碳纖維對污水處理試驗研究

王丹

摘 要：為了獲得碳纖維去除污水中氮磷的效果，本文通過室內(nèi)試驗，以工業(yè)污水為試驗對象，對碳纖維處理污水進(jìn)行了室內(nèi)試驗研究，試驗結(jié)果表明：碳纖維能明顯地減少污水中氮磷的含量，且隨著時間越長，污水中氨氮和總磷的濃度降低越多，降低速率逐漸變小且趨于穩(wěn)定。污水中氨氮和總磷的濃度達(dá)到穩(wěn)定后其氮的去除率達(dá)到75%，磷的去除率達(dá)到69.81%。

關(guān)鍵詞：污水處理 碳纖維 氮 磷

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（c）-0118-02

隨著科技和經(jīng)濟的發(fā)展，大量的工業(yè)污水排放成了不可忽視的環(huán)境問題。如何解決污水低污染排放是當(dāng)前刻不容緩的問題。碳纖維是一種新型材料，具有表面積大、微孔豐富、吸附能力強的特點，能夠有效去除污水廢水的氣味、顏色、油脂等物質(zhì)，降解難以降解的物質(zhì)。如孟潔[1]等采用活性碳纖維對石化廢水進(jìn)行處理，試驗表明碳纖維作為吸附劑及生物膜載體處理廢水效率高，具有占地小、能耗小、污泥減量化、能夠反復(fù)多次使用，運行成本較傳統(tǒng)工藝低等優(yōu)點，是一種良好的石化廢水處理填料。杜娟娟[2]分別用生態(tài)碳纖維、軟性填料、組合填料對污水進(jìn)行處理，試驗表明碳纖維的污水處理性能優(yōu)于其他兩種材料，且對氨氮和總磷的去除率達(dá)到73.8%和56.4%，焦衛(wèi)東[3]利用碳纖維復(fù)合材料處理廢水，其處理效果較好，處理后水質(zhì)能達(dá)到國家規(guī)范的沖廁水質(zhì)要求。井塚淑夫[4]等研究發(fā)現(xiàn)碳纖維材料利用其生物親和性和導(dǎo)電性能及凈化水質(zhì)。周小穎[5]等進(jìn)行了碳素纖維去除富營養(yǎng)化水體氮磷的動力學(xué)研究，研究發(fā)現(xiàn)碳素纖維具有良好的微生物附著特性，掛膜啟動快，附著生物量大且生物膜較薄，更有利于生物膜的傳質(zhì)。楊林燕[9]等利用碳纖維濕地式浮床對微污染水體的凈化進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)碳纖維濕地式浮床對微污染水體中的濁度、COD、NH4+-N以及TP的平均去除率分別達(dá)到96.47%、83.76%、90.48%及81.58%，去除效果顯著，從而得到碳纖維濕地式浮床對微污染水體的凈化效果顯著，比較適合用來處理微污染水體。

本文在已有的研究成果上，以工業(yè)污水為對象，用不同量的碳纖維處理污水分析污水中氮磷含量的變化及有關(guān)規(guī)律，為污水處理提供一定的參考意見。

1 試驗簡介

1.1 試驗材料

本試驗的水樣取自湖南省某城市工業(yè)污水，其氮磷富含量高，并選取碳纖維作為污水處理性能試驗的主要材料，碳纖維材料的主要參數(shù)見表1，污水氮磷含量見表2。

1.2 試驗方案

本試驗主要是通過在污水中加入不同量碳纖維材料，測試污水前后氮磷的含量，以此來判斷碳纖維處理污水的效果。其具體實驗步驟如下。

（1）材料和儀器的準(zhǔn)備：準(zhǔn)備污水40mL，碳纖維20g，盛水容器（容積60L），惰性固體物塊，注射器。試驗數(shù)據(jù)分析采用origin8.0。

（2）取40mL污水分成2等份，每等份20mL，并將其分別注入60L的容器中，編號依次為#1、#25。

（3）取20g碳纖維將其用細(xì)繩系在惰性固體物塊上，然后放入#2中。

（4）在不等時間區(qū)間內(nèi)分別用注射器抽取2個容器內(nèi)水面下10cm處水樣，并采用納式試劑比色法和鉬酸銨分光光度法分別測定出2個容器中氮磷含量。其時間區(qū)間分為1、2、4、6、9、13、17、22、28、35d，并在相應(yīng)時間區(qū)間點的早晨10整采樣。其中#1為原污水對照組，測試量取其平均值。#2為試驗組，測試量取其平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

由試驗結(jié)果得到碳纖維處理污水后的氮磷濃度隨時間變化的濃度值，見表1。為定量分析碳纖維處理污水后的氮磷濃度變化規(guī)律，分別繪制出天數(shù)與氮磷去除率的曲線圖，見圖1和圖2。

由圖1可知碳纖維去除污水中氨氮含量的效果較顯著，污水中氨氮去除率在6d前呈直線增長，6d后增長速率稍有降低，直到28d后其去除率趨于穩(wěn)定。經(jīng)碳纖維處理污水后，氮從初始濃度8.36mg/L降到2.09mg/L，去除率達(dá)到75%；由圖1可知未加碳纖維污水對照組的氨氮濃度略有下降，這是由于污水中含有大量微生物，微生物對氨氮具有一定的吸收和形態(tài)轉(zhuǎn)化作用，且水樣本身具有自凈功能。

圖2可知污水中總磷濃度降低率均呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，污水中總磷去除率在17d前趨于直線增長，17d后增長速率逐漸趨于穩(wěn)定。經(jīng)碳纖維處理污水后，總磷從初始濃度0.53mg/L降到0.16mg/L，去除率達(dá)到69.81%。由圖2也可知未加碳纖維污水對照組的總磷濃度略有下降，這是由于污水中含有的大量微生物對總磷具有一定的吸收和形態(tài)轉(zhuǎn)化作用。

綜上結(jié)果可知，碳纖維能顯著地降低污水中氮磷濃度，其主要原因在于碳纖維自身的比表面積大，大量微孔結(jié)構(gòu)分布在其表面上，污水中的氮磷通過吸附作用被除去，并且碳纖維含有多種生物親和性的有機官能團(tuán)，大量微生物附著在碳纖維表面上，增強了自身脫氮除磷效果，從而增加去除率。在碳纖維處理污水初期，污水中的有機物吸附在碳纖維表面上并快速填充孔隙，故氮磷去除率的效果最為明顯，隨著時間的推移，碳纖維內(nèi)部孔隙逐漸被有機物填充，最終趨于飽和，有機物進(jìn)入碳纖維內(nèi)部孔隙的機會越來越小，故碳纖維吸附有機物的能力逐漸變低，去除污水中氮磷的能力越低。

3 結(jié)語

選取碳纖維材料，通過室內(nèi)試驗，對污水氮磷含量的處理，發(fā)現(xiàn)碳纖維去除氮磷效果顯著，且隨著時間越長，污水中氨氮和總磷的濃度降低越多，降低速率逐漸變小且趨于穩(wěn)定。污水中氨氮和總磷的濃度達(dá)到穩(wěn)定后其氮的去除率達(dá)到75%，磷的去除率達(dá)到69.81%，能顯著改善水體的水質(zhì)和生態(tài)功能，是一種較經(jīng)濟的除污水雜質(zhì)的纖維材料。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟潔，李蘭，陳攀.活性碳纖維在石化廢水處理中的應(yīng)用研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2015（5）：81-84，90.

[2] 杜娟娟.不同纖維材料對污水中氮磷的去除效果研究[J].水電能源科學(xué)，2018，36（9）：86-88.

[3] 焦衛(wèi)東.碳纖維復(fù)合材料制品生產(chǎn)廢水處理及回用[J].中國給水排水，2011，27（14）：84-86.

[4] 井塚淑夫，小島昭，劉輔庭.碳纖維在工業(yè)和水質(zhì)凈化方面的應(yīng)用[J].合成纖維，2013，42（2）：43-47.

[5] 周小穎，黃力群，郭子軍，等.碳素纖維去除富營養(yǎng)化水體氮磷的動力學(xué)研究[J].環(huán)境工程，2015，33（9）：25-30.

[6] 楊林燕，海熱提，李萌，等.碳纖維濕地式浮床對微污染水體的凈化研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36（11）：136-141，180.