“二级厌氧—微氧—好氧”组合工艺处理模拟碳纤维生产废水

赵雪娜

（蓝星（北京）化工机械有限公司，北京 100176）

“二级厌氧—微氧—好氧”组合工艺处理模拟碳纤维生产废水

赵雪娜

（蓝星（北京）化工机械有限公司，北京 100176）

对模拟碳纤维生产废水进行“厌氧—好氧”静态小试，根据COD的去除效果确定该碳纤维废水的可生化性。采用“二级厌氧—微氧—好氧”组合工艺进行动态中试，考察废水的处理效果及系统的抗冲击性能。试验结果表明：该工艺对碳纤维生产废水的处理效果较好；系统具有厌氧池出水pH增大的特点，且抗冲击能力较强；在厌氧池水温为28～38 ℃、好氧池水温不低于15 ℃、废水流量为100 L/h、进水COD为660 mg/L、进水ρ（氨氮）为4.9 mg/L的条件下，出水COD稳定在50 mg/L以下，ρ（氨氮）稳定在5 mg/L以下，能够满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》的要求。

碳纤维生产废水；厌氧生物处理；微氧生物处理；好氧生物处理；抗冲击性能

聚丙烯腈基碳纤维以其优异的力学性能，在现代科学和现代工业中发挥着重要作用，广泛应用于航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域［1-2］。该碳纤维生产废水主要含有甲酸、丙烯腈、二甲基亚砜（DMSO）、表面活性剂等污染物质。一般观点认为该废水具有毒性高、难生化的特点，传统工艺难以实现达标排放［3-6］。

本工作针对模拟碳纤维生产废水，首先通过静态小试考查COD的去除效果，进而提出“二级厌氧—微氧—好氧”生化组合工艺，通过小试及中试考察了处理可行性和运行稳定性，为实际工程应用提供技术支持。

1 试验部分

1.1 废水水质

依据实际碳纤维生产废水组成（数据由厂家提供，见表1）配制模拟碳纤维生产废水，模拟废水的水质：COD约660 mg/L，pH约3.5，ρ（氨氮）4.9 mg/L。

1.2 试验方法

1.2.1 静态小试

采用“厌氧—好氧”工艺进行静态小试，厌氧单元由1 L具塞锥形瓶、排气管、恒温磁力搅拌器等组成，好氧单元由1 L锥形瓶和曝气装置等组成。小试工艺参数见表2。首先以逐渐增加废水浓度的方式对厌氧污泥进行驯化并收集厌氧出水，驯化初期（第1～5驯化阶段）利用尿素作为外部氮源，并加入葡萄糖、磷酸盐等物质，保持n（C）∶n（N）∶ n（P）=200∶5∶1，后期不加外部氮源。好氧污泥利用储存的厌氧出水进行9个处理批次的驯化培养。污泥驯化结束后进行厌氧—好氧全流程运行，每次运行时间为1个处理批次。

表1 实际碳纤维生产废水组成 ρ，mg/L

表2 小试工艺参数

1.2.2 动态中试

动态中试的处理规模为100 L/h，中试流程示意见图1，各中试工艺单元的有效容积见表3，其中各单元流离球生物填料的填充体积比均为80%左右。厌氧池水温保持在28～38 ℃、好氧池水温不低于15 ℃。

图1 中试流程示意

表3 各中试工艺单元的有效容积

污泥培养过程：在系统启动初期采用好氧启动的方式对4个生化池中的污泥进行驯化培养，向反应器中投加接种污泥，进行闷曝，控制DO≤4 mg/L，并适当加入葡萄糖、氮、磷等营养物质；闷曝后，开始用工业废水逐步提高负荷，当厌氧池内生物膜生长较好时，停止厌氧池曝气，开始正常运行。

系统运行及冲击试验：设备开始连续运行后，取样测定进水及各反应池出水的COD、ρ（氨氮）和pH；系统开始满负荷运行后连续监测10 d，系统运行稳定后逐步提高进水负荷，考察系统的抗冲击能力，进水COD由660 mg/L逐步提高到2 200 mg/L。

1.3 分析方法

COD的测定采用重铬酸钾法［7］。pH 的测定采用雷磁PHB-4型数字式酸度计（上海仪电科学仪器股份有限公司）。ρ（氨氮）的测定采用AC2012型氨氮测量仪（美国奥立龙公司）。DO的测定采用雷磁JPB-607A型便携式溶解氧测定仪（上海仪电科学仪器股份有限公司）。

2 结果与讨论

2.1 静态小试

要开发这样一个系统，在20世纪50年代中期仍处于起步阶段的磁带录音技术必须取得进步才行。在与兰德公司合作期间，安派克斯公司推出了世界上第一台在商业上大获成功的磁带录像机。虽然它的功能还没有强大到从太空捕捉苏联的活动，体积也没有小到能够放入卫星，但它永远改变了“晚间新闻”，开启了录像带的新纪元。

2.1.1 厌氧污泥的驯化

静态小试厌氧污泥的驯化结果见表4所示，数据以各驯化阶段均值计。厌氧污泥经过40个处理批次（7个驯化阶段）的驯化培养，能够完全以模拟废水作为营养源，出水稳定，污泥沉降性好；在第7驯化阶段，进水COD为583 mg/L左右时，出水COD约为404 mg/L，COD去除率约为30.70%。

表4 静态小试厌氧污泥的驯化结果

2.1.2 系统运行及抗冲击试验结果

从第50个处理批次开始进行厌氧—好氧全流程运行，并在后期提高配水浓度至分别为实际废水的1.2倍、1.5倍、1.8倍，即COD分别达到674，884，969 mg/L，以考察系统的抗冲击性能。小试后期COD的变化见图2。由图2可见：当进水COD为562 mg/L（即实际废水COD全负荷运行）时，厌氧出水COD为384 mg/L左右，厌氧COD去除量为178 mg/L左右，运行稳定；当进水COD为674 mg/L（即1.2倍实际废水COD时），厌氧COD去除量为220 mg/L左右；当进水COD为884 mg/L（即1.5倍实际废水COD时），运行初期的厌氧出水COD为640 mg/L左右，厌氧COD去除量为210 mg/L左右，但当停留时间由24 h延长到48 h时（第66个和第67个处理批次），厌氧出水COD为480 mg/L左右，厌氧出水COD去除量高达400 mg/L；当进水COD为969 mg/L（即1.8倍实际废水COD时），厌氧出水COD仍保持较高的去除量，这表明，随着系统进水COD的提高，厌氧容积负荷提高，系统抗冲击性较好，适当增加厌氧时间能够改善COD的去除效果。此外，由图2还可见，整个运行过程中好氧出水COD为25～53 mg/L，说明该废水的生化性较好。

图2 小试后期COD的变化

2.2 动态中试

2.2.1 COD的去除

由于中试规模较大，从第41天开始，系统进入全负荷运行。为了进一步考察系统的抗冲击性能，第46～54天内，进水COD从660 mg/L提高到1 500 mg/L，第55天开始投加质量浓度为145 mg/L（500倍设计浓度）的某表面活性剂（废水公司提供），总COD达到2 200 mg/L左右。中试后期的COD变化见图3。由图3可见：在系统COD不断提高的情况下，生化池能有效降解COD；2级厌氧池出水COD均稳定在200 mg/L以下；好氧池出水COD均稳定在50 mg/L以下。这表明，该碳纤维生产废水处理系统具有较强的抗冲击能力。

图3 中试后期的COD变化

在中试运行的第41～62天，系统进水ρ（氨氮）随COD负荷的提高从5.6 mg/L提高到8.4 mg/L。中试后期的ρ（氨氮）变化见图4。由图4可见，48天后好氧池出水的氨氮均稳定在5 mg/L以下，说明系统具有较好的降解有机氮和除氨氮的能力。废水中丙烯腈是有机氮化合物，碳酸氢铵贡献氨氮。分析认为，运行初期1级厌氧池氨氮升高，主要是由于丙烯腈被厌氧降解，释放氨氮。从第48天开始将好氧池的混合液以300%的回流比回流到2级厌氧池中，各生化池氨氮浓度下降明显。这是由于好氧池中的硝化细菌将氨氮氧化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，然后硝酸盐氮和亚硝酸盐氮通过回流至微氧环境，在反硝化细菌的作用下充分降解。另外，实验中观察到厌氧池出现大量气泡，分析认为产生了甲烷和二

氧化碳气体，厌氧氨氧化细菌能够利用二氧化碳作为碳源将部分氨氮完全降解。

图4 中试后期的ρ（氨氮）变化

2.2.3 厌氧单元pH的变化

在小试实验中已观察到厌氧过程pH升高的现象，因此，将中试进水pH调至6左右，观察厌氧池出水pH的变化。中试后期的pH变化见图5。由图5可见，厌氧池出水pH稳定在8.2～8.5。分析认为，厌氧池出水pH的升高与碳纤维废水的成分有关，该废水含有的主要有机物是丙烯腈和甲酸，丙烯腈作为有机氮化合物被厌氧降解后会产生氨氮等碱性小分子，导致pH增大，甲酸的分解也会使pH增大。

图5 中试后期的pH变化

2.2.4 小结

在厌氧池水温为28～38 ℃、好氧池水温不低于15 ℃、废水流量为100 L/h、进水COD为660 mg/L、进水ρ（氨氮）为4.9 mg/L的条件下，该模拟碳纤维生产废水出水COD稳定在50 mg/L以下，ρ（氨氮）稳定在5 mg/L以下，达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》［8］的要求。

3 结论

a）采用“厌氧—好氧”小试组合工艺处理模拟碳纤维生产废水。试验结果表明，该废水具有较好的可生化性和一定的抗冲击能力。

b）采用“二级厌氧—微氧—好氧”中试组合工艺处理模拟碳纤维生产废水。试验结果表明，在厌氧池水温为28～38 ℃、好氧池水温不低于15 ℃、废水流量为100 L/h、进水COD为660 mg/L、进水ρ（氨氮）为4.9 mg/L的条件下，该模拟碳纤维生产废水出水COD稳定在 50 mg/L以下，ρ（氨氮）稳定在5 mg/L以下，达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》的要求。进水COD为660～2 000 mg/L时，系统运行仍较稳定，系统生物培养驯化较好，能有效地降解污染物，且抗冲击能力较强。

c）本研究中试进水pH为6左右，考虑到碳纤维生产废水具有厌氧出水pH升高的特点，实际工程中建议将废水pH由3.5调至5.8左右进入生化系统。

d）本研究中试停留时间只作为工程放大设计的参考。工程中因调试时间较长，污泥负荷可进一步提高，所以建议在工程放大设计中可考虑适当降低各处理单元的停留时间。

［1］刘国昌，徐淑琼.聚丙烯腈基碳纤维及其应用［J］.机械制造与自动化，2004，33（4）：41-43.

［2］卢春华，宋丕双，孟庆辉.国内外聚丙烯腈基碳纤维生产现状及市场分析［J］.弹性体，2012（2）： 89 -94.

［3］崔鹏.PAN基碳纤维生产废水处理研究［J］.河北化工，2009，32（6）：66-68.

［4］任婷，李存生.二氧化钛光催化氧化在碳纤维生产废水处理中的应用［J］.新材料产业，2013（11）：53 -56.

［5］潘亮.碳纤维生产废水的预处理工艺试验研究［D］.兰州：兰州交通大学，2012.

［6］陆朝阳，胡学文，陈安明.碳纤维生产废水DMSO的膜分离浓缩研究［J］.化学与生物工程，2013（5）：82-84.

［7］原国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，2002：211-213.

［8］原国家环境保护局.GB 8978—1996 污水综合排放标准［S］.北京：中国标准出版社，1998.

（编辑 叶晶菁）

Treatment of simulated carbon fiber production wastewater by
combined two-stage anaerobic，microaerobic and aerobic biological process

Zhao Xuena
（Bluestar（Beijing）Chemical Machinery Co.Ltd.，Beijing 100176，China）

The simulated carbon fi ber production wastewater was fi rst treated by static lab test of anaerobic-aerobic biological treatment，and the biodegradability of the wastewater was determined according to COD removal effect.Then，the dynamic pilot test of combined two-stage anaerobic，microaerobic and aerobic biological process was carried out，by which the treatment effects and the impact resistance of the system were examined.The results show that：This process has good treatment effect on the carbon fi ber production wastewater；The system has the characters of increased anaerobic effl uent pH and strong impact resistance；Under the conditions of water temperature of anaerobic tank 28-38 ℃，water temperature of aerobic tank above 15 ℃，wastewater fl ow 100 L/h，infl uent COD 660 mg/L and influent ρ（ammonia）4.9 mg/L，the effluent COD and ρ（ammonia）are stabilized at below 50 mg/L and 5 mg/L respectively，which meet the national discharge standard of GB 8978-1996.

carbon fiber production wastewater；anaerobic biological treatment；microaerobic biological treatment；aerobic biological treatment；impact resistance

X783.4

A

1006-1878（2016）02-0189-04

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.02.013

2015-10-08；

2015-10-22。

赵雪娜（1978—），女，吉林省松原市人，博士，工程师。电话 010-58082051，电邮 zhaoxuena2002@163.com。