碳纤维对污水处理试验研究

王丹

摘 要：为了获得碳纤维去除污水中氮磷的效果，本文通过室内试验，以工业污水为试验对象，对碳纤维处理污水进行了室内试验研究，试验结果表明：碳纤维能明显地减少污水中氮磷的含量，且随着时间越长，污水中氨氮和总磷的浓度降低越多，降低速率逐渐变小且趋于稳定。污水中氨氮和总磷的浓度达到稳定后其氮的去除率达到75%，磷的去除率达到69.81%。

关键词：污水处理 碳纤维 氮 磷

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（c）-0118-02

随着科技和经济的发展，大量的工业污水排放成了不可忽视的环境问题。如何解决污水低污染排放是当前刻不容缓的问题。碳纤维是一种新型材料，具有表面积大、微孔丰富、吸附能力强的特点，能够有效去除污水废水的气味、颜色、油脂等物质，降解难以降解的物质。如孟洁[1]等采用活性碳纤维对石化废水进行处理，试验表明碳纤维作为吸附剂及生物膜载体处理废水效率高，具有占地小、能耗小、污泥减量化、能够反复多次使用，运行成本较传统工艺低等优点，是一种良好的石化废水处理填料。杜娟娟[2]分别用生态碳纤维、软性填料、组合填料对污水进行处理，试验表明碳纤维的污水处理性能优于其他两种材料，且对氨氮和总磷的去除率达到73.8%和56.4%，焦卫东[3]利用碳纤维复合材料处理废水，其处理效果较好，处理后水质能达到国家规范的冲厕水质要求。井塚淑夫[4]等研究发现碳纤维材料利用其生物亲和性和导电性能及净化水质。周小颖[5]等进行了碳素纤维去除富营养化水体氮磷的动力学研究，研究发现碳素纤维具有良好的微生物附着特性，挂膜启动快，附着生物量大且生物膜较薄，更有利于生物膜的传质。杨林燕[9]等利用碳纤维湿地式浮床对微污染水体的净化进行了研究，研究发现碳纤维湿地式浮床对微污染水体中的浊度、COD、NH4+-N以及TP的平均去除率分别达到96.47%、83.76%、90.48%及81.58%，去除效果显著，从而得到碳纤维湿地式浮床对微污染水体的净化效果显著，比较适合用来处理微污染水体。

本文在已有的研究成果上，以工业污水为对象，用不同量的碳纤维处理污水分析污水中氮磷含量的变化及有关规律，为污水处理提供一定的参考意见。

1 试验简介

1.1 试验材料

本试验的水样取自湖南省某城市工业污水，其氮磷富含量高，并选取碳纤维作为污水处理性能试验的主要材料，碳纤维材料的主要参数见表1，污水氮磷含量见表2。

1.2 试验方案

本试验主要是通过在污水中加入不同量碳纤维材料，测试污水前后氮磷的含量，以此来判断碳纤维处理污水的效果。其具体实验步骤如下。

（1）材料和仪器的准备：准备污水40mL，碳纤维20g，盛水容器（容积60L），惰性固体物块，注射器。试验数据分析采用origin8.0。

（2）取40mL污水分成2等份，每等份20mL，并将其分别注入60L的容器中，编号依次为#1、#25。

（3）取20g碳纤维将其用细绳系在惰性固体物块上，然后放入#2中。

（4）在不等时间区间内分别用注射器抽取2个容器内水面下10cm处水样，并采用纳式试剂比色法和钼酸铵分光光度法分别测定出2个容器中氮磷含量。其时间区间分为1、2、4、6、9、13、17、22、28、35d，并在相应时间区间点的早晨10整采样。其中#1为原污水对照组，测试量取其平均值。#2为试验组，测试量取其平均值。

2 试验结果与分析

由试验结果得到碳纤维处理污水后的氮磷浓度随时间变化的浓度值，见表1。为定量分析碳纤维处理污水后的氮磷浓度变化规律，分别绘制出天数与氮磷去除率的曲線图，见图1和图2。

由图1可知碳纤维去除污水中氨氮含量的效果较显著，污水中氨氮去除率在6d前呈直线增长，6d后增长速率稍有降低，直到28d后其去除率趋于稳定。经碳纤维处理污水后，氮从初始浓度8.36mg/L降到2.09mg/L，去除率达到75%；由图1可知未加碳纤维污水对照组的氨氮浓度略有下降，这是由于污水中含有大量微生物，微生物对氨氮具有一定的吸收和形态转化作用，且水样本身具有自净功能。

图2可知污水中总磷浓度降低率均呈现先增大后趋于稳定状态，污水中总磷去除率在17d前趋于直线增长，17d后增长速率逐渐趋于稳定。经碳纤维处理污水后，总磷从初始浓度0.53mg/L降到0.16mg/L，去除率达到69.81%。由图2也可知未加碳纤维污水对照组的总磷浓度略有下降，这是由于污水中含有的大量微生物对总磷具有一定的吸收和形态转化作用。

综上结果可知，碳纤维能显著地降低污水中氮磷浓度，其主要原因在于碳纤维自身的比表面积大，大量微孔结构分布在其表面上，污水中的氮磷通过吸附作用被除去，并且碳纤维含有多种生物亲和性的有机官能团，大量微生物附着在碳纤维表面上，增强了自身脱氮除磷效果，从而增加去除率。在碳纤维处理污水初期，污水中的有机物吸附在碳纤维表面上并快速填充孔隙，故氮磷去除率的效果最为明显，随着时间的推移，碳纤维内部孔隙逐渐被有机物填充，最终趋于饱和，有机物进入碳纤维内部孔隙的机会越来越小，故碳纤维吸附有机物的能力逐渐变低，去除污水中氮磷的能力越低。

3 结语

选取碳纤维材料，通过室内试验，对污水氮磷含量的处理，发现碳纤维去除氮磷效果显著，且随着时间越长，污水中氨氮和总磷的浓度降低越多，降低速率逐渐变小且趋于稳定。污水中氨氮和总磷的浓度达到稳定后其氮的去除率达到75%，磷的去除率达到69.81%，能显著改善水体的水质和生态功能，是一种较经济的除污水杂质的纤维材料。

参考文献

[1] 孟洁，李兰，陈攀.活性碳纤维在石化废水处理中的应用研究[J].中国农村水利水电，2015（5）：81-84，90.

[2] 杜娟娟.不同纤维材料对污水中氮磷的去除效果研究[J].水电能源科学，2018，36（9）：86-88.

[3] 焦卫东.碳纤维复合材料制品生产废水处理及回用[J].中国给水排水，2011，27（14）：84-86.

[4] 井塚淑夫，小岛昭，刘辅庭.碳纤维在工业和水质净化方面的应用[J].合成纤维，2013，42（2）：43-47.

[5] 周小颖，黄力群，郭子军，等.碳素纤维去除富营养化水体氮磷的动力学研究[J].环境工程，2015，33（9）：25-30.

[6] 杨林燕，海热提，李萌，等.碳纤维湿地式浮床对微污染水体的净化研究[J].环境科学与技术，2013，36（11）：136-141，180.