玄武巖纖維系統(tǒng)處理典型水質(zhì)的水處理技術(shù)研究

朱 宸， 張 正

（1. 揚(yáng)州大學(xué) 廣陵學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；2. 國網(wǎng)揚(yáng)州供電公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展，人類對淡水的需求也隨之增加，水體污染、城市河道黑臭現(xiàn)象日益嚴(yán)重[1]，超過90%的淡水資源將在未來15 年內(nèi)被消耗[2]。為了解決這一難題，多種水體凈化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，目前生物接觸氧化技術(shù)在黑臭水體原位凈化領(lǐng)域的應(yīng)用是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，載體的選擇是此技術(shù)的關(guān)鍵。

玄武巖纖維（basalt fiber，BF）是一種無機(jī)非金屬連續(xù)性微米級纖維[3]，呈褐色，由玄武巖石料在1 450～1 500℃的高溫熔融后快速拉制而成[4-5]，具有比表面積大、化學(xué)性能穩(wěn)定[6]、可自然降解[7-9]等特點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域廣受關(guān)注[10-11]。江蘇大學(xué)姜大衛(wèi)[12]采用BF 作為生物膜載體，與浮床技術(shù)聯(lián)用凈化黑臭水體。在20～25℃、溶解氧（DO）2～4 mg/L、PH7.0 的環(huán)境中，系統(tǒng)對NH4+-N、COD、TP 的去除率分別為90%、93%、36.4%。蔣霞等[13]利用BF 處理印染廢水，在低溫、水力停留時(shí)間（HRT）39 h 時(shí)，COD 去除率可達(dá)85%。戚永潔等[14]比較了不同載體的生物接觸氧化系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)BF 載體處理效果最佳，當(dāng)HRT＝15 h 時(shí)，NH4+-N、COD、TP 的去除率分別為51%、67%、72%。Ni 等[15]發(fā)現(xiàn)BF 載體對COD 去除率達(dá)90%，脫氮效率為60%～82%。研究發(fā)現(xiàn)，BF 載體能適應(yīng)各種水質(zhì)，也能適用不同系統(tǒng)，但受微生物種類、HRT、污水種類及C/N/P 營養(yǎng)比影響，BF 載體系統(tǒng)的污染物去除率存在差異。

BF 載體脫氮除磷性能受多種因素制約，水力停留時(shí)間（HRT）便是其一。因此，想要高效經(jīng)濟(jì)的原位處理黑臭水體，找到合適的HRT 尤為關(guān)鍵。本研究通過對比不同HRT 條件下BF 載體生物接觸氧化系統(tǒng)凈化效率，摸索最佳運(yùn)行工況，一方面致力于解決城市河道黑臭的問題，另一方面拓展BF 纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要的研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

本試驗(yàn)反應(yīng)器如圖1 所示，反應(yīng)器有效水深0.4 m，有效容積0.64 m3，內(nèi)置填料架上放置BF 載體，載體填充比為50%，反應(yīng)器底部設(shè)置充氧系統(tǒng)。

圖1 BF 載體生物接觸氧化系統(tǒng)

1.2 載體的選取與制備

本試驗(yàn)采用BF 纖維作為載體，原料由江蘇綠材谷新材料科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，在實(shí)驗(yàn)室中制作成螺旋狀結(jié)構(gòu)（如圖2），采用硅烷偶聯(lián)劑（KH-550）改性。BF 纖維載體電鏡掃描圖如圖3，構(gòu)造性能參數(shù)見表1。

圖2 BF 載體成品

圖3 改性BF 載體電鏡掃描圖

表1 載體構(gòu)造性能參數(shù)

由圖3 可知，經(jīng)過KH-550 改性的BF 載體表面較為粗糙，有助于微生物更好的附著；由表1 可知，BF 載體有較大的比表面積和較高的孔隙率，有效提高附著微生物的密度。因此相較于其他載體，BF 載體系統(tǒng)有較高的凈水效能。

1.3 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)

由于黑臭河道的水質(zhì)情況差別較大，因此本試驗(yàn)選取其中一種典型水質(zhì)作為研究對象，以人工配制輕度黑臭水體模擬該典型水質(zhì)，進(jìn)水水質(zhì)如表2 所示。

表2 BF 載體生物接觸氧化系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)表

1.4 分析項(xiàng)目及測試方法

本研究水質(zhì)分析指標(biāo)包括COD、NH4+-N、TP 和DO，檢測方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》。

1.5 試驗(yàn)方法

掛膜階段：BF 載體系統(tǒng)采用接種污泥法進(jìn)行掛膜，掛膜時(shí)進(jìn)水COD 約350 mg/L、溫度20℃、pH 值7.0、DO 約4.0 mg/L，污泥取自江蘇省南京市江寧開發(fā)區(qū)污水處理廠二沉池。污泥取回實(shí)驗(yàn)室先悶曝2d，而后加入反應(yīng)器中培養(yǎng)一段時(shí)間，當(dāng)BF 載體表面長出一層黃色的生物膜且COD 去除率穩(wěn)定于60%以上時(shí)，即掛膜成功，進(jìn)入試驗(yàn)階段。

試驗(yàn)階段：本試驗(yàn)共設(shè)置5 組HRT，分別為12 h、24 h、36 h、48 h 和60 h，BF 載體填充比為50%，連續(xù)流進(jìn)水，運(yùn)行周期14 天，2 天一次取進(jìn)出水水樣，并測定COD、NH4+-N 和TP。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力停留時(shí)間對COD 去除率的影響

BF 載體系統(tǒng)在不同HRT 時(shí)的COD 去除率如圖4 所示。由圖4 可知，BF 系統(tǒng)的COD 去除率受HRT的影響較大，HRT 越大，系統(tǒng)微生物去除COD 越充分。當(dāng)HRT 從12 h 增至24 h，COD 平均去除率從68.7%增至81.7%，這是因?yàn)殡S著HRT 增加，系統(tǒng)的水力負(fù)荷與污染負(fù)荷降低，系統(tǒng)中微生物與污染物接觸時(shí)間延長，能充分分解COD。與之相似，蔣霞等[13]也發(fā)現(xiàn)增加HRT 有利于提高COD 去除率，蔣霞在溫度為5～10℃時(shí)處理印染廢水，當(dāng)HRT＝34 h 時(shí)，COD 去除率不足70%，當(dāng)HRT 提升至39 h 時(shí)，去除率可穩(wěn)定在85%。當(dāng)HRT 繼續(xù)增大，COD 平均去除率提升不再明顯但更加穩(wěn)定，達(dá)到84%，這可能是進(jìn)水中存在較難分解的有機(jī)物，僅僅增加HRT 難以將其去除。BF載體生物接觸氧化系統(tǒng)能夠高效去除COD，歸功于其特殊的“生物巢”結(jié)構(gòu)。“生物巢”以BF 載體為骨架，內(nèi)部存在厭氧/缺氧/好氧微環(huán)境，在這樣的環(huán)境中，碳源能被多途徑分解，既能在缺氧微環(huán)境中被反硝化細(xì)菌快速消耗，也能在好氧微環(huán)境中被好氧微生物持續(xù)去除。綜上，當(dāng)HRT＝24 h 時(shí)，COD 的去除率已接近峰值，雖然去除率穩(wěn)定性不及HRT＝36/48/60 h，但考慮到增加HRT 后，系統(tǒng)單位時(shí)間處理污水量減小，凈水效率降低，故HRT 取24 h 更為經(jīng)濟(jì)合理。

圖4 不同HRT 的COD 去除率

圖5 不同HRT 的NH4+-N 去除率

2.2 水力停留時(shí)間對NH4+-N 去除率的影響

BF 載體系統(tǒng)在不同HRT 時(shí)的NH4+-N 去除率如圖5 所示。由圖5 可知，BF 載體系統(tǒng)脫氮效率受HRT影響較大。當(dāng)HRT＝12 h 時(shí)，NH4+-N 平均去除率較低，僅32.3%；當(dāng)HRT＝24 h 時(shí)，系統(tǒng)脫氮性能大幅增加，平均去除率達(dá)到52.1%；當(dāng)HRT＝36 h、48 h、60 h 時(shí)，去除效率趨于穩(wěn)定，但與HRT＝24 h 相比無明顯差異。戚永潔等[14]在常溫條件下處理印染廢水時(shí)也發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器對NH4+-N 去除率先上升后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)橄趸?xì)菌在“生物巢”的好氧微環(huán)境中進(jìn)行硝化反應(yīng)，將NH4+-N 硝化成NO3-和NO2-；而后反硝化細(xì)菌在缺氧微環(huán)境中進(jìn)行反硝化反應(yīng)，將NO3-和NO2-反硝化成N2從而脫氮。當(dāng)HRT 較短時(shí)，微生物與污染物接觸時(shí)間較短，硝化、反硝化效率低，降低了NH4+-N 去除率；當(dāng)HRT 較大時(shí)，污染負(fù)荷較低，反硝化反應(yīng)沒有足夠的電子供體，不利于硝態(tài)氮去除，還增加了系統(tǒng)運(yùn)行成本。因此，系統(tǒng)HRT＝24 h 即可滿足脫氮要求。

2.3 水力停留時(shí)間對TP 去除率的影響

BF 載體系統(tǒng)在不同HRT 時(shí)的TP 去除率如圖6 所示。由圖6 可知，當(dāng)HRT 從12 h 提升至24 h，TP 平均去除率從61.6%提升至68.2%，且更穩(wěn)定；當(dāng)HRT 繼續(xù)提高至60 h，TP 平均去除率提升至71.7%。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HRT＞24 h，繼續(xù)提升HRT 并未有效提高系統(tǒng)除磷效率，原因是BF 載體系統(tǒng)是一體化裝置，在曝氣裝置的作用下，系統(tǒng)中不存在絕對的厭氧/缺氧環(huán)境，又因?yàn)镠RT 增加污染負(fù)荷降低，進(jìn)水中有機(jī)物不充足，聚磷菌在與好氧細(xì)菌、兼性厭氧細(xì)菌的競爭中處于劣勢，抑制其生長增殖，因而HRT 增加不能顯著提高TP 去除率。

綜合考慮TP 去除率和經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)HRT＝24 h 最合適。

圖6 不同HRT 的TP 去除率

2.4 單因素方差分析結(jié)果比較

為進(jìn)一步探究不同HRT 對BF 載體系統(tǒng)污染物去除率的影響，采用單因素方差分析法（ANOVA）進(jìn)行差異性分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 BF 載體系統(tǒng)在不同HRT 時(shí)污染物去除率差異性分析

表3 中，BF 系統(tǒng)對各污染物去除率的檢驗(yàn)值F 均大于F（0.05），表明HRT 顯著影響系統(tǒng)污染物去除率。當(dāng)HRT＝12 h 時(shí)，COD、NH4+-N 和TP 去除率均值差為負(fù)值，且檢驗(yàn)值P 均小于0.05，表明此時(shí)系統(tǒng)污染物去除率顯著低于其他HRT；當(dāng)HRT＝24 h 時(shí)，COD、NH4+-N 和TP 去除率雖與其他HRT 存在差異（HRT＝24 h 處理組中存在P 值小于0.05），但去除率均值差接近0，表明此時(shí)系統(tǒng)的凈水效能已接近峰值；當(dāng)HRT 取36 h 及以上時(shí)，雖然系統(tǒng)有稍高的污染物去除率，但是凈水效率較低。因此，HRT 取24 h時(shí)最佳。

2.5 水力停留時(shí)間對DO 的影響

BF 載體生物接觸氧化系統(tǒng)不僅能凈化水體，而且能提升水體溶解氧，本系統(tǒng)在不同HRT 時(shí)的進(jìn)出水DO 如圖7 所示。

由圖7 可知，BF 載體系統(tǒng)出水DO 隨著系統(tǒng)運(yùn)行不斷波動，這是由于系統(tǒng)微生物在不同生長階段的耗氧量不同?？傮w而言，系統(tǒng)穩(wěn)定提升DO，幾乎不受HRT 影響，進(jìn)水DO 約4 mg/L，出水DO 約8.8 mg/L。

圖7 不同HRT 的進(jìn)出水DO

3 結(jié)論

綜合BF 載體接觸氧化系統(tǒng)在脫氮、除磷、去除COD 及提升DO 的試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論。在COD、NH4+-N 和TP 濃度分別為200 mg/L、15 mg/L 和6 mg/L 的進(jìn)水水質(zhì)條件下、以硅烷偶聯(lián)劑改性玄武巖纖維為載體的生物接觸氧化系統(tǒng)：

1）當(dāng)HRT＝24 h 時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好且凈化效果佳；

2）當(dāng)HRT＝24 h 時(shí)，系統(tǒng)對COD、NH4+-N 和TP 的平均去除率分別達(dá)到81.7%、52.1%和68.2%，系統(tǒng)對DO 的提升幾乎不受HRT 影響，將DO 從4 mg/L 提升至8.8 mg/L。