微纳米曝气强化碳纤维生态水下森林处理效果研究
陈静波1，徐智浩1，丁芳1，方永洪1，沈康华1
（海宁安捷复合材料有限责任公司，浙江，海宁314400）
摘 要：采用微纳米曝气的实验方式，研究了直插式碳纤维生态草对于河道的净化水质效果及规律。结果表明，在微纳米曝气方式下，直插式碳纤维生态浮床对水体中COD、NH4+-N 和 TP 去除率分别达到 72.6%、84%、61.5%，并且能够在短时间内完成碳纤维填料的挂膜过程，说明微纳米曝气方式下的直插式碳纤维生态草对于构建水下森林具有强化去除效果。
关键词：碳纤维；微纳米曝气；水下生态森林
Study on the effect of micro nano aeration on the treatment of carbon fiber under the ecological water
Chen Jingbo1,Xu Zhihao1 ,Ding Fang1, Fang Yonghong 1,Shen Kanghua1
(1.Haining Anjie composite material Co., Ltd,Zhejaing,Haining,314400)
Abstract:The experiments of micro nanometer aeration, the in-line carbon fiber for ecological grass
water purification effect and regulation of river. The results show that the micro nanometer aeration mode, in-
line carbon fiber ecological floating bed on COD, NH4+-N and TP removal rate reached 72.6%, 84% and
61.5% respectively, and to complete the process of biofilm formation of carbon fiber filler in a short period of
time, hat the micro nanometer aeration mode in-line carbon fiber for ecological grass construction of forest in
the water could enhance the removal effect.
Key word:Carbon fiber; Micro nano aeration; Underwater ecological forest
中图分类号：X173 文献标识码：A
随着我国工业化和城市化进程的发展，大量未经处理的工业、生活垃圾直接排入水中，给水体造成了极大的污染。尽管有关部门采取相应措施防治，水环境治理取得了一定成效。但是传统的物理化学治理方法忽略了水生态环境的需求，不能从根本上解决问题，还有可能造成二次污染和生态系统的破坏。碳纤维生态草作为一种有效的原位生态修复技术，历经了八代的研革，已得到了极大的完善，可以适应不同水质情况以及被修复河道的基础要求。陈恩奇、徐智浩等人以海宁市共青师范河为研究对象，采用直插式碳纤维绳生态草，将直插式碳纤维生态草投放入被污染水体，实现了对河道水质的净化。陈静波更是首次提出“微纳米曝气强化直插式碳纤维草”的概念，将微纳米曝气方式与直插式碳纤维草进行有机结合，从而实现增强水体溶氧率，增加微生物在碳纤维生态草周围的悬挂和接触面积，实现高挂膜率以及修复水体生物多样性，促进水下森林的形成。
目前，关于微纳米曝气强化直插式碳纤维生态草去除水体污染物的研究少之又少。因此将以上2种水处理技术结合更是开创了水环境治理的先河，研究这一组合工艺对水体污染的去除效果具有重大的意义。
1、实验部分
1.1碳纤维生态草填料
随着生物膜法水处理技术的不断发展，生物载体逐渐成为最重要的研究热点。实验以直插式碳纤维生态草水处理填料作为主要生物膜载体，该种填料具有高度生物亲和性，抗拉伸能力强、纤维强度高，坚固耐用、使用寿命长，并且具有独特的快速吸附、脱附性能、选择性吸附性能[1-3]。直插式碳纤维生态草填料由复合筋和碳纤维束组成，碳纤维束用尼龙扎带捆绑在复合筋上达到固定目的。
实验用直插式碳纤维生态草，尼龙扎带穿过每束碳纤维纱线成圈依次间隔绑扎固定。既保证了碳纤维填料之间保持相互独立，又防止在实验河道中因曝气作用出现互相缠而不能使碳纤维束在水体中完全扩散开的现象，阻碍微生物在其表面充分挂膜吸附。施工技术实施简单，管理要求低。
1.2 实验用水与实验方法
实验采用直接测试法。即在百步和硖石街道某河道直接放置直插式碳纤维生态草如图1 所示以及微纳米曝气装置。水质检测对比实验在示范点河道投入直插 式碳纤维生态草前，提取原河道水质样品约500ml，采用DR2800便携式分光光度计并检测其COD含量，总磷含量以及氨氮含量，记录在册。投放碳纤维生态草15d后，同样在相应示范点提取500ml水质样品，并利用DR2800便携式分光光度计进行检测COD浓度，总磷浓度和氨氮浓度。并根据式
（1）、式(2)、式（3）计算水质净化过程中，COD去除率（re,%），总磷去除率（rt,%）， 氨氮去除率（rh,%）。
式（1）中，c0与ce分别为投放直插式碳纤维生态草前后COD的化学浓度mg/L，式（2）中c0与ce分别为投放直插式碳纤维生态草前后总磷的化学浓度mg/L，式（2）中c0与ct分别为投放直插式碳纤维生态草前后总磷的化学浓度mg/L，式（2）中c0与ch分别为投放直插式碳纤维生态草前后氨氮的化学浓度mg/L。在本次实验中，COD，总磷，氨氮三项水质指标的检测均严格按照《水和废水检测分析方法》[4]。
实验采用直接实验法如图 1 所示。
实验中，碳纤维生态草表面生化反应的同步进行，包括有机物降解、硝化、反硝化作用等。
COD：重铬酸钾法；NH4+-N 含量：5B-3（B）COD
多元速测仪；TP 含量：5B-3（B）COD 多元速测仪； 微生物群落：扫描电子显微镜（SEM）；DO 含量：溶 解氧仪，便携式 DO 测定仪；pH、温度：pH/ORP/ 温度测定仪。
1.3挂膜启动
挂膜期间对被实验河道水质指标进行间隔测定，运行 15 d 后可观察到碳纤维生态草上有褐色的膜状物质，两组实验河道出水 COD、NH4+-N 及 TP 的去除率均达到 50%以上。通过电子显微镜每天观察碳纤维丝束表面微生物富集程度，并肉眼观察碳纤维表面膜层厚度变化，最终膜厚达到 1～2 mm，并且出水中 COD、 NH4+-N 去除率均达到 60%左右时，说明曝气强化碳纤维生态草水下森林成功启动。
2 结果与讨论
2.1碳纤维生态草对挂膜阶段处理效果的影响
2.1.1对去除 COD 的影响
从取得的实验数据来看，采用微纳米曝气强化直插式碳纤维生态草对原水中COD有很强的去除率。高污染进水挂膜运行 14 d 后，百步鹤嘴桥微纳米曝气强化直插式碳纤维生态草组出水 COD 从 368.5 mg/L 降至146.2 mg/L，去除率为 60.33%，贾家浜微纳米曝气强化直插式碳纤维生态草组出水COD从10.6mg/L降至4.46mg/L,去除率为58%。之后随着进水中 COD降低，微生物快速繁殖和生长，2个实验河道对 COD的去除率变化曲线趋于平缓，在该实验条件下微纳米曝气强化直插式碳纤维生态草最终去除率达到 72.60%。微纳米曝气技术对于提升微生物在直插式碳纤维生态草填料表面的挂膜速度具有非常好的效果。分析原因可能是，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[5]。
2.1.2 对去除 NH4+-N 的影响
从取得的实验数据来看，采用微纳米曝气强化碳纤维生态草对原水中NH4+-N也有很强的去除率。2组实验河道挂膜运行 14 d 后，百步镇鹤嘴桥实验河道出水的质量浓度从 1.09 mg/L 降至 0.124 mg/L，NH4+-N 去除率达到 88%；贾家浜实验河道的NH4+-N质量浓度从1.18mg/L降至0.234mg/L，NH4+-N去除率达到80%。 随着实验的持续运行，2 组实验河道对NH4+-N 的去除率变化曲线趋于平缓，在该实验条件下微纳米曝气碳纤维生态草浮床组的最终去除率达到84%。分析原因可能是，在碳纤维表面形成生物膜的一个断面上，由外及里形成了好氧、兼性厌氧和厌氧三种反应区。有效促进了硝化菌的硝化作用，促使实验河道快速建立稳定的硝化系统，使得硝化速率更快[6]。
2.1.3 对去除 TP 的影响
从实验数据来看，微纳米曝气强化碳纤维生态草对能有效去除原水中TP浓度。百步鹤嘴桥实验河道微纳米曝气强化碳纤维生态草组出水 TP 的质量浓度从 0.203mg/L 降至 0.112mg/L，去除率达到 45%，贾家浜实验河道出水TP的质量浓度0.866mg/L降至0.193mg/L，去除率更是高达78%。微纳米曝气强化碳纤维生态草两组实验河道运行 15 d 后，水体中 TP 去除率基本稳定在平均61.5%左右。微纳米曝气能使直插式碳纤维生态草更快的达到对水体中 TP 等有机污染物的较好的去除效果，并且有更高的去除率。
3 结论
微纳米曝气技术下的碳纤维生态草挂膜速率和
水体有机污染物去除方面具有很好的效果。实验结果表明，直插式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。相比浮岛式生态草技术的高成本、易破坏性、易老化性，对水上正常交通运输有影响等一系列缺点，直插式碳纤维生态草正好弥补了这些缺陷。直插式碳纤维生态草的复合筋主体长时间在水体中也不会被腐蚀老化，且插入水中有极强的隐蔽性，不会影响水上运输和遭受人为破坏。此外，直插式碳纤维生态草技术实施简单，管理要求低，系统进入成熟稳定期后无需专人进行管理，整个系统的运行管理非常简单方便。微纳米气泡在水中停留时间、气液传质过程、产生自由基等方面的诸多特点，使得碳纤维生态草周围环境中氧气含量一直保持较高水平，促进好氧微生物快速繁殖和生长，缩短微生物膜的新老更替周期，保持微生物膜整体活性，重建水下生态森林。
参考文献：
[1] 何振坤.好氧BACF 膜的形成机制与水处理应用[D].北京:北京化工大学,2002.
[2] 孙斌斌.活性碳纤维的制备及吸附有机污染物的研究[D].南京：南京理工大学，2007.
[3] 池金萍,安丽.活性碳纤维的新进展及在水处理中的应用[J].高科技纤维与应用,2003,28(6):40-4
[4]国家环保局．水和废水监测分析方法（第4版）．北 京：中国环境科学出版社， 2002
[5]王雷. 微纳米曝气生物膜反应器处理农村生活污水研究[D].沈阳航空航天大学,2012.
[6]吕宙.微纳米气泡曝气在污水处理中的应用研究[D].合肥:合肥工业大学,2014.
收稿日期：2016-10-15；
作者简介：陈静波（1981-）男，浙江海宁人；助理工程师，主要研究方向为复合材料开发与研究
通信作者：丁芳（1992-），主要研究方向为复合材料开发与研究。E-mail：2027313547@qq.com
