、3#和4#三個(gè)水箱的濁度均低于1#水箱。結(jié)果表明系統(tǒng)對(duì)河道水質(zhì)的凈化起到一定的作用。其中3#水箱處理效果最佳，表明系統(tǒng)在微孔曝氣的輔助作用下效果最佳。

4.3黑臭河水中NH3-N處理效果

圖4　水樣NH3-N含量的變化

NH3-N的數(shù)據(jù)是從第11天開(kāi)始進(jìn)行測(cè)定。由圖4可看出：4個(gè)水箱的NH3-N濃度基本處于無(wú)規(guī)律上下波動(dòng)狀況，但總體處于下降趨勢(shì)。其中，3#水箱的NH3-N最先達(dá)到0.207mg/L，達(dá)到Ⅱ類水的要求。實(shí)驗(yàn)第30天，2#和4#水箱NH3－N濃度分別為0.219mg/L，0.201mg/L，均達(dá)到Ⅱ類水的要求。

1#水箱在實(shí)驗(yàn)第30天，NH3－N濃度也降至0.5mg/L。主要原因?yàn)槭怯捎谒涫锹短旆胖茫?#水箱受光照面積最大，光照時(shí)間也相對(duì)長(zhǎng)些，有利于水箱中藻類生長(zhǎng)，從而通過(guò)光合作用吸收了河水中的氮[4]，所以NH3-N濃度也相應(yīng)降低。

4.4碳纖維填料生物膜系統(tǒng)對(duì)黑臭河水中總磷的處理效果

圖5　水樣TP含量的變化

從下圖5可看出：4個(gè)水箱的總磷濃度整體呈下降趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)第30天，2#、3#和4#水箱總磷濃度分別為0.209，0.214，0.219mg/L，達(dá)到了Ⅳ類水的標(biāo)準(zhǔn)，1#水箱的總磷濃度為0.319mg/L，只滿足Ⅴ類水的標(biāo)準(zhǔn)。

1#水箱TP下降的主要原因與該水箱氨氮下降的原因一樣，主要由于1#水箱受光照的影響，水箱中藻類生生成過(guò)程中通過(guò)光合作用吸收了河水中的磷[4]，所以總磷濃度也相應(yīng)下降。

4.5系統(tǒng)對(duì)黑臭河水的各污染物凈化效果

從上面碳纖維填料生物膜系統(tǒng)對(duì)黑臭河水中各種主要污染物的降解分析來(lái)看，從實(shí)驗(yàn)第10天后，3#水箱系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)了一定的凈化效果，水質(zhì)明顯得到改善，但其余3個(gè)水箱水質(zhì)指標(biāo)仍在變化。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第18天后，4個(gè)水箱水樣水質(zhì)通過(guò)監(jiān)測(cè)科看出基本均處于穩(wěn)定狀態(tài)，水質(zhì)變化相對(duì)較少，因此選用第18天所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算去除率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　黑臭河水污染物去除率

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從上面的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知：（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，放置了碳纖維填料生物膜系統(tǒng)的2#、3#和4#這三個(gè)水箱的水質(zhì)都比對(duì)照組1#水箱中的各污染物濃度要低，各污染物都得到了較高的去除率，說(shuō)明纖維填料生物膜系統(tǒng)對(duì)黑臭河水的治理養(yǎng)護(hù)效果較好；（2）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，3#水箱CODcr濃度降至21mg/L，達(dá)到Ⅳ類水的要求，NH3－N濃度降至0.2mg/L，達(dá)到Ⅱ類水的要求，總磷降至0.214mg/L，達(dá)到Ⅳ類水的要求，特別COD降解率達(dá)到75.79%，NH3－N的降解率達(dá)到98.66%，說(shuō)明輔助曝氣增氧設(shè)備的3#水箱比單純放置碳纖維填料生物膜系統(tǒng)的2#和4#水箱對(duì)污染物的降解速度更快，降解率更高。3、在以后黑臭河水質(zhì)量養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，碳纖維填料生物膜系統(tǒng)應(yīng)配置微孔曝氣系統(tǒng)進(jìn)行輔助治理，效果才最佳。

6　在河道中實(shí)際應(yīng)用

寧波市江東區(qū)一條河道全長(zhǎng)約210m，平均寬度10m，水質(zhì)治理面積2292m2。周邊均為住宅小區(qū)，水質(zhì)為劣V類，長(zhǎng)期處于黑臭狀態(tài)，嚴(yán)重影響周邊居民生活。該河道自2015年9月共投入8臺(tái)碳纖維生物模塊，并配合河道布置的曝氣系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的水質(zhì)治理養(yǎng)護(hù)，通過(guò)第三方水質(zhì)監(jiān)測(cè)單位監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，主要指標(biāo)均達(dá)到IV類水標(biāo)準(zhǔn)，甚至部分指標(biāo)達(dá)到III以上，如氨氮基本維持在1.0mg/L左右。因此可見(jiàn)，該技術(shù)在河水治理中具備很好的效果，在河水治理凈化領(lǐng)域具備很好推廣意義。

[1]郝桂玉,黃民生,徐亞同.生物修復(fù)原理及其在黑臭水體治理中的應(yīng)用[J]凈水技術(shù),2004,23(2)：39-41.

[2]趙健亞,周為琴,郭玉華.有效微生物的組成特性及其應(yīng)用[J].飼料博覽,2004(11):7-9.

[3]魏薇,曹文平.生物膜技術(shù)在生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)治理污染水體中的研究[J].節(jié)水灌溉,2013（11）：39-43.

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余恒（1982—），男，湖北蘄春人，本科，工程師。主要研究方向：環(huán)境工程。