碳纤维生态草在水处理中的应用
陈静波1，徐智浩1，丁芳1
(1.海宁安捷复合材料有限责任公司，浙江，海宁 314400 ）
摘要：水质环境恶化已成为一个世界性的问题。我国每年在水质净化处理方面也投入了大量的人力物力，各种水环境处理方式应运而生。本文介绍的是一种碳纤维生态草技术，是拔尖的水处理技术产品。本文从碳纤维生态草技术原理、特征、优势等几方面，并结合了实际的工程案例，介绍了该技术在水处理方面的应用。
关键词：碳纤维生态草 水处理 应用
Application of carbon fiber ecological grass in water treatment
Chen Jingbo1,Xu Zhihao1,Ding Fang1
(1.Haining Anjie composite material Co., Ltd,Zhejaing,Haining)
Abstract:Deterioration of water quality and environment has become a worldwide problem. In our country, every year in the water purification treatment also put a lot of human and material resources, all kinds of water environment treatment came into being. This article introduces a kind of carbon fiber ecological grass technology, it is the world's leading water treatment technology products. This paper introduces the application of this technology in water treatment from several aspects, such as the principle, characteristics and advantages of carbon fiber ecological grass.
Key word:Carbon fiber ecological grass Water treatment Application
1 概述
随着我国工业化和城市化进程的发展，大量未经处理的工业、生活垃圾直接排入水中，给水体造成了极大的污染。尽管有关部门采取相应措施防治，水环境治理取得了一定成效。但是传统的物理化学治理方法忽略了水生态环境的需求，不能从根本上解决问题，还有可能造成二次污染和生态系统的破坏①。
当前国内外治理污水情况的主要技术手段有：人造湿地、引江济湖工程、重力分离法、污水分流、生物滤池、膜分离技术、生物接触氧化池、人造水库和循环间歇曝气污水处理等段。探索出一种无能耗的简单措施就能够彻底进行水质处理的方法，使本土生态系统恢复，在治理水体污染的同时，实现固碳和废水的循环利用，减少污水治理和温室气体减排压力，保持社会经济可持续发展是迫切需要的新技术新理念，在未来我国“生态文明”和“绿色中国”建设期间应对全球变化、缓解能源危机和经济可持续发展具有重要意义。
2 碳纤维生态草技术介绍
2.1 碳纤维生态草技术简介
碳纤维生态草是以碳纤维为基体材料，以六角环、纤维绳为辅助材料，经一系列工艺处理形成的一种水质净化材料。与一般工业用的纤维不同是，用于水环境处理的碳纤维是由丙烯酸长纤维制造的PAN系纤维，该种碳纤维通过浆纱过程特殊处理、是一种能迅速分散在水中的纤维；该种碳纤维是由半径3.5μm长丝集合而成，总计12000根；一旦放入水中迅速散开，再加上其各自表面上都有细微的凹凸结构，就能形成巨大的比表面积【2】。
碳纤维生态草具有极强的生物亲和性和极高的吸附性，通过太阳光的照射来发出超声波以吸引微生物菌群。这些菌群在碳纤维生态草表面形成粘着性活性生物膜，通过自身的新陈代谢作用吸收降解水体中的有机污染物【3】。同时，水中的低等动物会聚在碳纤维生态草的周围以寻觅微生物为食。因此，碳纤维生态草为鱼类动物及其他水生动物提供了优良卵床与培育空间。通过采用用碳纤维生态草来治理水体的方法，从而实现水下森林的构建，给水体生物创建栖息地，最终构建出绿色环保的水体生态系统。由此可见，碳纤维生态草是污染水体净化和水生态修复的良好选择
2.2 碳纤维生态草水质净化作用机理
采用碳纤维生态草进行水处理的优势是在短时间内大幅度降低悬浮物含量（SS），同时显著地降低COD、BOD、总氮及总磷含量，最终达到净化水质的效果。下表2-1是碳纤维生态草对各类污染物的去除率。
表2-1碳纤维生态草对各类污染物的去除率（%））
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水质项目
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河流
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湖泊/池
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污水处理
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化学需氧量（COD）
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50-70
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20-90
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90-95
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总悬浮固体（SS）
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50-70
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20-90
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90-95
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总氮（TN）
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10-30
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10-30
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30-70
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2.2.1COD5去除原理
碳纤维生态草表面容易形成高效的粘着性生物膜是因为其具有巨大的比表面积。污水水体在和碳纤维比表生物膜接触的过程当中，可以通过对有机污染物的吸附和生物氧化功能，将水体中的有机污染物进行降解、转化。一部分被微生物分解和转化的有机物，最终会形成各种代谢物，比如二氧化碳、水、矿和物等，这些代谢物同时也为微生物的生长和代谢提供了必要的能量；另一部分被微生物同化形成新的微生物组分，最终高效去除水体中的有机污染物【4】。
2.2.2氮污染物去除原理
形成在碳纤维生态草比表面的生物膜上，厌氧、兼性厌氧、好氧这三种反应容易形成。该三种反应为需要进行硝化、反硝化作用的细菌群落的繁殖以及藻类的生长创造了适宜的条件。由于氮元素在自然界中以多种状态循环变动着，在水体中生长的藻类依靠利用水中多种无机氮，在光合过程中，逐步形成各种各样的含氮有机物，有机氮如蛋白质经水解为氨基酸。在微生物作用下分解为氨氮，氨氮在硝化细菌作用下转化为亚硝酸氮和硝酸盐氮。除此之外，硝酸盐氮和亚硝酸氮在厌氧条件下可以通过脱氮菌的作用转化为氮气释放倒大气中，从而达到了高效去除氮污染物的目的。
2.2.3磷污染物去除原理
在水生态系统中，水体中磷可通过三种途径去除。1、磷元素被水体中的菌群和藻类所食，而底栖动或鱼类又摄食了细菌或藻类，最中鱼类被捕捞使磷从水体中去除；2、由依附在碳纤维生态草表面的微生物摄取磷元素，并通过同化作用，将磷元素同化为自身结构或者将其转化为稳定的矿化组织，使其长期沉淀在底泥中，不再释放至水体中。3、采用铁质框架来固定碳纤维生态草，使铁框架在水体中时可以形成许多微小的铁碳源电池，从而使通过电极反应生成的产物与水体中的多种成分发生氧化还原反应。同时水体中的底价铁被溶解氧氧化为高价铁，使其可以与磷酸根离子形成磷酸铁沉淀在水体体泥中，通过化学反应的方式来除去水体中的磷元素。
2.2.4悬浮物（SS）去除原理
悬浮物分为有机组分与无机组分。大颗粒无机物可以通过曝气沉淀的方法去除，而小颗粒无机物则可以通过碳纤维生态草与生物的接触发生氧化作用去除。碳纤维在水下分离成树状结构，增加了碳纤维生态草与水体的接触面积，通过营造平缓的水利环境，增加了颗粒物与生物膜的接触，促使曝气沉淀部分未除去的小颗粒悬浮固体在此接触过程中充分沉淀。另外由于碳纤维极强的的吸附与粘附作用，活性生物膜将悬浮物中的有机物粘附，最终通过微生物作用将悬浮物分解转化，从而实现去除悬浮物的效果。
2.3 碳纤维生态草优势
（1）碳纤维生态草依靠其巨大的比表面积增大了与生物接触面积，通过其极强的吸附污浊物质的能力短时间内吸引水中的好碳素菌、高效聚磷菌等微生物汇集在其表面，并加快污染物的初期粘合。同时碳纤维发出的声波促进微生物增殖形成高活性的微生物膜，扩大净水作用范围。
（2）由于碳纤维生态草高度的生物亲和性和吸附性，在水体中形成具有生产者-消费者-分解者的绿色生态转移链，达到重建水体生态系统的效果。
（3）由于碳纤维生态草的发散性，吸附于碳纤维生态草表面的微生物可以随着水体的波动摇摆，从而捕捉污浊物，并对污染物质进行降解，以达到净化水质的目的。
（4）碳纤维材料柔软而富有弹性，可随水流自然摆动。材料的耐水性系数几乎为零，不会对水的流动产生不利的影响。
（5）碳纤维生态草可以刺激微生物的活动，吸引鱼类，并成为水产动物产卵的地方，可以繁殖和栖息，并发挥人工鱼巢的作用。
（6）自然水体中的碳纤维生态草可以动态、静态相结合，这是生物膜形成早期、生物膜和膜形成的最有力的条件。碳纤维生态草加快了挂膜速率和生物膜的更新速度，始终保持具有高效的污染物降解能力。另外，碳纤维生态草材料的特征也消除了其他材料的需要，更是减少了需要人为投加培养菌种的工程环节。
（7）实施碳纤维生态草技术简单、管理要求低、工期短、见效快、易于维护。系统进入成熟稳定期无需专人进行管理，整个系统的运行管理非常简单方便。
3 碳纤维生态草应用领域
（一）在自然水体水质净化方面的应用
1、河流水体原位净化
在流量和流速合适的河流、湖泊、池塘、海水内，可以直接利用
碳纤维生态草进行水质净化。在河流和水道的主流位置是不容易安
装的水净化装置，可以选择一侧的河流的回流区安装，也可以实现
水净化的效果。
2、 湖泊水体富营养化控制
湖沼和景观水体等封闭区域可以直接利用碳纤维生态草净化水质。低溶解氧和缓慢流动的水，可与使用的有氧循环设备一起使用，以提高净化效果。较大的湖泊和河流，直接使用碳纤维生态草还不达理想的净水效果，可以补充其他水体，并间接达到净化水质的目的。
（二)在水体生态系统修复与保护方面的应用
碳纤维生态草的超声波有利于水生生物的生长，为增加水中细菌和微生物数量，生态系统的形成，提供了强有力的保障。同时对水质进行了净化，增加了微生物、浮游生物和其他微生物在水中的生长繁殖量。碳纤维生态草具有良好的生物亲和性，使鱼类和稚鱼避免敌害，并成为是良好的卵床和栖息场所。此外，碳纤维生态草还是水生植物的良好着床基，在促进植物多样性以及利用生态净化水质等方面都能够发挥积极作用。
（三）在城镇水工程化处理系统方面的应用
通过采用碳纤维增强微生物活性，缩短接触时间，提高生物处理效果和处理能力，在同一接触时间内，水处理效果较好。适用于城市小区生活污水处理或者城市污水集中处理工艺的前处理阶段，以及其它用地紧张的情况，如水体修复治理的生物处理系统、物滤系统等。
2、城镇小区生活污水就地处理系统，包括化粪池、高度处理池等
(四）在新农村生态建设与发展方面的应用
1、农村生活污水处理系统
2、水产养殖的促进与水体污染控制
3、畜牧养殖废水生态处理
（五）在高浓度废水处理系统方面的应用
碳纤维生态草分解污染物效果显著，水处理后污染产生量少、成本费用低、管理维护简便。
4 碳纤维生态草示范工程与效果评价
2015年6月初,海宁安捷碳纤维生态草课题组相关人员学习、吸收产品特性、构造、组装和施工技术，与海宁团市委对接,将碳纤维生态草投入到全市共青示范河的建设工作中,为海宁的水治理尽一份微薄之力。截至2015年6月上旬,总计投放了14条示范河，总计投放河道面积为12850平方米,生态草投放11315串,主要示范点有海宁市李善兰公园，海宁市市政府假山池，海宁市斜桥镇长鱼池，海盐县武原街道坟桥浜，海盐县澉浦镇朱家门池，海宁市许村镇莫家断浜。
课题组对几个示范区开展了为期六个月的水文、水质的系统监测与分析。水质指标的选择与测定监测指标包括:COD、SS、TN。就投放示范点斜桥镇长鱼池而言，治理时总磷含量为1.00mg/L；COD含量为18.6mg/L；氨氮含量为1.51mg/L。投放生态草治理后6个月，检测数据显示为总磷含量0.176mg/L；COD含量7.54mg/L；氨氮含量0.842mg/L。由此可见，各检测数值的降低主要是由于碳纤维生态草的吸附作用以及污染物的沉降作用。
5 结论
碳纤维生态草技术符合水生生态系统规律，在修复水体生态环境方面有着得天独厚的优势。然而在碳纤维生态草的实际应用中也存在着一些不足，例如吸附的微生物等易被鱼类啄落，没有达到理想的美观效果等。课题组将会进一步研究如何提高碳纤维的处理功能，以改善表面结构与性能，提高再生效率，使生产成本降低，充分发挥微生物在生物圈的作用，利用其新陈代谢作用将污染物降解，恢复水生态系统的生物多样性【5】。除此之外，碳纤维生态草技术无二次污染，物能耗、维护管理费用低优点也决定了该技术在今后将会成为湖泊污染水体修复的热门，其应用前景相当广阔。
参考文献
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[4]韦慧. 复合生态塘治理农村生活污水应用示范研究[D].昆明理工大学,2008.
[5]索帮成,李兰. 碳纤维生态基技术在湖泊水体修复中的应用前景[A]. 湖北省水利学会、武汉水利学会.河湖水生态水环境专题论坛论文集[C].湖北省水利学会、武汉水利学会:,2011:6.
