LTPM廢塑料填料性能及處理污水的試驗研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
朱海東， 趙如金， 李淑惠， 龔麗影， 劉燦燦， 王韋勝
（江蘇大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013）
摘要：以廢塑料瓶為原料制備了未改性束狀填料和低溫等離子體改性(LTPM)束狀填料，分析了2種填料的性能；并將2種填料用于生物膜反應器處理生活污水，研究了其去污能力。AFM分析結(jié)果表明，低溫等離子體改性明顯增加了塑料表面的粗糙度；FTIR及親水性分析結(jié)果表明，低溫等離子體改性后，在廢塑料表面引入了羰基、羥基等親水性基團，塑料表面的親水性明顯增強。掛膜時，改性填料上生物膜厚度和生物膜量明顯大于未改性填料。含改性填料的生物膜反應器對污水中COD和氨氮的去除效果，明顯優(yōu)于含未改性填料的生物膜反應器。研究既有效處理了污水，又可實現(xiàn)固體廢物的資源化利用，研究成果具有一定的推廣應用價值。
關(guān)鍵詞：廢塑料；低溫等離子體改性；生物膜反應器；親水性
中圖分類號：X703doi:10.3969/j．issn.1003-6504.2016.06.02.5 文章編號：1003-6504(2016)06-0135-04
塑料具有美觀實用、加工方便、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)及人們生活的各個領(lǐng)域。然而，隨著塑料產(chǎn)量和應用量的大幅增加，廢塑料的產(chǎn)量也在不斷上升，對生態(tài)環(huán)境的潛在威脅日益突出。同時，隨著各種不可再生資源儲量的不斷減少，對廢塑料等固體廢物的資源化利用越來越重要。
尋求有效的廢舊塑料綜合利用對策和技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。目前，對廢塑料的資源化利用方式主要有物理循環(huán)利用技術(shù)和化學循環(huán)利用技術(shù)兩大類。物理循環(huán)利用技術(shù)產(chǎn)生的簡單再生產(chǎn)品屬于低檔次塑料，質(zhì)量通常欠佳。而化學循環(huán)利用技術(shù)常需要在高溫下進行，能源消耗大，再生利用的成本高，還有 可能形成二次污染，其是目前該技術(shù)推廣應用的主要障礙之一。
筆者所在課題組曾直接以廢塑料作為生物膜反應器的填料處理污水，但試驗結(jié)果表明，掛膜效果不好，導致出水水質(zhì)不好�；谝陨媳尘�，本研究以廢塑料為原料，采用低溫等離子體技術(shù)對其進行改性，并制備生物膜反應器的填料，通過試驗研究該填料的表面性能及污水處理效果，探討等離子體改性廢塑料在污水生物處理領(lǐng)域的應用可行性。研究為廢塑料的資源化利用提供參考。
1試驗材料與方法
1.1試驗裝置
試驗裝置如圖1所示。試驗用城市生活污水儲存在原水儲存槽1中，通過蠕動泵3到達生物膜反應器下端的進水口，經(jīng)由布水器5均勻流入。進水流量由液體流量計2讀出。同時，空氣通過空壓機10到達生物膜反應器的底端，由布氣器6均勻進入反應器中�？諝饬髁坑蓺怏w流量計9讀出。生物膜反應器采用氣液同向上流的進水方式，有利于氣體對液體和填料的攪動作用，使氣液固三相充分接觸，從而使傳質(zhì)更加充分。反應器中7為由塑料瓶制得的束狀填料，懸掛在生物膜反應器中，填充率為35%。出水從反應器頂端流出，進入沉淀池11進行固液分離，使老化脫落的生物膜與水分離沉淀下來，上清液即為出水13，脫落生物膜從沉淀池下方12以腐殖泥的形式排出。反應器中的溶解氧濃度由溶氧儀8監(jiān)測。
1.2試驗用水
試驗用城市生活污水取自江蘇省鎮(zhèn)江市某污水處理廠沉砂池出水，水質(zhì)指標如下：COD 176～485mg/L,TN 25～51 mg/L,NH+-N 16～33 mg/L,TP 1.3～5.5 mg/L,SS 53～107 mg/L, p H 6.7～8.1。
1.3束狀填料的制備
取一定量礦泉水瓶，剪成窄條狀，用自來水清洗除去表面污垢，并自然干燥。然后采用自制介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的低溫空氣等離子體對窄條狀塑料進行改性。介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器的放電間隙為2.7 mm，放電區(qū)長度為200 mm;等離子體發(fā)生器的放電電壓為17kV，放電頻率為30 kHz：空氣流量為0.14m3h。改性時，等離子體發(fā)生器中產(chǎn)生的低溫等離子體被吹出到窄條狀塑料的表面，改性時間為0～60 s。最后將改性后的窄條狀塑料綁成圖1中7所示的束狀填料，即為低溫等離子體改性束狀填料，備用。未改性束狀填料是將礦泉水瓶剪成窄條狀，表面經(jīng)自來水除垢并自然干燥后，綁成束狀，備用。
1.4分析方法
COD采用重鉻酸鉀法測定；氨氮濃度采用納氏試劑分光光度法測定；進水pH值由pH計（雷磁pHS-3C，中國）檢測；生物膜反應器中溶解氧由溶氧儀（HACH，中國）實時監(jiān)測。改性前后窄條狀塑料的表面粗糙度由原子力顯微鏡（Veeco MultiMode，美國）觀測；塑料的水接觸角由接觸角測定儀( OCA20,德國)測定；紅外分析采用傅里葉變換紅外光譜儀（NEXUS-470，美國）進行分析。
2結(jié)果與討論
2.1 AFM分析
采用原子力顯微鏡對非改性塑料和改性塑料表面形貌進行了分析，結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2和圖3表明，低溫等離子體改性明顯增加了廢塑料表面的粗糙度。非改性塑料表面的粗糙度Ra為1.617 nm,而改性塑料表面的粗糙度Ra為4.335 nm。粗糙度增加的主要原因可能是由于低溫等離子體中的高能粒子撞擊塑料表面而引起的刻蝕造成的。改性后，廢塑料表面粗糙度增加意味著廢塑料的比表面積增大，有利于微生物的附著。因此，從表面形貌分析，改性塑料應更易于掛膜和對污染物的去除。
2.2親水性分析
采用接觸角測定儀分析了非改性塑料和不同改性時間改性塑料表面的水接觸角，結(jié)果如表1所示。
表1所示的結(jié)果表明，低溫等離子體改性能明顯降低塑料表面的水接觸角。非改性塑料表面的水接觸角為82.10；隨著改性時間的延長，塑料表面的水接觸角逐漸降低，當改性時間為40 s時，塑料表面的水接觸角下降為37.20；再增加改性時間，塑料表面的水接觸角變化不大。因此，低溫等離子體改性明顯改善了廢塑料表面的親水性，這有利于塑料填料表面的掛膜和污水中污染物去除率的提高。較佳的改性時間為40 s左右。
2.3 FTIR分析
采用傅里葉變換紅外光譜儀對未改性和改性塑料表面官能團進行了分析。圖4為未改性塑料FT-IR圖譜，圖5為改性塑料FT-IR圖譜。由圖4和圖5可見，改性塑料和未改性塑料FI'-IR圖譜基本相同，但在1 645 cm-1和3 450 cm-1處的吸收峰有明顯的差異。在波數(shù)1 645 cm-1附近，有強峰出現(xiàn)，判斷為羰基特征峰；在3 450 cm-1附近，出現(xiàn)了羥基的吸收峰。因此，塑料經(jīng)低溫等離子體改性反應后，引入了大量羰基、羥基等親水性基團。這些親水性基團的出現(xiàn)有利于改善塑料表面的生物親和性和掛膜性能。
2.4掛膜性能
掛膜試驗采用如圖1所示2套相同的并聯(lián)運行的試驗裝置，其中一套試驗裝置的生物膜反應器中填充改性束狀填料，該反應器稱為反應器A；另一套試驗裝置的生物膜反應器中填充未改性束狀填料，該反應器稱為反應器B。掛膜采用快速排泥法，接種污泥取自鎮(zhèn)江市某污水處理廠好氧池，初始活性污泥濃度為1.1 g/L。連續(xù)進水和出水階段，2套試驗裝置在相同的試驗條件下運行，試驗條件為：填料填充率35%，溶解氧濃度2.8 mg/L，水力停留時間7.5 h，進水采用模擬生活污水，各項指標接近于1.2節(jié)所述的試驗用水。隨著試驗裝置的運行，兩生物膜反應器中的填料表面都開始附著微生物并生長增殖。試驗結(jié)果如表2所示。
由于水力沖刷作用等原因，填料上的生物膜量稍有波動，因此，表2中的成熟生物膜厚度和單束填料成熟生物膜量均為5個平行樣的均值。由表2可見，改性填料和未改性填料上生物膜的形成周期相差不大，但改性填料上成熟生物膜厚度和單束填料成熟生物膜量明顯大于未改性填料。這主要是由于廢塑料經(jīng)低溫等離子體改性后，表面粗糙度增加，親水性和生物親和性增強，膜表面和微生物之間的作用力增加，更有利于生物膜的形成。這與2.2節(jié)和2.3節(jié)的結(jié)果一致。
2.5除污性能
生物膜反應器出水水質(zhì)是判斷填料綜合性能的重要因素，是確定填料能否用于污水處理的先決條件。因此，2.4節(jié)所述的掛膜試驗成功后，在反應器A和反應器B中引入1.2節(jié)所述的試驗用水，對生物膜進行馴化；連續(xù)運行20 d，馴化成熟后，出水水質(zhì)穩(wěn)定，連續(xù)監(jiān)測進、出水的COD和氨氮值。結(jié)果如圖6和圖7所示。
圖6表明，生物膜反應器A對COD的去除效果明顯好于生物膜反應器B，反應器A對COD的平均去除率為91.4%，而反應器B對COD的平均去除率為86.0%；當進水COD出現(xiàn)波動時，反應器A出水COD的波動也明顯小于反應器B，因此反應器A具有更強的耐沖擊負荷能力。圖7中，生物膜反應器A對氨氮的平均去除率為71.2%，生物膜反應器B對氨氮的平均去除率為60.4%，生物膜反應器A對氨氮的去除效果明顯優(yōu)于生物膜反應器B。但在圖7中，反應器A和反應器B出水氨氮濃度與COD相比有一定的波動，這可能由于硝化細菌對水質(zhì)、水量及外界環(huán)境的變化適應能力較弱。以上試驗結(jié)果與反應器A中填料掛膜性能好，生物膜量較大有密切的關(guān)系。因此，含改性填料的生物膜反應器對污水中污染物的去除效果明顯優(yōu)于含未改性填料的生物膜反應器。
因此，采用低溫等離子體對廢塑料進行改性后，作為生物膜的載體處理污水，能達到較好的污水處理效果。廢塑料來源廣泛，成本低，研究既有效處理了污水，又實現(xiàn)了固體廢物的資源化利用，因此研究成果具有較大的推廣應用價值。
3結(jié)論
低溫等離子體改性明顯增加了廢塑料表面的粗糙度；低溫等離子體改性后，在廢塑料表面引入了羰基、羥基等親水性基團，塑料表面的親水性明顯增強，掛膜性能明顯改善，改性填料上成熟生物膜厚度和成熟生物膜量明顯大于未改性填料。含改性填料的生物膜反應器對污水中COD和氨氮的去除效果，明顯優(yōu)于含未改性填料的生物膜反應器。研究既有效處理了污水，又實現(xiàn)了固體廢物的資源化利用。
