解決污染、突破瓶頸 新型碳素纖維污水凈化技術實現高效水處理
來源：谷騰環保網 閱讀：19268 更新時間：2014-04-09 15:11——專訪北京市水處理環保材料工程技術研究中心主任海熱提教授
近年來，碳纖維被廣泛應用于湖沼和海岸水質凈化以及人工養殖海藻等領域。碳纖維的作用機制如何？其在水污染領域產業化應用如何？谷騰環保網近日采訪了國內碳纖維研發做的較為成功的研究機構——北京市水處理環保材料工程技術研究中心。工程中心主任海熱提教授向筆者揭開了碳纖維污水凈化技術的神秘面紗。
谷騰環保網：請簡要介紹下工程中心的背景？在水質凈化方面研發了哪些新技術？
海熱提教授：隨著經濟社會的快速發展，北京市水資源日益匱乏，水污染不斷加劇已成為制約北京社會經濟可持續發展的重大“瓶頸”問題。為了改善北京市的水環境質量，提高水資源利用效率，“十二五”期間，北京市將落實減排目標責任制，強化污染物減排和治理，推行最嚴格的水資源管理制度。在此背景下，我科研項目組依托北京化工大學，聯合中國通用機械工程總公司等3家科研企業單位共同建立了北京市水處理環保材料工程技術研究中心，以期通過環保材料的研發、技術的創新、以及裝備的研制，為北京市的水環境質量改善提供有力的技術保障。
在水質凈化方面，工程中心已成功進行了多項材料的研發、技術的創新和裝備的研制。主要包括生態碳纖維、生物相容性碳纖維、生物碳纖維雙層過濾平板膜、微生物掛膜菌劑以及微納米氣泡發生裝置的研發；碳纖維接觸氧化、碳纖維MBR、碳纖維生態浮島、碳纖維SBR、碳纖維A2/O、強化人工濕地等污水凈化技術與相應的凈化裝備等。
谷騰環保網：你們推出的新技術——碳纖維材料凈化裝置，核心就是碳素纖維，請介紹下應用這種材料凈化的機理以及去除效果如何？
海熱提教授：碳素纖維是由聚丙烯纖維經過特殊的高溫處理后形成的。通常，一束碳素纖維中含有12000根，每一根直徑7微米，只有頭發直徑的十分之一。碳素纖維具有豐富的微孔結構；比表面積大，一般都在1000m2/g以上，具有較大的吸附容量；其微孔直接分布于纖維的表面，因而吸附質擴散的路徑短、時間短，其吸附和再生的速率快，可在較溫和條件下再生。整體而言，碳素纖維具備優良的親水性、生物兼容性和生物附著性。
將碳素纖維其用于污水處理中時，由于其比表面積大、孔徑分布合理、高吸附和高生物相容性的特點，能為微生物生長提供良好的環境。在水中，碳素纖維受到紫外線、電磁波等外界能源照射后，會發出超聲波，周圍的好碳素菌等多種微生物會受其影響，快速吸附在碳素纖維上，并且迅速繁殖，形成有粘著性的生物膜，吸附水中的有機物、氨氮等污染物。此外，除吸附作用外，微生物在材料表面附著形成的生物膜，以有機污染物為能量來源，通過自身的新陳代謝作用降解水體中的有機污染物，把這些污染物分解成二氧化碳和水，從而使水質提高，透明度增加。
碳纖維材料的污水凈化效果極好。對于污水排放量最大的生活污水，當其COD為500-1000mg/l，氨氮30-50mg/l，使用該材料能使其COD去除率達到90%以上，出水COD降至 45 mg/l左右；氨氮去除率達到80%以上，出水降至4 mg/l左右。完全達到國家關于城鎮污水處理廠一級A的提標改造標準。在處理水產養殖廢水和微污染水方面，該材料的應用可使水中COD、氨氮、總磷和濁度分別去除50%、45%、40%、65%，養殖水體使用壽命延長至90天，使河道的水質按地面水環境質量標準由V類提高到III-IV類。除此之外，該材料還適用于各種有機廢水的處理，可對含氯廢水、制藥廠廢水、有機染料廢水、造紙黑液、苯酚廢水、四苯廢水、己內酰胺廢水、二甲基乙酰胺和異丁醇廢水進行處理。其中，對制藥廢水的處理結果表明，采用該材料可以使總排水出水達到生物工程類制藥工業水污染物排放標準（GB 21907—2008）一級標準，凈化效率達86%以上。同時，碳纖維材料對金屬離子具有較好的吸附還原能力，可吸附水中的銀、鉑、汞、鐵等多種離子并能夠將其還原。
谷騰環保網：對比其他技術設備，碳纖維材料凈化成套裝置技術特點和優勢在哪？對比國內外同類技術有何差異？
海熱提教授：碳纖維材料與其他作為接觸氧化池內的填料相比，具有高孔隙率、高吸附能力、易掛膜等優點。將其與污水處理工藝相結合所形成的的碳纖維污水凈化技術和裝備的特點與優勢主要體現在以下幾點：①生物碳纖維屬新一代環保型材料，在國內外是首創，填料污水凈化性能達到了國際領先水平，為技術領先填料，普通活性碳纖維無論從成本上還是性能優越性上都無法與之匹及，因此該技術中碳纖維材料先進性突出；②通過碳纖維污水處理技術與裝備在各污水處理領域中的應用，表明了該技術在節能減排方面效果顯著；③該技術的應用不僅實現了污水的資源化，提升了企業廢水達標排放水平，還為我國污水資源化提供技術支持，有利于促進我國可持續發展和控污減排，環保性能強；④由于碳纖維材料具備穩定性高、質輕、機械強度大、壽命長、安裝維修方便、單位用量少和價格便宜的優勢，可以實現節省工程投資和運行費用的目的，其經濟效益顯著；⑤該技術不僅可用于水產養殖池體凈化、石化廢水凈化、養豬廢水凈化、生活污水處理廠提標、制藥污水水凈化、河道湖泊微污染水體生態修復，同時也可以推廣到其他污水處理等領域，用途廣泛。
相對于國內外同類技術，以碳纖維為核心的污水凈化技術設備在集成碳纖維填料之后，其生物親和性更強，因而對有機物的降解能力更強，效率更高。同時，由于碳纖維材料所具備的的顯著的經濟優勢，其相應的技術裝備成本控制更好，因而更加便宜。經對比，處理1gCOD所需碳纖維材料的成本為0.92元，相比日本生態草（2.4元）和美國阿科曼（1.54元）具有絕對價格優勢，使用該材料為核心的反應器與工藝，在工程上五年內可節省500萬-2000萬。因此，碳纖維材料凈化水處理關鍵技術及其成套裝備從處理效果、投建成本與運行成本上都具有絕對優勢。
谷騰環保網：碳纖維材料使用壽命如何？整個系統成本用戶可以接受嗎？
海熱提教授：前面提到過，碳纖維材料的強度極高、耐酸耐堿，可以保證安裝使用20年不更換而不會造成明顯的性能退化。考慮到填料本身價格并不高，而壽命很長，所以整個系統成本用戶是絕對可以接受的。
谷騰環保網：碳纖維材料凈化裝置適用于哪些環境水質？介紹下典型的項目，運行情況如何？
海熱提教授：工程中心將該材料廣泛用于生活污水處理、微污染水體修復、水產養殖廢水處理、養豬廢水處理、印染廢水處理、石化廢水處理、制藥廢水處理、高鹽度廢水處理中，效果良好。
工程中心已將該材料和技術及裝置成功應用于北京小湯山鴻羽水產養殖水質凈化與廢水處理、北京通州碧水污水處理廠水質提標中試、紹興興越小區大山池水質凈化工程、紹興水務公司污水處理廠水質提標中試、汕頭澄海區蓮上鎮涂城村農村污水處理工程、汕頭鐵洲社區農村污水處理工程、北京通州張家灣鑫淼漁場水質凈化與利用示范工程、北京昌平常興莊漁場水質凈化與利用示范工程中，運行效果良好。
北京通州張家灣鑫淼漁場水質凈化與利用示范工程是我們材料和技術應用的一個典型項目。該項目自2012年起開始運行，計劃于今年7月份結束。通過前期調研，針對該廠目前在水質凈化工藝中存在的問題，我中心提出了對其凈化填料進行更換、采用碳纖維生態浮島工藝對水體凈化工藝進行改進的技術和工藝，并且運用碳纖維一體化膜反應器實現其水循環。自2013年2月起，我們對該廠的填料進行調研，發現該廠原先采用的是傳統的毛刷填料，該填料質地堅硬，比表面積小，不利于微生物的生長附著。并且，若長期安置于水中，可能存在部分化學物質釋放對魚類造成危害的隱患。此外，毛刷填料雖然價格低廉，但需經常更換，經濟性并不明顯。因此，我中心將自主研發的高科技碳纖維材料應用于該廠中，替換了其原有的填料。隨后，中心研究人員通過大量的技術論證和對比試驗后，決定采用碳纖維生態浮島凈化工藝對水產養殖水體進行原位修復。在工程示范中，共制作大型浮島11座，共158 m2，占整個水面面積的27.8%。分為泡沫浮島和聚丙烯浮島，其中泡沫浮島共80平米，每平米16個花盆， 16束生物碳纖維材料；聚丙烯浮島78平米，每平米9個花盆，12束生物碳纖維材料。浮島種植植物品種包括小香蒲、紫花梭魚草、美人蕉、慈姑、狐尾藻、菖蒲、千屈菜、黃花鳶尾等，浮島按照植物種類進行種植。浮島完成后總體呈長方形，橫放于池子當中，兩邊用尼龍繩固定在岸邊，防止浮島隨著水流移動。經初期的穩定運行，碳纖維生態浮島上的植物生長旺盛，魚苗生活正常。對池內水質進行定期檢測發現，COD、氨氮和亞硝酸鹽保持在較理想狀態，池內的溶解氧濃度保持在8.0 ppm以上，pH在7.5~8.1的范圍內。該結果表明，通過植物與碳纖維材料的多重吸收降解，碳纖維生態浮島對影響魚群免疫力的非離子氨等具有明顯的去除效果，是養殖水體凈化的優選工藝。除了對其養殖水體進行凈化，針對目前漁業發展中的集約化養殖趨勢，我中心將自主創新的生物碳纖維+氣升循環一體式MBR組合工藝應用于該工程中，以實現漁場的循環用水需求。經前期設計、安裝與調試，在最佳工藝參數的條件下，該反應器的出水已能完全滿足魚池用水循環的水質要求，
谷騰環保網：河湖富營養化現象已成為世界上重要的水環境污染問題。目前我國十大流域都已經受到不同程度的污染。貴中心提出的一系列河湖生態治理方案中，碳纖維材料做為核心設備，其技術治理路線是怎樣的？
海熱提教授：總體路線從目標層、方案層、保障層3個方面進行設計。
目標層解決污染、突破瓶頸，實現人與環境和諧共存。
方案層確定“一個核心”與“三大重點”兩項根本任務，“一個核心”即以河道生態綜合治理為核心，“三大重點”即以排污口截污治理、面源污染防治、河流斷面水質達標治理為重點，進行河道綜合治理。同時，利用多項關鍵技術實施方案保證任務的順利實施。
保障層設置健全科學的管理運行體系，同時包含應急技術方案等技術保障，全程保障項目方案從設計到施工以及運行進程的正常順利運轉。
谷騰環保網：時下，國家對生態環境保護、生態修復日益關注，并采取了一定的措施加強這方面的治理，您認為你們技術的前景如何？
海熱提教授：由于生態修復技術在達到污水凈化效果的同時不但不會造成環境的二次污染，還具有良好的景觀效果，其顯著的生態友好性使得此類技術在我國生態環境保護和生態修復領域中日漸得到了認可和推廣。
我中心所研發的以碳纖維材料為核心的污水凈化技術可以實現對環境的零負荷與完全的生物安全，是凈化受污染水域、修復水環境生態的優良選擇。將其應用于城鎮污水處理廠升級改造、小區景觀水體水質凈化、農村污水處理、水產和畜禽養殖廢水處理、石化和制藥廢水處理、受污染河流和湖泊水體水質改善等，工程應用結果均顯示了其顯著的污水凈化效果，為相關技術的推廣應用提供了支撐。由于該技術所具有的顯著的經濟、社會和環境效益，在國家水專項所支持的水體污染治理與修復研究中具有廣闊的推廣應用前景，是國家水處理、水質凈化與提標、河湖污染治理等領域的最佳選用技術。
谷騰環保網：您對工程中心未來發展有何規劃？
海熱提教授：目前中心已經研發幾項關鍵生態修復技術，獲得了多項相關國家發明技術專利授權，并聯合幾家科研企業單位進行了技術交流和應用推廣，進行了相關工程示范，初步建立了環保關鍵技術交流共享平臺。下一步工程中心計劃將中心網站平臺逐步開放，積極引入更多的環保企業、環保科研單位，鞏固平臺建設，繼續推進技術交流與共享。同時，工程中心將繼續加大力度進行環保新技術研發，積極為中國環境保護事業做出應有的貢獻。
谷騰環保網：謝謝！
