北京化工大學環境科學與工程技術中心和浙江欣之球科技發展有限公司聯合開展的“新型生態碳素纖維污水凈化技術研發”項目，日前已通過專家鑒定。這一項目所研發的高強度生態碳纖維材料、生態碳纖維一體化反應器與水處理工藝技術，可廣泛應用于印染廢水、水產養殖水體和城鎮污水處理廠出水的凈化，并將產生良好的經濟效益、社會效益和環境效益。
“十二五”期間，國家強化污染物減排和治理，將主要污染物擴大至4項，即化學需氧量、氨氮、二氧化硫和氮氧化物。隨著我國最嚴格水資源管理制度的推行，全國污水處理廠將嚴格執行排放標準從一級B提到一級A標準，包括化學需氧量(COD)、總磷、總氮和氨氮四大污染物。污水處理廠原有運行工藝和技術在更高的水質排放標準面前將面臨巨大壓力，開發后續處理工藝進行提標改造，采用高效、低成本工藝材料，降低運行成本將是全國污水處理廠共同關注的話題。全國城鎮污水處理廠面臨排放標準提標壓力、紡織染整等重污染行業環境要求日益嚴格、淡水水產養殖業水體污染治理都對新技術需求非常迫切。在這一背景下，北京化工大學與浙江欣之球科技發展有限公司聯合研制的“新型生態碳素纖維污水凈化技術研發”項目為污水的高效處理提供了新型高效的凈化材料和低成本的技術設備。
技術解析
據北京化工大學項目負責人介紹，這一項目所研發的關鍵技術是生態碳素纖維新材料，這項技術包括3個方面:
——以聚丙烯腈纖維為原料的高吸附活性碳纖維制備，這種高吸附活性碳纖維比表面積大于1000m2/g；
——高吸附活性碳纖維表面修飾，在過氧化氫溶液和氨水中分別處理碳纖維，制備出具有生物相容性的高吸附生物活性碳纖維；
——用高吸附的活性碳素纖維與超細纖維的復合制得生態碳纖維，這種生態碳纖維比表面積大、孔徑分布合理、高吸附的活性碳素纖維具有極高的吸附性和生物親和性，不僅通過自身的吸附作用凈化水體，而且能吸引微生物菌群并使其在超細纖維表面形成粘著性活性生物膜。這些微生物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。
他告訴記者，這一項目所研發的另一項關鍵技術是生態碳纖維＋膜組件一體化反應器。這種反應器是將生態碳纖維作為填料的接觸氧化池與膜生物反應器(MBR)結合處理廢水的一體化反應器。進水先經過生態碳纖維材料的吸附和其表面生物凈化作用之后進入MBR反應器中。活性碳纖維材料對COD的去除率在80％以上，氨氮去除率在60％以上。這種新型一體化反應器采用碳纖維這種高吸附能力的材料作為膜組件的預處理，大大減少了膜污染的問題。不僅利用自身的吸附能力凈化水質，而且它表面所形成生物膜能在很大程度上去除COD、氨氮和總磷。
這種一體化反應器還包括:升流式厭氧污泥床(UASB)＋生態碳纖維接觸氧化組合反應器和生態碳纖維新型生物脫氮除磷(A2/O)一體化反應器。
UASB＋生態碳纖維接觸氧化組合反應器是集UASB厭氧消化與以生態纖維作為填料的生物接觸氧化于一體的反應器。厭氧消化可去除污水中高濃度大分子有機物，將大分子有機物分解為無機物和小分子有機物，提高污水的可生化性，好氧生物處理，去除污水中絕大多數有機物。生態碳纖維材料對COD的去除率在80％以上，氨氮去除率在60％以上。
生態碳纖維新型A2/O一體化反應器將生態碳纖維作為好氧反應池填料集厭氧、兼性和好氧于一體的新型反應器。這種一體化反應器對COD和氨氮去除率高達80％和70％，此外，對磷也有很好的去除效果。
他告訴記者，新型生態纖維是用于凈化受污染水域，修復水環境生態的優良選擇，其實現了對環境的零負荷與完全的生物安全。碳素纖維具有極高的吸附性與生物親和性，是良好的微生物掛膜填料，在生物法污水處理領域具有明顯的競爭優勢。在淡水水產養殖方面也有廣闊應用前景，在去除水體污染物的同時聚集以微生物為食的低等動物，成為魚類及高級水生動物的優良卵床與養育空間。利用碳素纖維治理水體，通過構建水下森林，給水生生物搭建棲息地，最終逐步構建健康的水體生態系統。該材料已成功應用于水產養殖水體凈化與污水處理、印染廢水與再生水凈化處理。
案例剖析
記者了解到，這項技術通過在長春王家樓泛氧化塘工程歷時1年的模擬示范試驗，結果表明這種新型生態碳纖維成套凈化技術與日本生態草技術和美國阿科蔓技術相比，對于水體凈化效果更為明顯。從成本考慮，削減1gCOD需要生態碳纖維填料成本為0.92元，碳纖維生態草(日本)為2.40元，阿科蔓生態基(美國)為1.54元；削減1gNH4＋－N需要生態碳纖維填料、生態草和阿科蔓分別為15.1元、39.84元、47.90元。削減1gTP需要生態碳纖維填料、生態草和阿科蔓分別為40.48元、106.90元、108.59元。所以成本計算時以三種指標中削減成本最低者的削減成本為準。從削減成本、處理效果以及工程投資綜合因素考慮，生態碳纖維具有明顯優越性。
記者在北京小湯山生態碳纖維水質凈化試驗區現場看到，水的透明度遠遠高于與之對比的日本生態草技術試驗區和美國阿科蔓技術試驗區。據當地有關部門技術人員介紹，新型生態碳纖維填料能徹底改善河水的生態環境，該填料能夠抑制藻類的大量暴發。試驗過程中他們發現，當河水中的藻類明顯增加時，泛氧化塘系統的出水水質仍然清澈，觀察發現大量的藻類吸附于填料上被微生物降解。該填料具有很好的生物親和性，能夠形成水下森林，受到魚類、蝦類、貝類的喜愛。試驗過程中發現填料表面出現了很多小型的水生動物，水中出現了青蛙、草魚以及鯽魚，這說明河水的生態系統恢復了生機。
參與試驗的當地水產養殖戶告訴記者，使用日本生態草技術和美國阿科蔓技術的魚塘，水質混濁發黑，需要經常換水，而使用生態碳纖維水質凈化技術的養魚塘，水質清新，可以長時間不用換水。
據專家介紹，生態碳纖維＋膜組件一體化反應器及工藝用于水產養殖水體凈化的最佳條件為溶解氧在5～6mg/L，填料投放密度為0.3kg/m3，可使水體的使用壽命延長至90天，應用于水產養殖污水凈化，水體停留時間為20小時，達到了出水回用于養殖用水的標準；UASB＋生態碳纖維接觸氧化組合反應器及工藝應用于印染污水凈化，厭氧水力停留為15h，生物接觸氧化池停留時間為30h，經吸附過濾出水完全達到印染水行業一級標準；生態碳纖維新型A2/O一體化反應器及工藝應用于污水處理廠出水凈化，達到了GB18918－2002一級A標準。
優勢特點
參與技術鑒定的專家認為這項成套技術具有5個方面的特點和優勢:
一、新型生態碳素纖維先進性突出，經表面修飾、活性強化、復合整理制得的新型生態碳纖維，具有制作成本低、吸附性強、生物兼容性好等優點，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敵，因此生態碳纖維必將在污水凈化領域占據重要地位，屬于新一代環保型清潔材料。
二、“生態碳纖維＋膜組件一體化反應器、UASB＋生態碳纖維接觸氧化集成反應器、生態碳纖維新型A2/O一體化反應器”總體技術水平處于國際先進地位。生態碳纖維＋膜組件一體化反應器用于凈化淡水養殖污水，該裝備單獨放置于養殖池體中，COD去除率達到40％～70％，池體更換水周期延長到90天；生態碳纖維新型A2/O一體化反應器用于凈化生活污水，該裝置單獨處理生活污水，COD去除率達到50％～80％；UASB＋生態碳纖維接觸氧化集成反應器用于凈化印染廢水，印染廢水成分復雜，可生化性差，可使用UASB＋生態碳纖維接觸氧化技術工藝進行污水凈化，可達到針織染整行業污水排放標準一級標準。
三、新型生態碳素纖維污水處理關鍵技術環保性能強。生態碳纖維＋膜組件一體化反應器及工藝用于凈化淡水養殖污水，根據水質情況可實現養殖池體水凈化，延長污水放排周期，也可實現總排放污水凈化，達到中水回用效果，改善養殖行業用水多、用水成本高、污水回用極少的現狀；UASB＋生態碳纖維接觸氧化組合反應器及工藝用于凈化印染污水，根據水質情況實現印染行業一級出水，達到部分中水回用效果，解決印染污水處理效率低，處理難、循環利用率低等問題；生態碳纖維新型A2/O一體化反應器及工藝用于凈化生活污水，根據水質情況，可實現中水回用，實現節能減排。
四、新型生態碳素纖維污水處理關鍵技術及其裝備工程效益顯著。根據鴻羽水產養殖用水現狀和生態碳纖維凈化水質效果，該場年用水為200萬噸，每20天換水，工程投資為590萬元，利用生態碳纖維實現每年可節省156萬噸水，投入成本一年內即可收回。五年內可節省2518萬元。通過水產養殖廢水利用處理工程，五年內可節省1890萬元。根據“引新濟太”工程(15萬m3/天)實施方案和新型生態碳纖維使用效果，該工程利用新型生態碳纖維凈化河水水體可實現每年凈化污水3150萬m3，工程投資為82.5萬～165萬元。浙江金時針織印染廠污水排放量5000t/d，生態碳纖維廢水處理工程投資約為600多萬元，比傳統工藝可節省600萬～700萬元的資金。
五、新型生態碳素纖維污水處理關鍵技術及其裝備用途廣泛。該課題研究的新型水處理裝備與工藝可用于水產養殖池體凈化、淡水養殖排水污水凈化、印染廢水凈化、生活污水凈化、生活污水再生水凈化，同時也可以推廣到化工廠污水處理等領域。這項新型生態碳素纖維污水處理關鍵技術及其裝備將為我國污水資源化提供技術支持。（郭薇）
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