玄武岩纤维系统处理典型水质的水处理技术研究

朱 宸， 张 正

（1. 扬州大学 广陵学院，江苏 扬州 225000；2. 国网扬州供电公司，江苏 扬州 225000）

经济社会不断发展，人类对淡水的需求也随之增加，水体污染、城市河道黑臭现象日益严重[1]，超过90%的淡水资源将在未来15 年内被消耗[2]。为了解决这一难题，多种水体净化技术应运而生，目前生物接触氧化技术在黑臭水体原位净化领域的应用是国内外研究热点，载体的选择是此技术的关键。

玄武岩纤维（basalt fiber，BF）是一种无机非金属连续性微米级纤维[3]，呈褐色，由玄武岩石料在1 450～1 500℃的高温熔融后快速拉制而成[4-5]，具有比表面积大、化学性能稳定[6]、可自然降解[7-9]等特点，在水处理领域广受关注[10-11]。江苏大学姜大卫[12]采用BF 作为生物膜载体，与浮床技术联用净化黑臭水体。在20～25℃、溶解氧（DO）2～4 mg/L、PH7.0 的环境中，系统对NH4+-N、COD、TP 的去除率分别为90%、93%、36.4%。蒋霞等[13]利用BF 处理印染废水，在低温、水力停留时间（HRT）39 h 时，COD 去除率可达85%。戚永洁等[14]比较了不同载体的生物接触氧化系统，发现BF 载体处理效果最佳，当HRT＝15 h 时，NH4+-N、COD、TP 的去除率分别为51%、67%、72%。Ni 等[15]发现BF 载体对COD 去除率达90%，脱氮效率为60%～82%。研究发现，BF 载体能适应各种水质，也能适用不同系统，但受微生物种类、HRT、污水种类及C/N/P 营养比影响，BF 载体系统的污染物去除率存在差异。

BF 载体脱氮除磷性能受多种因素制约，水力停留时间（HRT）便是其一。因此，想要高效经济的原位处理黑臭水体，找到合适的HRT 尤为关键。本研究通过对比不同HRT 条件下BF 载体生物接触氧化系统净化效率，摸索最佳运行工况，一方面致力于解决城市河道黑臭的问题，另一方面拓展BF 纤维的应用领域，具有重要的研究价值和现实意义。

1 实验

1.1 试验系统的建立

本试验反应器如图1 所示，反应器有效水深0.4 m，有效容积0.64 m³，内置填料架上放置BF 载体，载体填充比为50%，反应器底部设置充氧系统。

图1 BF 载体生物接触氧化系统

1.2 载体的选取与制备

本试验采用BF 纤维作为载体，原料由江苏绿材谷新材料科技发展有限公司生产，在实验室中制作成螺旋状结构（如图2），采用硅烷偶联剂（KH-550）改性。BF 纤维载体电镜扫描图如图3，构造性能参数见表1。

图2 BF 载体成品

图3 改性BF 载体电镜扫描图

表1 载体构造性能参数

由图3 可知，经过KH-550 改性的BF 载体表面较为粗糙，有助于微生物更好的附着；由表1 可知，BF 载体有较大的比表面积和较高的孔隙率，有效提高附着微生物的密度。因此相较于其他载体，BF 载体系统有较高的净水效能。

1.3 试验进水水质

由于黑臭河道的水质情况差别较大，因此本试验选取其中一种典型水质作为研究对象，以人工配制轻度黑臭水体模拟该典型水质，进水水质如表2 所示。

表2 BF 载体生物接触氧化系统进水水质表

1.4 分析项目及测试方法

本研究水质分析指标包括COD、NH4+-N、TP 和DO，检测方法参考《水和废水监测分析方法》。

1.5 试验方法

挂膜阶段：BF 载体系统采用接种污泥法进行挂膜，挂膜时进水COD 约350 mg/L、温度20℃、pH 值7.0、DO 约4.0 mg/L，污泥取自江苏省南京市江宁开发区污水处理厂二沉池。污泥取回实验室先闷曝2d，而后加入反应器中培养一段时间，当BF 载体表面长出一层黄色的生物膜且COD 去除率稳定于60%以上时，即挂膜成功，进入试验阶段。

试验阶段：本试验共设置5 组HRT，分别为12 h、24 h、36 h、48 h 和60 h，BF 载体填充比为50%，连续流进水，运行周期14 天，2 天一次取进出水水样，并测定COD、NH4+-N 和TP。

2 结果与讨论

2.1 水力停留时间对COD 去除率的影响

BF 载体系统在不同HRT 时的COD 去除率如图4 所示。由图4 可知，BF 系统的COD 去除率受HRT的影响较大，HRT 越大，系统微生物去除COD 越充分。当HRT 从12 h 增至24 h，COD 平均去除率从68.7%增至81.7%，这是因为随着HRT 增加，系统的水力负荷与污染负荷降低，系统中微生物与污染物接触时间延长，能充分分解COD。与之相似，蒋霞等[13]也发现增加HRT 有利于提高COD 去除率，蒋霞在温度为5～10℃时处理印染废水，当HRT＝34 h 时，COD 去除率不足70%，当HRT 提升至39 h 时，去除率可稳定在85%。当HRT 继续增大，COD 平均去除率提升不再明显但更加稳定，达到84%，这可能是进水中存在较难分解的有机物，仅仅增加HRT 难以将其去除。BF载体生物接触氧化系统能够高效去除COD，归功于其特殊的“生物巢”结构。“生物巢”以BF 载体为骨架，内部存在厌氧/缺氧/好氧微环境，在这样的环境中，碳源能被多途径分解，既能在缺氧微环境中被反硝化细菌快速消耗，也能在好氧微环境中被好氧微生物持续去除。综上，当HRT＝24 h 时，COD 的去除率已接近峰值，虽然去除率稳定性不及HRT＝36/48/60 h，但考虑到增加HRT 后，系统单位时间处理污水量减小，净水效率降低，故HRT 取24 h 更为经济合理。

图4 不同HRT 的COD 去除率

图5 不同HRT 的NH4+-N 去除率

2.2 水力停留时间对NH4+-N 去除率的影响

BF 载体系统在不同HRT 时的NH4+-N 去除率如图5 所示。由图5 可知，BF 载体系统脱氮效率受HRT影响较大。当HRT＝12 h 时，NH4+-N 平均去除率较低，仅32.3%；当HRT＝24 h 时，系统脱氮性能大幅增加，平均去除率达到52.1%；当HRT＝36 h、48 h、60 h 时，去除效率趋于稳定，但与HRT＝24 h 相比无明显差异。戚永洁等[14]在常温条件下处理印染废水时也发现，反应器对NH4+-N 去除率先上升后趋于稳定。这是因为硝化细菌在“生物巢”的好氧微环境中进行硝化反应，将NH4+-N 硝化成NO3-和NO2-；而后反硝化细菌在缺氧微环境中进行反硝化反应，将NO3-和NO2-反硝化成N2从而脱氮。当HRT 较短时，微生物与污染物接触时间较短，硝化、反硝化效率低，降低了NH4+-N 去除率；当HRT 较大时，污染负荷较低，反硝化反应没有足够的电子供体，不利于硝态氮去除，还增加了系统运行成本。因此，系统HRT＝24 h 即可满足脱氮要求。

2.3 水力停留时间对TP 去除率的影响

BF 载体系统在不同HRT 时的TP 去除率如图6 所示。由图6 可知，当HRT 从12 h 提升至24 h，TP 平均去除率从61.6%提升至68.2%，且更稳定；当HRT 继续提高至60 h，TP 平均去除率提升至71.7%。试验中发现，当HRT＞24 h，继续提升HRT 并未有效提高系统除磷效率，原因是BF 载体系统是一体化装置，在曝气装置的作用下，系统中不存在绝对的厌氧/缺氧环境，又因为HRT 增加污染负荷降低，进水中有机物不充足，聚磷菌在与好氧细菌、兼性厌氧细菌的竞争中处于劣势，抑制其生长增殖，因而HRT 增加不能显著提高TP 去除率。

综合考虑TP 去除率和经济性，系统HRT＝24 h 最合适。

图6 不同HRT 的TP 去除率

2.4 单因素方差分析结果比较

为进一步探究不同HRT 对BF 载体系统污染物去除率的影响，采用单因素方差分析法（ANOVA）进行差异性分析，结果如表3 所示。

表3 BF 载体系统在不同HRT 时污染物去除率差异性分析

表3 中，BF 系统对各污染物去除率的检验值F 均大于F（0.05），表明HRT 显著影响系统污染物去除率。当HRT＝12 h 时，COD、NH4+-N 和TP 去除率均值差为负值，且检验值P 均小于0.05，表明此时系统污染物去除率显著低于其他HRT；当HRT＝24 h 时，COD、NH4+-N 和TP 去除率虽与其他HRT 存在差异（HRT＝24 h 处理组中存在P 值小于0.05），但去除率均值差接近0，表明此时系统的净水效能已接近峰值；当HRT 取36 h 及以上时，虽然系统有稍高的污染物去除率，但是净水效率较低。因此，HRT 取24 h时最佳。

2.5 水力停留时间对DO 的影响

BF 载体生物接触氧化系统不仅能净化水体，而且能提升水体溶解氧，本系统在不同HRT 时的进出水DO 如图7 所示。

由图7 可知，BF 载体系统出水DO 随着系统运行不断波动，这是由于系统微生物在不同生长阶段的耗氧量不同。总体而言，系统稳定提升DO，几乎不受HRT 影响，进水DO 约4 mg/L，出水DO 约8.8 mg/L。

图7 不同HRT 的进出水DO

3 结论

综合BF 载体接触氧化系统在脱氮、除磷、去除COD 及提升DO 的试验结果，得出以下结论。在COD、NH4+-N 和TP 浓度分别为200 mg/L、15 mg/L 和6 mg/L 的进水水质条件下、以硅烷偶联剂改性玄武岩纤维为载体的生物接触氧化系统：

1）当HRT＝24 h 时，系统经济性好且净化效果佳；

2）当HRT＝24 h 时，系统对COD、NH4+-N 和TP 的平均去除率分别达到81.7%、52.1%和68.2%，系统对DO 的提升几乎不受HRT 影响，将DO 从4 mg/L 提升至8.8 mg/L。