活性炭纖維負(fù)載生物膜處理污水的研究

陳思宇，韋曉群，唐 遠(yuǎn)

（1.中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.廣東出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣東 廣州 510623；3.廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)，廣東 廣州 510375）

活性炭纖維負(fù)載生物膜處理污水的研究

陳思宇1，韋曉群2，唐 遠(yuǎn)3

（1.中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.廣東出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣東 廣州 510623；3.廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)，廣東 廣州 510375）

制備了一類對生物具有高親和性的活性碳纖維材料，初步探討了活性炭纖維對微生物成膜和對污水處理效果.結(jié)果表明，以活性炭纖維為載體的生物膜在處理初始濃度為850 mg／L的有機(jī)污水時，COD去除率可達(dá)到90%以上，出水濃度可低于50 mg／L.與普通有機(jī)纖維相比，以活性炭纖維為載體，負(fù)載的生物膜量較高，其對水中的有機(jī)物的分解能力更強(qiáng).

活性炭纖維；生物膜；廢水處理

自70年代以來，生物膜法廢水處理得到巨大發(fā)展.生物膜法處理廢水是利用微生物固定在載體上并使其降解廢水中的污染物，選擇合適的載體對廢水處理效果非常重要［1－3］.目前所用的生物膜載體材料在物化性能、力學(xué)性能、掛膜速率、處理效果和再生等方面已不能滿足使用要求，主要是生物相容性差，生物膜穩(wěn)定時間長，延長了反應(yīng)器正常運(yùn)行時間；附著強(qiáng)度不高，容易損失具有降解功能微生物的生物量而降低有機(jī)負(fù)荷率.因此研制、開發(fā)優(yōu)質(zhì)生物膜載體材料已成為發(fā)展生物膜法水處理最重要的問題之一.

炭材料與其它材料相比在生物相容性等方面更具優(yōu)越性.生物炭材料是利用炭材料的粗糙外表面或大孔內(nèi)表面可吸附固著微生物，從而將炭材料的吸附作用和微生物的降解作用疊加、協(xié)同起來的一類材料.粒狀活性炭近年來已被應(yīng)用于生物膜載體，而在使用上活性炭存在再生困難、易堵塞和易造成二次污染等弊端.

活性碳纖維（ACF）是有機(jī)纖維經(jīng)高溫碳化活化制備而成的一種多孔性纖維狀吸附材料.活性碳纖維發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，賦予其優(yōu)異的吸附特性，可能成為具有良好生物相容性、可快速固著細(xì)胞、使用性能優(yōu)異的新型載體.

本文報道了以玻璃纖維為基質(zhì)，制備了一類對生物具有高親和性的復(fù)合型活性碳纖維材料，初步探討了活性炭纖維對微生物成膜和對污水處理效果.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 復(fù)合型多孔碳質(zhì)纖維的制備

稱取適量PEG加入40 m L無水乙醇中，攪拌并加熱至60℃約15 min，PEG完全溶解，然后加入適量ZnCl2，不斷攪拌并保持加熱，使氯化鋅全部溶解成澄清溶液，稱取4.5 g酚醛溶解于溶液中，得到呈黃色至棕黃色溶液.將玻璃纖維浸入其中，浸透后取出，在烘箱中進(jìn)行干燥并逐漸升溫至200℃，進(jìn)行預(yù)氧化.預(yù)氧化后的樣品轉(zhuǎn)入炭化爐，在氮?dú)夥諊谢罨?，升溫速?℃／min.活化后樣品用1 mol／L的鹽酸溶液浸泡1 h后，用純凈水沖洗至中性，100℃下干燥至樣品表觀不含水分，得產(chǎn)品活性炭纖維.

1.2 生物反應(yīng)器的設(shè)計

碳纖維負(fù)載生物膜處理污水的反應(yīng)器及流程如圖1所示.污水暫存于集水池中；通過流量計控制其流入反應(yīng)器的速度.往反應(yīng)器中加入負(fù)載生物群落的碳纖維，用其凈化流入反應(yīng)器的污水.利用鼓風(fēng)機(jī)的動力，把空氣泵入反應(yīng)器中，為生物群落利用有機(jī)物提供氧氣.

圖1 碳纖維生物膜反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.3 COD的測定

水中COD值采用微波消解光度法測定［4］.準(zhǔn)確移取待測水樣10 m L于密封增壓微波消化罐中，加入0.2 g硫酸汞，再加入5 m L重鉻酸鉀溶液和10 m L硫酸－硫酸銀溶液，充分混勻，旋緊密封蓋并放入MS－3型微波消解COD測定儀中，消解15 min，迅速取出流水冷卻至室溫，稀釋25倍，在波長350 nm下，以蒸餾水為參比用分光光度法測定過量的重鉻酸鉀，并通過標(biāo)準(zhǔn)工作曲線.

2 結(jié)果與討論

2.1 負(fù)載生物膜碳纖維凈水效果比較

使初始COD為850 mg／L的模擬有機(jī)廢水（成分見表1）連續(xù)通過填充碳纖維生物膜、普通有機(jī)纖維生物膜或活性污泥的生物反應(yīng)器，適當(dāng)曝氣，定期取水樣分析出口COD的濃度，并計算COD的去除率.結(jié)果如圖2和圖3所示.

表1 模擬有機(jī)廢水配方

圖2比較了間歇式運(yùn)行處理有機(jī)污水的效果.從圖2結(jié)果表明，以活性炭纖維為載體負(fù)載生物膜時，對COD的去除速率要高于普通有機(jī)纖維載體.反應(yīng)一開始，COD去除率便迅速上升，100 min后，趨于平衡.相同條件下，普通有機(jī)纖維對COD的凈化速率稍慢一些，對COD的降解約在4 h左右達(dá)到平衡.從圖2可以看到，負(fù)載了生物膜的纖維對污水中的COD有良好的去除效果.兩者對靜止污水COD去除率皆可達(dá)到90%以上，而活性污泥法則難以達(dá)到90%的COD去除率.其中負(fù)載生物膜活性碳纖維在1.5 h時對COD的去除率即可達(dá)到90%.而普通有機(jī)纖維則在4 h才達(dá)到90%以上.

圖3比較了連續(xù)式運(yùn)行處理有機(jī)污水的效果.結(jié)果表明，在初始運(yùn)行的前3天，由于纖維上的生物膜量相對較少，生物群落尚處于優(yōu)化階段，故出口的COD濃度略高，在100 mg／L以上.隨著運(yùn)行時間的延長，纖維上負(fù)載的生物膜量不斷增加，系統(tǒng)生物結(jié)構(gòu)趨于適應(yīng)處理污水的理化特征，出口COD的濃度逐漸降低，最終達(dá)到平衡.

圖2 出水COD去除率隨運(yùn)行時間變化關(guān)系（間歇式）

圖3 出水COD濃度隨運(yùn)行時間變化關(guān)系（連續(xù)式）

在第4天以后的平衡階段，以活性炭纖維為載體時，出口的COD濃度約為50 mg／L左右；而以普通有機(jī)纖維為載體的反應(yīng)系統(tǒng)，出水的COD為100 mg／L左右，約為前者的2倍.顯示以活性炭纖維為載體，由于其負(fù)載的生物膜量較高，生物結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對水中的有機(jī)物的分解能力更強(qiáng)，對水中有機(jī)污染物的凈化效率更高，凈化效果更好.

圖4比較了兩種負(fù)載生物膜的纖維對水中有機(jī)物的COD去除率.結(jié)果顯示，兩者對COD的去除率都較高，平衡時均可達(dá)到80%以上.但以活性炭纖維為載體負(fù)載生物膜對有機(jī)污水COD的去除率更高，可以達(dá)到93%以上.

圖4 出水COD去除率隨運(yùn)行時間變化關(guān)系（連續(xù)式）

2.2 對染料廢水的抗沖擊能力評價

在上述體系穩(wěn)定運(yùn)行一定時間后，往裝置中通入有機(jī)廢水.該廢水初始COD濃度為850 mg／L，此外，還含有100 mg／L結(jié)晶紫染料.對比考察負(fù)載生物膜的活性炭纖維、負(fù)載生物膜的普通有機(jī)纖維和活性污泥對有毒染料和有機(jī)物的去除效果.

圖5的結(jié)果表明，負(fù)載生物膜的活性炭纖維及負(fù)載生物膜的普通有機(jī)纖維對結(jié)晶紫的抗沖擊能力都較好，當(dāng)在生活污水中加入結(jié)晶紫溶液后，運(yùn)行約150分鐘時，兩者都可恢復(fù)到常態(tài)水平，結(jié)晶紫的脫色率都可以達(dá)到90%以上.但活性污泥法抗結(jié)晶紫的沖擊能力表現(xiàn)很差，染料脫色率在較長的時間內(nèi)都只有50%左右.表明負(fù)載生物膜的纖維處理有毒染料廢水的效果優(yōu)于活性污泥.

圖5 抗結(jié)晶紫染料沖擊試驗(yàn)結(jié)果

從圖6可看到，往廢水添加結(jié)晶紫后，負(fù)載生物膜纖維和活性污泥對廢水的COD的去除情況受到不同程度的影響.在200 min后，纖維生物膜系統(tǒng)逐步恢復(fù)了對廢水COD的去除率（90%）；而活性污泥在700 min左右對廢水COD的去除率才達(dá)到75%，直到1800 min還無法恢復(fù)，并且有下降趨勢.可見，纖維上負(fù)載的生物群落不但對結(jié)晶紫毒性的抵抗能力比活性污泥的要好；而且纖維上負(fù)載的生物群落恢復(fù)能力也比活性污泥的要強(qiáng).這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明纖維生物膜系統(tǒng)對污水水質(zhì)變化的沖擊有很好的適應(yīng)能力.

圖6 含結(jié)晶紫染料廢水的COD去除率比較

3 結(jié) 論

以活性炭纖維為載體負(fù)載生物膜用于污水的處理，由于活性碳纖維材料對生物具有高親和性的，負(fù)載的生物膜量較高，其對水中的有機(jī)物的分解能力更強(qiáng)，對污水的處理效果更好，抗沖擊能力更強(qiáng).以活性炭纖維為載體的生物膜在處理初始濃度為850 mg／L的有機(jī)污水時，COD去除率可達(dá)到90%以上，出水濃度可低于50 mg／L.

［1］范福洲，康勇，孔琦，等.廢水處理用生物膜載體研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2005，24（12）：1331－1335.

［2］楊爽，閻冬，侯紹剛.對生物膜載體相關(guān)問題的探討［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2007，32（9）：118－121，128.

［3］吳江渤，馮瑞玉，劉玉峰.移動式接觸氧化工藝在廢（污）水中的應(yīng)用［J］.環(huán)境工程，2005，23（6）：25－27.

［4］國家環(huán)境保護(hù)總局編.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.第四版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

Study on the wastewater treatment by biofilm method using activated carbon fiber as support

CHEN Si－yu1，WEI Xiao－qun2，TANG Yuan3
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Sun Yat－sen University，Guanzhou 510275，China；2.Guangdong Entry－exit Inspection and Quarantine Bureau，Guangzhou 510623，China；3.Guangdong Experimental High School，Guangzhou 510375，China）

A kind of activated carbon fiber with high bio－affinity was prepared，and was used as support of biofilm in the treatment of organic wastewater.The experimental results showed that the biofilm method using activated carbon fiber as support had high efficiency in the treatment of organic wastewater，90%COD removal efficiency could be achieved for wastewater with initial COD concentration of 850mg／L.The effluent COD was as low as 50mg／L after treatment with this technique.Compared with organic fiber support，activated carbon fiber could support more amounts of micro－organism，thus could degrade more amounts of organic pollutants.

activated carbon fiber；biofilm；wastewater treatment

X703.1

A

1673－9981（2010）04－0410－04

2010－11－02

陳思宇（1991—），女，廣東人，在讀本科生.