碳纤维生态草在水处理中的应用
(1.海宁安捷复合材料有限责任公司，浙江，海宁 314400 ）
1 概述
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”建设期间应对变化、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。
图1 放入水中后碳纤维迅速散开
图2 碳纤维表面附着微生物
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，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（%））
水质项目
河流
湖泊/池
污水处理
化学需氧量（COD）
50-70
20-90
90-95
总悬浮固体（SS）
50-70
20-90
90-95
总氮（TN）
10-30
10-30
30-70
2.3碳纤维生态草优势
（1）极高的生物附着面积
碳纤维生态草比表面积约为1000m2/g.利用此特性其能高效吸收、吸附、截留水中溶解态和悬浮态的污染物，从而提高水体的透明度，并为各类微生物、藻类和水生动物的生长、繁殖提供良好的着生、附着或穴居条件，终在碳纤维生态草表面形成具有很强净化功能的“生物膜”结构。
（2）高效的生物载体
图3 碳纤维生态草表面活性生物膜
图4 碳纤维生态草表面附着鱼卵
（3）挂膜性能好
碳纤维生态草和其他种类纤维相比，微生物的附着量大，不易脱落，并且附着的微生物活性高。
图5 碳纤维表面的微生物膜
图6 碳纤维表面微生物群
（4）高度的生物亲和性
碳纤维生态草经太阳光等射线照射后发出声波，其波段与微生物感知波段吻合并形成呼应，促使微生物迅速聚集在碳纤维周围。同时碳纤维柔软且表面形成黏着性的生物膜，是鱼、虾、贝类等水生生物优良的产卵、生息的繁殖场所，经过科学实验观察，其生物卵床功能甚至优于真实水草。
3 碳纤维生态草示范工程与效果评价
截至到2019年6月,海宁安捷碳纤维生态草课题组在海宁当地总计投放了14条示范河，总计投放河道面积为12850平方米,生态草投放12000余串,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。
图7 海宁市李善兰公园
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、总磷、氨氮。通过检测水质发现在投放碳纤维生态草6个月后各河道的COD、总磷和氨氮的去除率都达到50%以上。
4 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。而随着“PAN 基碳纤维”计划的开展，这势必使我国 PAN 基碳纤维得到飞速发展。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。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。