活性碳纖維在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

張國照 藥寶寶

摘要 以活性碳纖維作為微生物載體開展農(nóng)村生活污水處理試驗，在進(jìn)水COD、NH 4+-N、TN、TP濃度分別為79.3～107.1、28.0～48.2、32.6～51.6、2.3～3.9 mg/L的條件下，上述指標(biāo)的去除率分別為73.7%～89.1%、91.1%～98.2%、42.6%～77.9%、74.5%～86.3%（投加除磷劑）。其中，COD和NH 4+-N的出水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)，TN和TP可穩(wěn)定達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)（投加除磷劑），出水SS保持在5 mg/L以下。采用活性碳纖維填料的一體化農(nóng)村污水處理裝置已用于示范工程，達(dá)到了預(yù)期效果。與常規(guī)填料相比，活性碳纖維填料接觸氧化法NH 4+-N的去除性能更優(yōu)?；钚蕴祭w維適合在農(nóng)村生活污水處理中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 農(nóng)村生活污水;活性碳纖維;A/O工藝;生物膜

中圖分類號 X799.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）07-0197-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.047

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Application of Activated Carbon Fiber in Rural Domestic Sewage Treatment

ZHANG Guo-zhao， YAO Bao-bao

（CECEP Water Development Co.，Ltd.， Beijing 100082）

Abstract The experiment of rural domestic sewage treatment was carried out with activated carbon fiber（ACF） as the microbial carrier. The removal rates of COD， NH 4+- N， TN and TP were 73.7%-89.1%， 91.1%-98.2%， 42.6%-77.9% and 74.5%-86.3% （phosphorus removal agent was added） respectively when the influent concentrations were 79.3-107.1， 28.0-48.2， 32.6 - 51.6 and 2.3 - 3.9 mg/L respectively. Among them， the effluent quality of COD and NH 4+-N were better than the first class level A of Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant （GB 18918-2002）， the effluent quality of TN and TP stably reached the first class level B standard （phosphorus removal agent was added）， and SS of effluent was kept below 5 mg/L. The integrated rural sewage treatment device using ACF filler had been used in the demonstration project and achieved the expected effect. Compared with the conventional filler， the ACF filler biological contact oxidation process had better NH 4+-N removal performance. ACF was suitable for rural domestic sewage treatment.

Key words Rural domestic sewage;Activated carbon fiber;A/O process;Biofilm

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，農(nóng)村生活污水對環(huán)境的影響也越來越大。農(nóng)村生活污水不僅影響整個農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境，同時還制約農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]，農(nóng)村污水治理成為一項非常重要的工作。在農(nóng)村污水處理技術(shù)中，應(yīng)用較廣泛的一體化生活污水處理裝置大多采用接觸氧化法[2-3]。而作為微生物載體的填料是接觸氧化法的核心，其對污水處理裝置的處理效果具有重要影響[4-5]。填料對處理效果的影響與填料的機(jī)械強度、比表面積和生化穩(wěn)定性等都有一定的關(guān)系[4]。碳纖維是一種含碳量超過90%的新型纖維材料，于1959年首先由美國研發(fā)出來。碳纖維具有力學(xué)性能好、耐高溫（能在2 000 ℃的環(huán)境下使用）、抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)點[6]?；钚蕴祭w維是經(jīng)過高溫活化的含碳纖維，表面可產(chǎn)生納米級的孔徑，其比表面積可達(dá)到1 000～3 000 m2/g，遠(yuǎn)高于彈性立體填料（0.03 m2/g）、生物繩填料（0.05 m2/g）和活性炭（800～1 000 m2/g）?；钚蕴祭w維在水處理中主要用于飲用水凈化、工業(yè)用水處理、工業(yè)廢水處理、富營養(yǎng)化水體和微污染原水的處理[7-8]，其原理主要是利用活性碳纖維高強的吸附性能直接吸附污染物質(zhì)使水得到凈化，或利用活性碳纖維作為生物膜載體降解微污染水中污染物質(zhì)。碳纖維具有吸附大量微生物的功能，附著生物膜增長速度快，同時可以快速捕捉浮游懸濁物，形成良好的生物鏈。周東凱[9]用活性碳纖維進(jìn)行了模擬生活污水處理試驗，試驗采用好氧接觸氧化工藝，結(jié)果表明活性碳纖維掛膜性能優(yōu)良，并考察了不同參數(shù)對COD、NH 4+-N、TN處理效果的影響。筆者將改性的活性碳纖維材料作為微生物載體，采用A/O工藝處理農(nóng)村生活污水，通過試驗研究其處理效果，并在某農(nóng)村污水處理工程中進(jìn)行應(yīng)用，為農(nóng)村污水處理技術(shù)發(fā)展提供新的借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置處理規(guī)模為1 m3/d，采用A/O工藝原理，出水以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級B標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)。原水由進(jìn)水泵提升進(jìn)入主處理裝置，依次經(jīng)過進(jìn)水區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和出水區(qū)，出水溢流排出。好氧區(qū)出水一部分回流至缺氧區(qū)，在缺氧區(qū)中通過反硝化作用去除總氮。在缺氧區(qū)和好氧區(qū)內(nèi)懸掛活性碳纖維作為生物膜載體，未設(shè)置污泥回流系統(tǒng)。除磷采用同步化學(xué)除磷的方式。試驗裝置如圖1所示。

主處理裝置尺寸為長2.00 m、寬0.66 m、高1.10 m，有效水深0.95 m。其中，缺氧區(qū)和好氧區(qū)容積均為0.5 m3。缺氧區(qū)預(yù)留了隔斷裝置，可調(diào)整缺氧區(qū)容積大小。在缺氧區(qū)和好氧區(qū)內(nèi)分別懸掛23束和22束改性活性碳纖維。改性活

性碳纖維相比普通活性碳纖維具有更高的親水性和掛膜效果，其比表面積為1 200～2 000 m2/g。每束碳纖維呈“豐”字型，懸掛高度為0.75 m，單絲長為0.22 m，有效碳纖維絲長度為9.6 m。生物池內(nèi)碳纖維平均裝填密度為435.6 m/m3。在好氧區(qū)底部設(shè)置微孔曝氣管2根，采用供氣泵供氧，供氣量為2.4 L/min。設(shè)內(nèi)回流泵1臺，將一部分好氧區(qū)出水回流至缺氧區(qū)入口，回流比為1∶1～2∶1。

1.2 試驗用水水質(zhì)

試驗用水取自某生活污水處理廠細(xì)格柵前進(jìn)水，其COD為79.3～107.1 mg/L，NH 4+-N為28.0～48.2 mg/L，TN為32.6～51.6 mg/L，TP為2.3～3.9 mg/L，SS為24.0～70.5 mg/L。所有水質(zhì)指標(biāo)均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定[10-14]。

1.3 啟動過程

試驗時間為2019年5—12月。首先在主處理裝置中充滿污水，在缺氧區(qū)和好氧區(qū)各投加0.5 kg接種污泥（以干物質(zhì)計），然后開啟曝氣裝置，使污泥與活性碳纖維填料充分接觸（缺氧池內(nèi)放置粗孔曝氣管攪拌）。為防止氣流對碳纖維絲的擾動影響生物附著，啟動曝氣量開啟較小。悶曝48 h后，待缺氧區(qū)和好氧區(qū)活性碳纖維絲均已掛膜后開始連續(xù)進(jìn)水。好氧區(qū)溶解氧保持在2～4 mg/L運行。初始進(jìn)水量為0.25 m3/d，出水回流比為1∶1。當(dāng)出水水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定后逐步提升進(jìn)水量，進(jìn)水量依次為0.50、0.75、1.00 m3/d。當(dāng)進(jìn)水量提升到0.50 m3/d且出水氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)后，出水回流比調(diào)整為2∶1;當(dāng)進(jìn)水量達(dá)到1.00 m3/d且出水水質(zhì)穩(wěn)定后開始連續(xù)記錄運行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄時間為23 d。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD去除效果

從試驗期間COD的進(jìn)出水水質(zhì)和去除率（圖2）可以看出，活性碳纖維試驗裝置的出水COD濃度在9.7～23.9 mg/L，對COD的去除率為73.7%～89.1%。試驗裝置對COD具有較高的去除效果，并且隨著運行時間的增加，COD的去除率逐漸增加，這說明活性碳纖維上生物膜量充足、活性好、降解有機(jī)物性能優(yōu)?；钚蕴祭w維極強的吸附能力、巨大的比表面積和良好的生物親和力為生物膜的良好生長提供了有利條件。雖然進(jìn)水COD波動較大，但出水COD比較穩(wěn)定，出水COD濃度穩(wěn)定優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)，說明該工藝的抗沖擊負(fù)荷能力較強。

2.2 NH 4+-N去除效果

從試驗期間NH 4+-N的進(jìn)出水水質(zhì)和去除率（圖3）可以看出，活性碳纖維試驗裝置的出水NH 4+-N濃度在0.6～3.2 mg/L，對NH 4+-N的去除率為911%～98.2%。試驗裝置對NH 4+-N表現(xiàn)出很高的去除效果，去除率均在90%以上，出水NH 4+-N濃度穩(wěn)定優(yōu)于GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)。污水中NH 4+-N的去除主要依靠硝化細(xì)菌的硝化作用，試驗裝置對NH 4+-N的高去除率說明硝化細(xì)菌在活性碳纖維上掛膜性能優(yōu)異。有研究表明，活性碳纖維依靠吸附作用對NH 4+-N也有一定的去除作用，這可能也是該工藝NH+ 4-N去除率高的原因之一[15]。

2.3 TN去除效果

從試驗期間TN的進(jìn)出水水質(zhì)和去除率（圖4）可以看出，活性碳纖維試驗裝置的出水TN濃度在7.7～18.7 mg/L，對TN的去除率為42.6%～77.9%。TN的去除率相對不高且變化范圍較大，主要是受進(jìn)水COD較低的影響。但在進(jìn)水碳氮比較低且未投加外部碳源的情況下，出水TN濃度能穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002的一級B標(biāo)準(zhǔn)。分析原因主要有：一是缺氧區(qū)反硝化細(xì)菌在活性碳纖維上生長良好;二是由于缺氧區(qū)水力停留時間較長，原水中碳源能夠得到充分利用。

2.4 TP去除效果

從試驗期間TP的進(jìn)出水水質(zhì)和去除率（圖5）可以看出，在前17 d未向試驗裝置中投加除磷劑，出水TP濃度在1.4～2.5 mg/L，對TP的去除率為10.7%～472%;TP去除率較低，無法達(dá)到GB 18918—2002的一級B標(biāo)準(zhǔn)。這主要是由于試驗裝置沒有污泥回流系統(tǒng)，無法依靠聚磷菌在厭氧狀態(tài)下釋磷和好氧狀態(tài)下吸磷的方式除磷，在未投加除磷劑的情況下，主要依靠生物同化作用和活性碳纖維的吸附作用去除一部分磷。從第18天開始采用同步除磷的方式投加除磷劑三氯化鐵，TP的去除率提高至74.5%～86.3%，出水TP濃度為0.39～0.76 mg/L，可以穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002的一級B標(biāo)準(zhǔn)。試驗期間，未觀察到投加三氯化鐵對生物處理造成的不良影響。

2.5 出水SS

正常情況下活性碳纖維試驗裝置好氧池出水的SS濃度保持在5 mg/L以下，顯著優(yōu)于GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)。這是由于活性碳纖維具有優(yōu)異的吸附性能，可對進(jìn)水中的懸浮物進(jìn)行截留吸附和微生物降解。

2.6 生物掛膜量

填料表面附著的生物膜量對評價該填料處理污水的性能具有一定的意義?；钚蕴祭w維試驗裝置運行結(jié)束后，取好氧池和缺氧池內(nèi)活性碳纖維絲各1根，采用烘干稱重法測得缺氧池內(nèi)活性碳纖維絲掛膜量為3.43 g/m，好氧池內(nèi)活性碳纖維絲掛膜量為5.29 g/m。再通過填料裝填密度計算得到單位池容的生物濃度，其中，缺氧池的生物濃度為1 533 mg/L，好氧池的生物濃度為2 243 mg/L。此次試驗生物掛膜量與常規(guī)工藝活性污泥濃度相比較少，主要與進(jìn)水水質(zhì)濃度較低有關(guān)。

2.7 停留時間優(yōu)化

試驗裝置在處理水量為1.0 m3/d的情況下，生物池停留時間為24 h。為了推進(jìn)活性碳纖維生物處理工藝在實際工程中的應(yīng)用，降低實際工程應(yīng)用投資，進(jìn)行了停留時間優(yōu)化試驗。在缺氧區(qū)增加了隔板，使其容積縮小至0.335 m3，增加生物池活性碳纖維填料裝填密度至652.1 m/m3，然后逐漸提升進(jìn)水量，每次增加進(jìn)水量0.1 m3/d，并穩(wěn)定運行3～4 d，最終進(jìn)水量提升至1.7 m3/d。提升水量期間進(jìn)水COD為54.6～106.3 mg/L，NH 4+-N為14.8～298 mg/L，TN為20.3～32.1 mg/L，TP為2.6～4.6 mg/L，SS為20.0～55.5 mg/L;出水COD為9.7～19.7 mg/L，NH 4+-N為4.5～7.6 mg/L，TN為12.2～17.5 mg/L，TP為1.2～2.7 mg/L（未投加除磷劑），SS為1.0～5.5 mg/L。出水COD和SS優(yōu)于GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)，NH 4+-N和TN可達(dá)到GB 18918—2002的一級B標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)水量為1.7 m3/d時，停留時間優(yōu)化為11.8 h。

2.8 工程應(yīng)用

在廣東某農(nóng)村污水處理項目中，建設(shè)了活性碳纖維填料一體化污水處理裝置示范工程。該裝置處理規(guī)模為20 m3/d，外形尺寸為3.6 m×2.5 m×2.5 m，包括進(jìn)水區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)、出水區(qū)和設(shè)備間。其中缺氧區(qū)停留時間為4.36 h，好氧區(qū)停留時間為8.06 h。設(shè)備經(jīng)調(diào)試穩(wěn)定運行后，在2019年7—12月，進(jìn)水COD為8～77 mg/L，出水COD為5～27 mg/L;進(jìn)水NH 4+-N為0.5～11.0 mg/L，出水NH 4+-N為0.1～0.5 mg/L;進(jìn)水TN為9～29 mg/L，出水TN為2～15 mg/L;進(jìn)水TP為0.39～8.20 mg/L，出水TP為0.28～3.93 mg/L。由此可見，示范工程的處理效果與工藝試驗吻合，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。但由于進(jìn)水COD較低，當(dāng)進(jìn)水TN較高時需要投加碳源使出水TN達(dá)標(biāo)，同時進(jìn)水TP需要投加除磷劑使出水TP達(dá)標(biāo)。

2.9 不同填料性能比較

采用不同填料的接觸氧化法處理農(nóng)村污水處理效果會有所不同。焦?jié)萚16]用接觸氧化工藝進(jìn)行處理農(nóng)村分散污水中試研究，反應(yīng)器內(nèi)選用價廉質(zhì)優(yōu)的生物膜填料組合，得到COD、NH 4+-N和TN的平均去除率分別為76.10%、68.12%、60.50%。李貴亮等[17]采用球形和懸浮式填料生物接觸氧化法進(jìn)行處理農(nóng)村生活污水研究，得到COD的去除率為88%～90%，NH 4+-N的去除率穩(wěn)定在9005%，TN的去除率達(dá)到76.22%。劉建偉等[18]對用于北京市農(nóng)村污水處理的6種技術(shù)進(jìn)行了評估，其中生物接觸氧化技術(shù)COD 去除率為80%～85%，NH 4+-N去除率為81%～87%。由此可見，采用碳纖維填料的接觸氧化法與其他填料接觸氧化法相比，COD的去除率相當(dāng)，NH 4+-N的去除率優(yōu)于其他填料，TN的去除率基本持平。

3 結(jié)論

以活性碳纖維作為生物膜載體進(jìn)行處理農(nóng)村污水試驗，在進(jìn)水COD、NH 4+-N、TN、TP濃度分別為79.3～107.1、28.0～48.2、32.6～51.6、2.3～3.9 mg/L的條件下，試驗裝置對COD、NH 4+-N、TN和TP的去除率分別為73.7%～89.1%、91.1%～98.2%、42.6%～77.9%和74.5%～86.3%（投加除磷劑），出水COD和NH 4+-N均優(yōu)于GB 18918—2002中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，出水TN和TP可穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002的一級B標(biāo)準(zhǔn)。好氧池出水SS小于5 mg/L，無需設(shè)置沉淀池和污泥回流系統(tǒng)。通過停留時間優(yōu)化試驗，在出水滿足一級B標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)下，停留時間優(yōu)化為11.8 h?；钚蕴祭w維填料一體化污水處理裝置在示范工程中應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。與常規(guī)填料相比，采用活性碳纖維的接觸氧化法NH 4+-N的去除果更好?；钚蕴祭w維適合在農(nóng)村生活污水處理中使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝林花，吳德禮，張亞雷.中國農(nóng)村生活污水處理技術(shù)現(xiàn)狀分析及評價[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2018，34（10）：865-870.

[2] 陳月芳，樊榮，劉哲，等.一體化農(nóng)村生活污水處理裝置研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（9）：84-88.

[3] 張曼雪，鄧玉，倪福全.農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù)，2017，43（6）：5-10.

[4] 張軍臣，胡曉東，石云峰，等.不同填料生物接觸氧化工藝處理有機(jī)廢水對比研究[J].給水排水，2015，41（3）：136-139.

[5] 許芝，費慶志，劉曉旭.不同填料影響生物接觸氧化工藝處理效果的研究[J].凈水技術(shù)，2007，26（5）：55-58.

[6] 李建利，張新元，張元，等.碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)應(yīng)用[J].成都紡織高等專科學(xué)校學(xué)報，2016，33（2）：158-164.

[7] 鄭艷軍，張菁菁，馬紅霞，等.活性碳纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J].高科技纖維與應(yīng)用，2017，42（2）：21-26，45.

[8] 張小玲，王靖楠，施雪旖，等.新型材料碳纖維在水處理應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J].環(huán)境工程學(xué)報，2016，10（4）：1577-1583.

[9] 周東凱.新型纖維掛膜填料污水處理研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2013.

[10] 環(huán)境保護(hù)部.中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn) 水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法：HJ 828—2017[S].北京：中國環(huán)境出版社，2017.

[11] 環(huán)境保護(hù)部.中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn) 水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法：HJ 535—2009[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2010.

[12] 環(huán)境保護(hù)部.中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn) 水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法：HJ 636—2012[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[13] 國家技術(shù)監(jiān)督局.中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn) 水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法：GB 11893—89[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[14] 國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[15] 諶莉莎.活性炭纖維吸附性能及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的處理研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2012.

[16] 焦?jié)?，王惠中，張文波，?接觸氧化工藝處理農(nóng)村分散污水中試研究[J].環(huán)境科技，2011，24（S2）：15-17，20.

[17] 李貴亮，鄂正陽，張贊萍，等.A/O生物接觸氧化處理農(nóng)村生活污水研究[J].能源與環(huán)保，2020，42（8）：50-54.

[18] 劉建偉，趙高輝.基于AHP 的北京市典型農(nóng)村污水處理技術(shù)適用性評估[J].水利水電技術(shù)，2019，50（5）：260-267.