关键词 农村生活污水;活性碳纤维;A/ O 工艺;生物膜

                        随着我国农村经济的发展和生活水平的提高,农村生活 污水对环境的影响也越来越大。 农村生活污水不仅影响整 个农村的生态环境,同时还制约农村经济的发展[1] ,农村污 水治理成为一项非常重要的工作。 在农村污水处理技术中, 应用较广泛的一体化生活污水处理装置大多采用接触氧化 法[2-3] 。 而作为微生物载体的填料是接触氧化法的核心,其 对污水处理装置的处理效果具有重要影响[4-5] 。 填料对处理 效果的影响与填料的机械强度、比表面积和生化稳定性等都 有一定的关系[4] 。 碳纤维是一种含碳量超过 90%的新型纤 维材料,于 1959 年首先由美国研发出来。 碳纤维具有力学 性能好、耐高温(能在 2 000 ℃ 的环境下使用)、抗化学腐蚀 等优点[6] 。 活性碳纤维是经过高温活化的含碳纤维,表面可 产生纳米级的孔径,其比表面积可达到 1 000~3 000 m2 / g,远 高于弹性立体填料(0. 03 m2 / g)、生物绳填料(0. 05 m2 / g)和 活性炭(800~ 1 000 m2 / g)。 活性碳纤维在水处理中主要用 于饮用水净化、工业用水处理、工业废水处理、富营养化水体 和微污染原水的处理[7-8] ,其原理主要是利用活性碳纤维高 强的吸附性能直接吸附污染物质使水得到净化,或利用活性 碳纤维作为生物膜载体降解微污染水中污染物质。 碳纤维 具有吸附大量微生物的功能,附着生物膜增长速度快,同时 可以快速捕捉浮游悬浊物,形成良好的生物链。 周东凯[9]用 活性碳纤维进行了模拟生活污水处理试验,试验采用好氧接 触氧化工艺,结果表明活性碳纤维挂膜性能优良,并考察了 不同参数对 COD、NH4 + -N、TN 处理效果的影响。 笔者将改性的活性碳纤维材料作为微生物载体,采用 A/ O 工艺处理 农村生活污水,通过试验研究其处理效果,并在某农村污水 处理工程中进行应用,为农村污水处理技术发展提供新的 借鉴。 

                       1 材料与方法

                        1. 1 试验装置
                       试验装置处理规模为 1 m3 / d,采用 A/ O 工 艺原理,出水以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级 B 标准为目标。 原水由进水泵提升进 入主处理装置,依次经过进水区、缺氧区、好氧区和出水区, 出水溢流排出。 好氧区出水一部分回流至缺氧区,在缺氧区 中通过反硝化作用去除总氮。 在缺氧区和好氧区内悬挂活 性碳纤维作为生物膜载体,未设置污泥回流系统。 除磷采用 同步化学除磷的方式。 试验装置如图 1 所示。

                       主处理装置尺寸为长 2. 00 m、宽 0. 66 m、高 1. 10 m,有 效水深 0. 95 m。 其中,缺氧区和好氧区容积均为 0. 5 m3 。 缺 氧区预留了隔断装置,可调整缺氧区容积大小。 在缺氧区和 好氧区内分别悬挂 23 束和 22 束改性活性碳纤维。 改性活性碳纤维相比普通活性碳纤维具有更高的亲水性和挂膜效 果,其比表面积为 1 200~2 000 m2 / g。 每束碳纤维呈“丰”字 型,悬挂高度为 0. 75 m,单丝长为 0. 22 m,有效碳纤维丝长度 为 9. 6 m。 生物池内碳纤维平均装填密度为 435. 6 m/ m3 。 在好氧区底部设置微孔曝气管 2 根,采用供气泵供氧,供气 量为 2. 4 L/ min。 设内回流泵 1 台,将一部分好氧区出水回 流至缺氧区入口,回流比为 1 ∶1~2 ∶1。

                       1. 2 试验用水水质 

                       试验用水取自某生活污水处理厂细格 栅前进水,其 COD 为 79. 3 ~ 107. 1 mg / L,NH4 + -N 为 28. 0 ~ 48. 2 mg / L,TN 为 32. 6~51. 6 mg / L,TP 为 2. 3~3. 9 mg / L,SS 为 24. 0~70. 5 mg / L。 所有水质指标均采用国家标准方法进 行测定。

                           1. 3 启动过程
                            试验时间为 2019 年 5—12 月。 首先在主处 理装置中充满污水,在缺氧区和好氧区各投加 0. 5 kg 接种污 泥(以干物质计),然后开启曝气装置,使污泥与活性碳纤维 填料充分接触(缺氧池内放置粗孔曝气管搅拌)。 为防止气 流对碳纤维丝的扰动影响生物附着,启动曝气量开启较小。 闷曝 48 h 后,待缺氧区和好氧区活性碳纤维丝均已挂膜后开 始连续进水。 好氧区溶解氧保持在 2~4 mg / L 运行。 初始进 水量为 0. 25 m3 / d,出水回流比为 1 ∶1。 当出水水质指标稳定 后逐步提升进水量,进水量依次为 0. 50、0. 75、1. 00 m3 / d。 当进水量提升到 0. 50 m3 / d 且出水氨氮稳定达标后,出水回 流比调整为 2 ∶1;当进水量达到 1. 00 m3 / d 且出水水质稳定 后开始连续记录运行数据,数据记录时间为 23 d。

                            2 结果与分析 

                            2. 1 COD 去除效果 

                          从试验期间 COD 的进出水水质和去 除率(图 2)可以看出,活性碳纤维试验装置的出水 COD 浓度 在 9. 7~23. 9 mg / L,对 COD 的去除率为 73. 7% ~ 89. 1%。 试 验装置对 COD 具有较高的去除效果,并且随着运行时间的 增加,COD 的去除率逐渐增加,这说明活性碳纤维上生物膜 量充足、活性好、降解有机物性能优。 活性碳纤维极强的吸 附能力、巨大的比表面积和良好的生物亲和力为生物膜的良 好生长提供了有利条件。 虽然进水 COD 波动较大,但出水 COD 比较稳定,出水 COD 浓度稳定优于《城镇污水处理厂污 染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级 A 标准,说明该工 艺的抗冲击负荷能力较强。

                       2. 2 NH4 + -N 去除效果 

                       从试验期间 NH4 + -N 的进出水水 质和去除率(图 3)可以看出,活性碳纤维试验装置的出水 NH4 + -N 浓度在 0. 6 ~ 3. 2 mg / L,对 NH4 + -N 的去除率为 91. 1% ~98. 2%。 试验装置对 NH4 + -N 表现出很高的去除效 果,去除率均在 90%以上,出水 NH4 + -N 浓度稳定优于 GB 18918—2002 的一级 A 标准。 污水中 NH4 + -N 的去除主要依 靠硝化细菌的硝化作用,试验装置对 NH4 + -N 的高去除率说 明硝化细菌在活性碳纤维上挂膜性能优异。 有研究表明,活 性碳纤维依靠吸附作用对 NH4 + -N 也有一定的去除作用,这 可能也是该工艺 NH+4 -N 去除率高的原因之一。

                        2. 3 TN 去除效果

                        从试验期间 TN 的进出水水质和去除 率(图 4)可以看出,活性碳纤维试验装置的出水 TN 浓度在 7. 7~18. 7 mg / L,对 TN 的去除率为 42. 6% ~ 77. 9%。 TN 的 去除率相对不高且变化范围较大,主要是受进水 COD 较低 的影响。 但在进水碳氮比较低且未投加外部碳源的情况下, 出水 TN 浓度能稳定达到 GB 18918—2002 的一级 B 标准。 分析原因主要有:一是缺氧区反硝化细菌在活性碳纤维上生 长良好;二是由于缺氧区水力停留时间较长,原水中碳源能 够得到充分利用。

                       2. 4 TP 去除效果 

                      从试验期间 TP 的进出水水质和去除率 (图 5)可以看出,在前 17 d 未向试验装置中投加除磷剂,出 水 TP 浓度在 1. 4 ~ 2. 5 mg / L,对 TP 的去除率为 10. 7% ~ 47. 2%;TP 去除率较低,无法达到 GB 18918—2002 的一级 B 标准。 这主要是由于试验装置没有污泥回流系统,无法依靠聚磷菌在厌氧状态下释磷和好氧状态下吸磷的方式除磷,在 未投加除磷剂的情况下,主要依靠生物同化作用和活性碳纤 维的吸附作用去除一部分磷。 从第 18 天开始采用同步除磷 的方式投加除磷剂三氯化铁,TP 的去除率提高至 74. 5% ~ 86. 3%,出水 TP 浓度为 0. 39~ 0. 76 mg / L,可以稳定达到 GB 18918—2002 的一级 B 标准。 试验期间,未观察到投加三氯 化铁对生物处理造成的不良影响。

                    2. 5 出水 SS

                    正常情况下活性碳纤维试验装置好氧池出 水的 SS 浓度保持在 5 mg / L 以下,显著优于 GB 18918—2002 的一级 A 标准。 这是由于活性碳纤维具有优异的吸附性能, 可对进水中的悬浮物进行截留吸附和微生物降解。 

                       2. 6 生物挂膜量

                        填料表面附着的生物膜量对评价该填料 处理污水的性能具有一定的意义。 活性碳纤维试验装置运 行结束后,取好氧池和缺氧池内活性碳纤维丝各 1 根,采用 烘干称重法测得缺氧池内活性碳纤维丝挂膜量为 3. 43 g / m, 好氧池内活性碳纤维丝挂膜量为 5. 29 g / m。 再通过填料装 填密度计算得到单位池容的生物浓度,其中,缺氧池的生物 浓度为 1 533 mg / L,好氧池的生物浓度为 2 243 mg / L。 此次 试验生物挂膜量与常规工艺活性污泥浓度相比较少,主要与 进水水质浓度较低有关。

                       2. 7 停留时间优化 

                        试验装置在处理水量为 1. 0 m3 / d 的情 况下,生物池停留时间为 24 h。 为了推进活性碳纤维生物处 理工艺在实际工程中的应用,降低实际工程应用投资,进行 了停留时间优化试验。 在缺氧区增加了隔板,使其容积缩小 至 0. 335 m3 ,增 加 生 物 池 活 性 碳 纤 维 填 料 装 填 密 度 至 652. 1 m/ m3 ,然 后 逐 渐 提 升 进 水 量, 每 次 增 加 进 水 量 0. 1 m3 / d,并稳定运行 3~ 4 d,最终进水量提升至 1. 7 m3 / d。 提升水量期间进水 COD 为 54. 6 ~ 106. 3 mg / L,NH4 + -N 为 14. 8 ~ 29. 8 mg / L, TN 为 20. 3 ~ 32. 1 mg / L, TP 为 2. 6 ~ 4. 6 mg / L,SS 为 20. 0 ~ 55. 5 mg / L; 出 水 COD 为 9. 7 ~ 19. 7 mg / L,NH4 + -N 为 4. 5~7. 6 mg / L,TN 为 12. 2~17. 5 mg / L, TP 为 1. 2~2. 7 mg / L(未投加除磷剂),SS 为 1. 0~ 5. 5 mg / L。 出水 COD 和 SS 优于 GB 18918—2002 的一级 A 标准,NH4 + -N 和 TN 可达到 GB 18918—2002 的一级 B 标准。 在进水量为 1. 7 m3 / d 时,停留时间优化为 11. 8 h。

                      2. 8 工程应用 

                       在广东某农村污水处理项目中,建设了活 性碳纤维填料一体化污水处理装置示范工程。 该装置处理规模为 20 m3 / d,外形尺寸为 3. 6 m×2. 5 m×2. 5 m,包括进水 区、缺氧区、好氧区、出水区和设备间。 其中缺氧区停留时间 为 4. 36 h,好氧区停留时间为 8. 06 h。 设备经调试稳定运行 后,在 2019 年 7—12 月,进水 COD 为 8~ 77 mg / L,出水 COD 为 5 ~ 27 mg / L;进 水 NH4 + - N 为 0. 5 ~ 11. 0 mg / L,出 水 NH4 + -N 为 0. 1~0. 5 mg / L;进水 TN 为 9~29 mg / L,出水 TN 为 2 ~ 15 mg / L;进水 TP 为 0. 39 ~ 8. 20 mg / L,出水 TP 为 0. 28~3. 93 mg / L。 由此可见,示范工程的处理效果与工艺试 验吻合,达到了预期目标。 但由于进水 COD 较低,当进水 TN 较高时需要投加碳源使出水 TN 达标,同时进水 TP 需要 投加除磷剂使出水 TP 达标。

                        2. 9 不同填料性能比较 

                        采用不同填料的接触氧化法处理 农村污水处理效果会有所不同。 焦涛等[16] 用接触氧化工艺 进行处理农村分散污水中试研究,反应器内选用价廉质优的 生物膜填料组合,得到 COD、NH4 + -N 和 TN 的平均去除率分 别为 76. 10%、68. 12%、60. 50%。 李贵亮等[17] 采用球形和悬 浮式填料生物接触氧化法进行处理农村生活污水研究,得到 COD 的去除率为 88% ~ 90%,NH4 + - N 的去除率稳定在 90. 05%,TN 的去除率达到 76. 22%。 刘建伟等[18] 对用于北 京市农村污水处理的 6 种技术进行了评估,其中生物接触氧 化技术 COD 去除率为 80% ~ 85%,NH4 + -N 去除率为 81% ~ 87%。 由此可见,采用碳纤维填料的接触氧化法与其他填料 接触氧化法相比,COD 的去除率相当,NH4 + -N 的去除率优 于其他填料,TN 的去除率基本持平。 

                       3 结论

                       以活性碳纤维作为生物膜载体进行处理农村污水试验, 在进水 COD、NH4 + -N、TN、TP 浓度分别为 79. 3 ~ 107. 1、 28. 0~48. 2、32. 6~51. 6、2. 3 ~ 3. 9 mg / L 的条件下,试验装置 对 COD、NH4 + -N、TN 和 TP 的去除率分别为 73. 7% ~89. 1%、 91. 1% ~98. 2%、42. 6% ~77. 9%和 74. 5% ~ 86. 3%(投加除磷 剂),出水 COD 和 NH4 + -N 均优于 GB 18918—2002 中的一级 A 标准,出水 TN 和 TP 可稳定达到 GB 18918—2002 的一级 B 标准。 好氧池出水 SS 小于 5 mg / L,无需设置沉淀池和污 泥回流系统。 通过停留时间优化试验,在出水满足一级 B 标 准的目标下,停留时间优化为 11. 8 h。 活性碳纤维填料一体 化污水处理装置在示范工程中应用达到了预期目标。 与常 规填料相比,采用活性碳纤维的接触氧化法 NH4 + -N 的去除 果更好。 活性碳纤维适合在农村生活污水处理中使用。

                      原标题：活性碳纤维在农村生活污水处理中的应用

                      原作者：张国照,药宝宝