碳纖維生態草在水處理中的應用

 

　　(1.海寧安捷復合材料有限責任公司，浙江，海寧　314400 ）

 

　　1  概述

 

　　當前國內外治理污水情況的主要技術手段有：人造濕地、引江濟湖工程、重力分離法、污水分流、生物濾池、膜分離技術、生物接觸氧化池、人造水庫和循環間歇曝氣污水處理等段。探索出一種無能耗的簡單措施就能夠徹底進行水質處理的方法，使本土生態系統恢復，在治理水體污染的同時，實現固碳和廢水的循環利用，減少污水治理和溫室氣體減排壓力，保持社會經濟可持續發展是迫切需要的新技術新理念，在未來我國“生態文明”和“綠色”建設期間應對變化、緩解能源危機和經濟可持續發展具有重要意義。

 

　　2   碳纖維生態草技術介紹

 

　　2.1 碳纖維生態草技術簡介

 

　　碳纖維生態草是以碳纖維為基體材料，以六角環、纖維繩為輔助材料，經一系列工藝處理形成的一種水質凈化材料。與一般工業用的纖維不同是，用于水環境處理的碳纖維是由丙烯酸長纖維制造的PAN系纖維，該種碳纖維通過漿紗過程特殊處理、是一種能迅速分散在水中的纖維；該種碳纖維是由半徑3.5μm長絲集合而成，總計12000根；一旦放入水中迅速散開，再加上其各自表面上都有細微的凹凸結構，就能形成巨大的比表面積。

 

 

圖1 放入水中后碳纖維迅速散開

 

圖2 碳纖維表面附著微生物

 

　　2.2碳纖維生態草水質凈化作用機理

 

　　采用碳纖維生態草進行水處理的優勢是在短時間內大幅度降低懸浮物含量（SS），同時顯著地降低COD、BOD、總氮及總磷含量，終達到凈化水質的效果。下表2-1是碳纖維生態草對各類污染物的去除率。

 

　　表2-1碳纖維生態草對各類污染物的去除率（%））

 

　　水質項目

 

　　河流

 

　　湖泊/池

 

　　污水處理

 

　　化學需氧量（COD）

 

　　50-70

 

　　20-90

 

　　90-95

 

　　總懸浮固體（SS）

 

　　50-70

 

　　20-90

 

　　90-95

 

　　總氮（TN）

 

　　10-30

 

　　10-30

 

　　30-70

 

　　2.3碳纖維生態草優勢

 

　?。?）極高的生物附著面積

 

　　碳纖維生態草比表面積約為1000m2/g.利用此特性其能高效吸收、吸附、截留水中溶解態和懸浮態的污染物，從而提高水體的透明度，并為各類微生物、藻類和水生動物的生長、繁殖提供良好的著生、附著或穴居條件，終在碳纖維生態草表面形成具有很強凈化功能的“生物膜”結構。

 

　?。?）高效的生物載體

 

圖3 碳纖維生態草表面活性生物膜
 

 

圖4 碳纖維生態草表面附著魚卵

 

　?。?）掛膜性能好

 

　　碳纖維生態草和其他種類纖維相比，微生物的附著量大，不易脫落，并且附著的微生物活性高。
 

圖5 碳纖維表面的微生物膜
 

 

圖6 碳纖維表面微生物群

 

　?。?）高度的生物親和性

 

　　碳纖維生態草經太陽光等射線照射后發出聲波，其波段與微生物感知波段吻合并形成呼應，促使微生物迅速聚集在碳纖維周圍。同時碳纖維柔軟且表面形成黏著性的生物膜，是魚、蝦、貝類等水生生物優良的產卵、生息的繁殖場所，經過科學實驗觀察，其生物卵床功能甚至優于真實水草。

 

　　3  碳纖維生態草示范工程與效果評價

 

　　截至到2019年6月,海寧安捷碳纖維生態草課題組在海寧當地總計投放了14條示范河，總計投放河道面積為12850平方米,生態草投放12000余串,主要示范點有海寧市李善蘭公園，海寧市市政府假山池，海寧市斜橋鎮長魚池，海鹽縣武原街道墳橋浜，海鹽縣澉浦鎮朱家門池，海寧市許村鎮莫家斷浜。

 

圖7  海寧市李善蘭公園
 

　　課題組對幾個示范區開展了為期六個月的水文、水質的系統監測與分析。水質指標的選擇與測定監測指標包括:COD、總磷、氨氮。通過檢測水質發現在投放碳纖維生態草6個月后各河道的COD、總磷和氨氮的去除率都達到50%以上。

 

　　4 結論

 

　　碳纖維生態草技術符合水生生態系統規律，在修復水體生態環境方面有著得天獨厚的優勢。然而在碳纖維生態草的實際應用中也存在著一些不足，例如吸附的微生物等易被魚類啄落，沒有達到理想的美觀效果等。而隨著“PAN 基碳纖維”計劃的開展，這勢必使我國 PAN 基碳纖維得到飛速發展。將會進一步研究如何提高碳纖維的處理功能，以改善表面結構與性能，提高再生效率，使生產成本降低，充分發揮微生物在生物圈的作用，利用其新陳代謝作用將污染物降解，恢復水生態系統的生物多樣性。除此之外，碳纖維生態草技術無二次污染，物能耗、維護管理費用低優點也決定了該技術在今后將會成為湖泊污染水體修復的熱門，其應用前景相當廣闊。