解决污染、突破瓶颈 新型碳素纤维污水净化技术实现高效水处理
来源：谷腾环保网 阅读：17778 更新时间：2014-04-09 15:11——专访北京市水处理环保材料工程技术研究中心主任海热提教授
近年来，碳纤维被广泛应用于湖沼和海岸水质净化以及人工养殖海藻等领域。碳纤维的作用机制如何？其在水污染领域产业化应用如何？谷腾环保网近日采访了国内碳纤维研发做的较为成功的研究机构——北京市水处理环保材料工程技术研究中心。工程中心主任海热提教授向笔者揭开了碳纤维污水净化技术的神秘面纱。
谷腾环保网：请简要介绍下工程中心的背景？在水质净化方面研发了哪些新技术？
海热提教授：随着经济社会的快速发展，北京市水资源日益匮乏，水污染不断加剧已成为制约北京社会经济可持续发展的重大“瓶颈”问题。为了改善北京市的水环境质量，提高水资源利用效率，“十二五”期间，北京市将落实减排目标责任制，强化污染物减排和治理，推行最严格的水资源管理制度。在此背景下，我科研项目组依托北京化工大学，联合中国通用机械工程总公司等3家科研企业单位共同建立了北京市水处理环保材料工程技术研究中心，以期通过环保材料的研发、技术的创新、以及装备的研制，为北京市的水环境质量改善提供有力的技术保障。
在水质净化方面，工程中心已成功进行了多项材料的研发、技术的创新和装备的研制。主要包括生态碳纤维、生物相容性碳纤维、生物碳纤维双层过滤平板膜、微生物挂膜菌剂以及微纳米气泡发生装置的研发；碳纤维接触氧化、碳纤维MBR、碳纤维生态浮岛、碳纤维SBR、碳纤维A2/O、强化人工湿地等污水净化技术与相应的净化装备等。
谷腾环保网：你们推出的新技术——碳纤维材料净化装置，核心就是碳素纤维，请介绍下应用这种材料净化的机理以及去除效果如何？
海热提教授：碳素纤维是由聚丙烯纤维经过特殊的高温处理后形成的。通常，一束碳素纤维中含有12000根，每一根直径7微米，只有头发直径的十分之一。碳素纤维具有丰富的微孔结构；比表面积大，一般都在1000m2/g以上，具有较大的吸附容量；其微孔直接分布于纤维的表面，因而吸附质扩散的路径短、时间短，其吸附和再生的速率快，可在较温和条件下再生。整体而言，碳素纤维具备优良的亲水性、生物兼容性和生物附着性。
将碳素纤维其用于污水处理中时，由于其比表面积大、孔径分布合理、高吸附和高生物相容性的特点，能为微生物生长提供良好的环境。在水中，碳素纤维受到紫外线、电磁波等外界能源照射后，会发出超声波，周围的好碳素菌等多种微生物会受其影响，快速吸附在碳素纤维上，并且迅速繁殖，形成有粘着性的生物膜，吸附水中的有机物、氨氮等污染物。此外，除吸附作用外，微生物在材料表面附着形成的生物膜，以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物，把这些污染物分解成二氧化碳和水，从而使水质提高，透明度增加。
碳纤维材料的污水净化效果极好。对于污水排放量最大的生活污水，当其COD为500-1000mg/l，氨氮30-50mg/l，使用该材料能使其COD去除率达到90%以上，出水COD降至 45 mg/l左右；氨氮去除率达到80%以上，出水降至4 mg/l左右。完全达到国家关于城镇污水处理厂一级A的提标改造标准。在处理水产养殖废水和微污染水方面，该材料的应用可使水中COD、氨氮、总磷和浊度分别去除50%、45%、40%、65%，养殖水体使用寿命延长至90天，使河道的水质按地面水环境质量标准由V类提高到III-IV类。除此之外，该材料还适用于各种有机废水的处理，可对含氯废水、制药厂废水、有机染料废水、造纸黑液、苯酚废水、四苯废水、己内酰胺废水、二甲基乙酰胺和异丁醇废水进行处理。其中，对制药废水的处理结果表明，采用该材料可以使总排水出水达到生物工程类制药工业水污染物排放标准（GB 21907—2008）一级标准，净化效率达86%以上。同时，碳纤维材料对金属离子具有较好的吸附还原能力，可吸附水中的银、铂、汞、铁等多种离子并能够将其还原。
谷腾环保网：对比其他技术设备，碳纤维材料净化成套装置技术特点和优势在哪？对比国内外同类技术有何差异？
海热提教授：碳纤维材料与其他作为接触氧化池内的填料相比，具有高孔隙率、高吸附能力、易挂膜等优点。将其与污水处理工艺相结合所形成的的碳纤维污水净化技术和装备的特点与优势主要体现在以下几点：①生物碳纤维属新一代环保型材料，在国内外是首创，填料污水净化性能达到了国际领先水平，为技术领先填料，普通活性碳纤维无论从成本上还是性能优越性上都无法与之匹及，因此该技术中碳纤维材料先进性突出；②通过碳纤维污水处理技术与装备在各污水处理领域中的应用，表明了该技术在节能减排方面效果显著；③该技术的应用不仅实现了污水的资源化，提升了企业废水达标排放水平，还为我国污水资源化提供技术支持，有利于促进我国可持续发展和控污减排，环保性能强；④由于碳纤维材料具备稳定性高、质轻、机械强度大、寿命长、安装维修方便、单位用量少和价格便宜的优势，可以实现节省工程投资和运行费用的目的，其经济效益显著；⑤该技术不仅可用于水产养殖池体净化、石化废水净化、养猪废水净化、生活污水处理厂提标、制药污水水净化、河道湖泊微污染水体生态修复，同时也可以推广到其他污水处理等领域，用途广泛。
相对于国内外同类技术，以碳纤维为核心的污水净化技术设备在集成碳纤维填料之后，其生物亲和性更强，因而对有机物的降解能力更强，效率更高。同时，由于碳纤维材料所具备的的显著的经济优势，其相应的技术装备成本控制更好，因而更加便宜。经对比，处理1gCOD所需碳纤维材料的成本为0.92元，相比日本生态草（2.4元）和美国阿科曼（1.54元）具有绝对价格优势，使用该材料为核心的反应器与工艺，在工程上五年内可节省500万-2000万。因此，碳纤维材料净化水处理关键技术及其成套装备从处理效果、投建成本与运行成本上都具有绝对优势。
谷腾环保网：碳纤维材料使用寿命如何？整个系统成本用户可以接受吗？
海热提教授：前面提到过，碳纤维材料的强度极高、耐酸耐碱，可以保证安装使用20年不更换而不会造成明显的性能退化。考虑到填料本身价格并不高，而寿命很长，所以整个系统成本用户是绝对可以接受的。
谷腾环保网：碳纤维材料净化装置适用于哪些环境水质？介绍下典型的项目，运行情况如何？
海热提教授：工程中心将该材料广泛用于生活污水处理、微污染水体修复、水产养殖废水处理、养猪废水处理、印染废水处理、石化废水处理、制药废水处理、高盐度废水处理中，效果良好。
工程中心已将该材料和技术及装置成功应用于北京小汤山鸿羽水产养殖水质净化与废水处理、北京通州碧水污水处理厂水质提标中试、绍兴兴越小区大山池水质净化工程、绍兴水务公司污水处理厂水质提标中试、汕头澄海区莲上镇涂城村农村污水处理工程、汕头铁洲社区农村污水处理工程、北京通州张家湾鑫淼渔场水质净化与利用示范工程、北京昌平常兴庄渔场水质净化与利用示范工程中，运行效果良好。
北京通州张家湾鑫淼渔场水质净化与利用示范工程是我们材料和技术应用的一个典型项目。该项目自2012年起开始运行，计划于今年7月份结束。通过前期调研，针对该厂目前在水质净化工艺中存在的问题，我中心提出了对其净化填料进行更换、采用碳纤维生态浮岛工艺对水体净化工艺进行改进的技术和工艺，并且运用碳纤维一体化膜反应器实现其水循环。自2013年2月起，我们对该厂的填料进行调研，发现该厂原先采用的是传统的毛刷填料，该填料质地坚硬，比表面积小，不利于微生物的生长附着。并且，若长期安置于水中，可能存在部分化学物质释放对鱼类造成危害的隐患。此外，毛刷填料虽然价格低廉，但需经常更换，经济性并不明显。因此，我中心将自主研发的高科技碳纤维材料应用于该厂中，替换了其原有的填料。随后，中心研究人员通过大量的技术论证和对比试验后，决定采用碳纤维生态浮岛净化工艺对水产养殖水体进行原位修复。在工程示范中，共制作大型浮岛11座，共158 m2，占整个水面面积的27.8%。分为泡沫浮岛和聚丙烯浮岛，其中泡沫浮岛共80平米，每平米16个花盆， 16束生物碳纤维材料；聚丙烯浮岛78平米，每平米9个花盆，12束生物碳纤维材料。浮岛种植植物品种包括小香蒲、紫花梭鱼草、美人蕉、慈姑、狐尾藻、菖蒲、千屈菜、黄花鸢尾等，浮岛按照植物种类进行种植。浮岛完成后总体呈长方形，横放于池子当中，两边用尼龙绳固定在岸边，防止浮岛随着水流移动。经初期的稳定运行，碳纤维生态浮岛上的植物生长旺盛，鱼苗生活正常。对池内水质进行定期检测发现，COD、氨氮和亚硝酸盐保持在较理想状态，池内的溶解氧浓度保持在8.0 ppm以上，pH在7.5~8.1的范围内。该结果表明，通过植物与碳纤维材料的多重吸收降解，碳纤维生态浮岛对影响鱼群免疫力的非离子氨等具有明显的去除效果，是养殖水体净化的优选工艺。除了对其养殖水体进行净化，针对目前渔业发展中的集约化养殖趋势，我中心将自主创新的生物碳纤维+气升循环一体式MBR组合工艺应用于该工程中，以实现渔场的循环用水需求。经前期设计、安装与调试，在最佳工艺参数的条件下，该反应器的出水已能完全满足鱼池用水循环的水质要求，
谷腾环保网：河湖富营养化现象已成为世界上重要的水环境污染问题。目前我国十大流域都已经受到不同程度的污染。贵中心提出的一系列河湖生态治理方案中，碳纤维材料做为核心设备，其技术治理路线是怎样的？
海热提教授：总体路线从目标层、方案层、保障层3个方面进行设计。
目标层解决污染、突破瓶颈，实现人与环境和谐共存。
方案层确定“一个核心”与“三大重点”两项根本任务，“一个核心”即以河道生态综合治理为核心，“三大重点”即以排污口截污治理、面源污染防治、河流断面水质达标治理为重点，进行河道综合治理。同时，利用多项关键技术实施方案保证任务的顺利实施。
保障层设置健全科学的管理运行体系，同时包含应急技术方案等技术保障，全程保障项目方案从设计到施工以及运行进程的正常顺利运转。
谷腾环保网：时下，国家对生态环境保护、生态修复日益关注，并采取了一定的措施加强这方面的治理，您认为你们技术的前景如何？
海热提教授：由于生态修复技术在达到污水净化效果的同时不但不会造成环境的二次污染，还具有良好的景观效果，其显著的生态友好性使得此类技术在我国生态环境保护和生态修复领域中日渐得到了认可和推广。
我中心所研发的以碳纤维材料为核心的污水净化技术可以实现对环境的零负荷与完全的生物安全，是净化受污染水域、修复水环境生态的优良选择。将其应用于城镇污水处理厂升级改造、小区景观水体水质净化、农村污水处理、水产和畜禽养殖废水处理、石化和制药废水处理、受污染河流和湖泊水体水质改善等，工程应用结果均显示了其显著的污水净化效果，为相关技术的推广应用提供了支撑。由于该技术所具有的显著的经济、社会和环境效益，在国家水专项所支持的水体污染治理与修复研究中具有广阔的推广应用前景，是国家水处理、水质净化与提标、河湖污染治理等领域的最佳选用技术。
谷腾环保网：您对工程中心未来发展有何规划？
海热提教授：目前中心已经研发几项关键生态修复技术，获得了多项相关国家发明技术专利授权，并联合几家科研企业单位进行了技术交流和应用推广，进行了相关工程示范，初步建立了环保关键技术交流共享平台。下一步工程中心计划将中心网站平台逐步开放，积极引入更多的环保企业、环保科研单位，巩固平台建设，继续推进技术交流与共享。同时，工程中心将继续加大力度进行环保新技术研发，积极为中国环境保护事业做出应有的贡献。
谷腾环保网：谢谢！
