解決污染、突破瓶頸 新型碳素纖維污水凈化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效水處理
來源：谷騰環(huán)保網(wǎng) 閱讀：17964 更新時(shí)間：2014-04-09 15:11——專訪北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心主任海熱提教授
近年來，碳纖維被廣泛應(yīng)用于湖沼和海岸水質(zhì)凈化以及人工養(yǎng)殖海藻等領(lǐng)域。碳纖維的作用機(jī)制如何？其在水污染領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用如何？谷騰環(huán)保網(wǎng)近日采訪了國內(nèi)碳纖維研發(fā)做的較為成功的研究機(jī)構(gòu)——北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)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(shù)的神秘面紗。
谷騰環(huán)保網(wǎng)：請簡要介紹下工程中心的背景？在水質(zhì)凈化方面研發(fā)了哪些新技術(shù)？
海熱提教授：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)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(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大“瓶頸”問題。為了改善北京市的水環(huán)境質(zhì)量，提高水資源利用效率，“十二五”期間，北京市將落實(shí)減排目標(biāo)責(zé)任制，強(qiáng)化污染物減排和治理，推行最嚴(yán)格的水資源管理制度。在此背景下，我科研項(xiàng)目組依托北京化工大學(xué)，聯(lián)合中國通用機(jī)械工程總公司等3家科研企業(yè)單位共同建立了北京市水處理環(huán)保材料工程技術(shù)研究中心，以期通過環(huán)保材料的研發(fā)、技術(shù)的創(chuàng)新、以及裝備的研制，為北京市的水環(huán)境質(zhì)量改善提供有力的技術(shù)保障。
在水質(zhì)凈化方面，工程中心已成功進(jìn)行了多項(xiàng)材料的研發(fā)、技術(shù)的創(chuàng)新和裝備的研制。主要包括生態(tài)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(fā)生裝置的研發(fā)；碳纖維接觸氧化、碳纖維MBR、碳纖維生態(tài)浮島、碳纖維SBR、碳纖維A2/O、強(qiáng)化人工濕地等污水凈化技術(shù)與相應(yīng)的凈化裝備等。
谷騰環(huán)保網(wǎng)：你們推出的新技術(shù)——碳纖維材料凈化裝置，核心就是碳素纖維，請介紹下應(yīng)用這種材料凈化的機(jī)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(jīng)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(fā)直徑的十分之一。碳素纖維具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)；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(zhì)擴(kuò)散的路徑短、時(shí)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(yōu)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(shí)，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(diǎn)，能為微生物生長提供良好的環(huán)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(huì)發(fā)出超聲波，周圍的好碳素菌等多種微生物會(huì)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(jī)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(jī)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(jī)污染物，把這些污染物分解成二氧化碳和水，從而使水質(zhì)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(dāng)其COD為500-1000mg/l，氨氮30-50mg/l，使用該材料能使其COD去除率達(dá)到90%以上，出水COD降至 45 mg/l左右；氨氮去除率達(dá)到80%以上，出水降至4 mg/l左右。完全達(dá)到國家關(guān)于城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)A的提標(biāo)改造標(biāo)準(zhǔn)。在處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水和微污染水方面，該材料的應(yīng)用可使水中COD、氨氮、總磷和濁度分別去除50%、45%、40%、65%，養(yǎng)殖水體使用壽命延長至90天，使河道的水質(zhì)按地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)由V類提高到III-IV類。除此之外，該材料還適用于各種有機(jī)廢水的處理，可對含氯廢水、制藥廠廢水、有機(jī)染料廢水、造紙黑液、苯酚廢水、四苯廢水、己內(nèi)酰胺廢水、二甲基乙酰胺和異丁醇廢水進(jìn)行處理。其中，對制藥廢水的處理結(jié)果表明，采用該材料可以使總排水出水達(dá)到生物工程類制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 21907—2008）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，凈化效率達(dá)86%以上。同時(shí)，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?qū)⑵溥原。
谷騰環(huán)保網(wǎng)：對比其他技術(shù)設(shè)備，碳纖維材料凈化成套裝置技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢在哪？對比國內(nèi)外同類技術(shù)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(nèi)的填料相比，具有高孔隙率、高吸附能力、易掛膜等優(yōu)點(diǎn)。將其與污水處理工藝相結(jié)合所形成的的碳纖維污水凈化技術(shù)和裝備的特點(diǎn)與優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①生物碳纖維屬新一代環(huán)保型材料，在國內(nèi)外是首創(chuàng)，填料污水凈化性能達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，為技術(shù)領(lǐng)先填料，普通活性碳纖維無論從成本上還是性能優(yōu)越性上都無法與之匹及，因此該技術(shù)中碳纖維材料先進(jìn)性突出；②通過碳纖維污水處理技術(shù)與裝備在各污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用，表明了該技術(shù)在節(jié)能減排方面效果顯著；③該技術(shù)的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了污水的資源化，提升了企業(yè)廢水達(dá)標(biāo)排放水平，還為我國污水資源化提供技術(shù)支持，有利于促進(jìn)我國可持續(xù)發(fā)展和控污減排，環(huán)保性能強(qiáng)；④由于碳纖維材料具備穩(wěn)定性高、質(zhì)輕、機(jī)械強(qiáng)度大、壽命長、安裝維修方便、單位用量少和價(jià)格便宜的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)省工程投資和運(yùn)行費(fèi)用的目的，其經(jīng)濟(jì)效益顯著；⑤該技術(shù)不僅可用于水產(chǎn)養(yǎng)殖池體凈化、石化廢水凈化、養(yǎng)豬廢水凈化、生活污水處理廠提標(biāo)、制藥污水水凈化、河道湖泊微污染水體生態(tài)修復(fù)，同時(shí)也可以推廣到其他污水處理等領(lǐng)域，用途廣泛。
相對于國內(nèi)外同類技術(shù)，以碳纖維為核心的污水凈化技術(shù)設(shè)備在集成碳纖維填料之后，其生物親和性更強(qiáng)，因而對有機(jī)物的降解能力更強(qiáng)，效率更高。同時(shí)，由于碳纖維材料所具備的的顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，其相應(yīng)的技術(shù)裝備成本控制更好，因而更加便宜。經(jīng)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(tài)草（2.4元）和美國阿科曼（1.54元）具有絕對價(jià)格優(yōu)勢，使用該材料為核心的反應(yīng)器與工藝，在工程上五年內(nèi)可節(jié)省500萬-2000萬。因此，碳纖維材料凈化水處理關(guān)鍵技術(shù)及其成套裝備從處理效果、投建成本與運(yùn)行成本上都具有絕對優(yōu)勢。
谷騰環(huán)保網(wǎng)：碳纖維材料使用壽命如何？整個(gè)系統(tǒng)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(qiáng)度極高、耐酸耐堿，可以保證安裝使用20年不更換而不會(huì)造成明顯的性能退化。考慮到填料本身價(jià)格并不高，而壽命很長，所以整個(gè)系統(tǒng)成本用戶是絕對可以接受的。
谷騰環(huán)保網(wǎng)：碳纖維材料凈化裝置適用于哪些環(huán)境水質(zhì)？介紹下典型的項(xiàng)目，運(yùn)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(fù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理、養(yǎng)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(shù)及裝置成功應(yīng)用于北京小湯山鴻羽水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)凈化與廢水處理、北京通州碧水污水處理廠水質(zhì)提標(biāo)中試、紹興興越小區(qū)大山池水質(zhì)凈化工程、紹興水務(wù)公司污水處理廠水質(zhì)提標(biāo)中試、汕頭澄海區(qū)蓮上鎮(zhèn)涂城村農(nóng)村污水處理工程、汕頭鐵洲社區(qū)農(nóng)村污水處理工程、北京通州張家灣鑫淼漁場水質(zhì)凈化與利用示范工程、北京昌平常興莊漁場水質(zhì)凈化與利用示范工程中，運(yùn)行效果良好。
北京通州張家灣鑫淼漁場水質(zhì)凈化與利用示范工程是我們材料和技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)典型項(xiàng)目。該項(xiàng)目自2012年起開始運(yùn)行，計(jì)劃于今年7月份結(jié)束。通過前期調(diào)研，針對該廠目前在水質(zhì)凈化工藝中存在的問題，我中心提出了對其凈化填料進(jìn)行更換、采用碳纖維生態(tài)浮島工藝對水體凈化工藝進(jìn)行改進(jìn)的技術(shù)和工藝，并且運(yùn)用碳纖維一體化膜反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)其水循環(huán)。自2013年2月起，我們對該廠的填料進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該廠原先采用的是傳統(tǒng)的毛刷填料，該填料質(zhì)地堅(jiān)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(xué)物質(zhì)釋放對魚類造成危害的隱患。此外，毛刷填料雖然價(jià)格低廉，但需經(jīng)常更換，經(jīng)濟(jì)性并不明顯。因此，我中心將自主研發(fā)的高科技碳纖維材料應(yīng)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(shù)論證和對比試驗(yàn)后，決定采用碳纖維生態(tài)浮島凈化工藝對水產(chǎn)養(yǎng)殖水體進(jìn)行原位修復(fù)。在工程示范中，共制作大型浮島11座，共158 m2，占整個(gè)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(gè)花盆， 16束生物碳纖維材料；聚丙烯浮島78平米，每平米9個(gè)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(jìn)行種植。浮島完成后總體呈長方形，橫放于池子當(dāng)中，兩邊用尼龍繩固定在岸邊，防止浮島隨著水流移動(dòng)。經(jīng)初期的穩(wěn)定運(yùn)行，碳纖維生態(tài)浮島上的植物生長旺盛，魚苗生活正常。對池內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行定期檢測發(fā)現(xiàn)，COD、氨氮和亞硝酸鹽保持在較理想狀態(tài)，池內(nèi)的溶解氧濃度保持在8.0 ppm以上，pH在7.5~8.1的范圍內(nèi)。該結(jié)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(tài)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(yǎng)殖水體凈化的優(yōu)選工藝。除了對其養(yǎng)殖水體進(jìn)行凈化，針對目前漁業(yè)發(fā)展中的集約化養(yǎng)殖趨勢，我中心將自主創(chuàng)新的生物碳纖維+氣升循環(huán)一體式MBR組合工藝應(yīng)用于該工程中，以實(shí)現(xiàn)漁場的循環(huán)用水需求。經(jīng)前期設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試，在最佳工藝參數(shù)的條件下，該反應(yīng)器的出水已能完全滿足魚池用水循環(huán)的水質(zhì)要求，
谷騰環(huán)保網(wǎng)：河湖富營養(yǎng)化現(xiàn)象已成為世界上重要的水環(huán)境污染問題。目前我國十大流域都已經(jīng)受到不同程度的污染。貴中心提出的一系列河湖生態(tài)治理方案中，碳纖維材料做為核心設(shè)備，其技術(shù)治理路線是怎樣的？
海熱提教授：總體路線從目標(biāo)層、方案層、保障層3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。
目標(biāo)層解決污染、突破瓶頸，實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境和諧共存。
方案層確定“一個(gè)核心”與“三大重點(diǎn)”兩項(xiàng)根本任務(wù)，“一個(gè)核心”即以河道生態(tài)綜合治理為核心，“三大重點(diǎn)”即以排污口截污治理、面源污染防治、河流斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)治理為重點(diǎn)，進(jìn)行河道綜合治理。同時(shí)，利用多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施方案保證任務(wù)的順利實(shí)施。
保障層設(shè)置健全科學(xué)的管理運(yùn)行體系，同時(shí)包含應(yīng)急技術(shù)方案等技術(shù)保障，全程保障項(xiàng)目方案從設(shè)計(jì)到施工以及運(yùn)行進(jìn)程的正常順利運(yùn)轉(zhuǎn)。
谷騰環(huán)保網(wǎng)：時(shí)下，國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)修復(fù)日益關(guān)注，并采取了一定的措施加強(qiáng)這方面的治理，您認(rèn)為你們技術(shù)的前景如何？
海熱提教授：由于生態(tài)修復(fù)技術(shù)在達(dá)到污水凈化效果的同時(shí)不但不會(huì)造成環(huán)境的二次污染，還具有良好的景觀效果，其顯著的生態(tài)友好性使得此類技術(shù)在我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中日漸得到了認(rèn)可和推廣。
我中心所研發(fā)的以碳纖維材料為核心的污水凈化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的零負(fù)荷與完全的生物安全，是凈化受污染水域、修復(fù)水環(huán)境生態(tài)的優(yōu)良選擇。將其應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠升級(jí)改造、小區(qū)景觀水體水質(zhì)凈化、農(nóng)村污水處理、水產(chǎn)和畜禽養(yǎng)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(zhì)改善等，工程應(yīng)用結(jié)果均顯示了其顯著的污水凈化效果，為相關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了支撐。由于該技術(shù)所具有的顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，在國家水專項(xiàng)所支持的水體污染治理與修復(fù)研究中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，是國家水處理、水質(zhì)凈化與提標(biāo)、河湖污染治理等領(lǐng)域的最佳選用技術(shù)。
谷騰環(huán)保網(wǎng)：您對工程中心未來發(fā)展有何規(guī)劃？
海熱提教授：目前中心已經(jīng)研發(fā)幾項(xiàng)關(guān)鍵生態(tài)修復(fù)技術(shù)，獲得了多項(xiàng)相關(guān)國家發(fā)明技術(shù)專利授權(quán)，并聯(lián)合幾家科研企業(yè)單位進(jìn)行了技術(shù)交流和應(yīng)用推廣，進(jìn)行了相關(guān)工程示范，初步建立了環(huán)保關(guān)鍵技術(shù)交流共享平臺(tái)。下一步工程中心計(jì)劃將中心網(wǎng)站平臺(tái)逐步開放，積極引入更多的環(huán)保企業(yè)、環(huán)保科研單位，鞏固平臺(tái)建設(shè)，繼續(xù)推進(jìn)技術(shù)交流與共享。同時(shí)，工程中心將繼續(xù)加大力度進(jìn)行環(huán)保新技術(shù)研發(fā)，積極為中國環(huán)境保護(hù)事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
谷騰環(huán)保網(wǎng)：謝謝！
