北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程技術(shù)中心和浙江欣之球科技發(fā)展有限公司聯(lián)合開(kāi)展的“新型生態(tài)碳素纖維污水凈化技術(shù)研發(fā)”項(xiàng)目，日前已通過(guò)專(zhuān)家鑒定。這一項(xiàng)目所研發(fā)的高強(qiáng)度生態(tài)碳纖維材料、生態(tài)碳纖維一體化反應(yīng)器與水處理工藝技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于印染廢水、水產(chǎn)養(yǎng)殖水體和城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)出水的凈化，并將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。
“十二五”期間，國(guó)家強(qiáng)化污染物減排和治理，將主要污染物擴(kuò)大至4項(xiàng)，即化學(xué)需氧量、氨氮、二氧化硫和氮氧化物。隨著我國(guó)最嚴(yán)格水資源管理制度的推行，全國(guó)污水處理廠(chǎng)將嚴(yán)格執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)從一級(jí)B提到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，包括化學(xué)需氧量(COD)、總磷、總氮和氨氮四大污染物。污水處理廠(chǎng)原有運(yùn)行工藝和技術(shù)在更高的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)面前將面臨巨大壓力，開(kāi)發(fā)后續(xù)處理工藝進(jìn)行提標(biāo)改造，采用高效、低成本工藝材料，降低運(yùn)行成本將是全國(guó)污水處理廠(chǎng)共同關(guān)注的話(huà)題。全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)面臨排放標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)壓力、紡織染整等重污染行業(yè)環(huán)境要求日益嚴(yán)格、淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)水體污染治理都對(duì)新技術(shù)需求非常迫切。在這一背景下，北京化工大學(xué)與浙江欣之球科技發(fā)展有限公司聯(lián)合研制的“新型生態(tài)碳素纖維污水凈化技術(shù)研發(fā)”項(xiàng)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(shù)設(shè)備。
技術(shù)解析
據(jù)北京化工大學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人介紹，這一項(xiàng)目所研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是生態(tài)碳素纖維新材料，這項(xiàng)技術(shù)包括3個(gè)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(guò)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(xì)纖維的復(fù)合制得生態(tài)碳纖維，這種生態(tài)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(guò)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(xì)纖維表面形成粘著性活性生物膜。這些微生物以有機(jī)污染物為能量來(lái)源，通過(guò)自身的新陳代謝作用降解水體中的有機(jī)污染物。
他告訴記者，這一項(xiàng)目所研發(fā)的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是生態(tài)碳纖維＋膜組件一體化反應(yīng)器。這種反應(yīng)器是將生態(tài)碳纖維作為填料的接觸氧化池與膜生物反應(yīng)器(MBR)結(jié)合處理廢水的一體化反應(yīng)器。進(jìn)水先經(jīng)過(guò)生態(tài)碳纖維材料的吸附和其表面生物凈化作用之后進(jìn)入MBR反應(yīng)器中。活性碳纖維材料對(duì)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(yīng)器采用碳纖維這種高吸附能力的材料作為膜組件的預(yù)處理，大大減少了膜污染的問(wèn)題。不僅利用自身的吸附能力凈化水質(zhì)，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(yīng)器還包括:升流式厭氧污泥床(UASB)＋生態(tài)碳纖維接觸氧化組合反應(yīng)器和生態(tài)碳纖維新型生物脫氮除磷(A2/O)一體化反應(yīng)器。
UASB＋生態(tài)碳纖維接觸氧化組合反應(yīng)器是集UASB厭氧消化與以生態(tài)纖維作為填料的生物接觸氧化于一體的反應(yīng)器。厭氧消化可去除污水中高濃度大分子有機(jī)物，將大分子有機(jī)物分解為無(wú)機(jī)物和小分子有機(jī)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(shù)有機(jī)物。生態(tài)碳纖維材料對(duì)COD的去除率在80％以上，氨氮去除率在60％以上。
生態(tài)碳纖維新型A2/O一體化反應(yīng)器將生態(tài)碳纖維作為好氧反應(yīng)池填料集厭氧、兼性和好氧于一體的新型反應(yīng)器。這種一體化反應(yīng)器對(duì)COD和氨氮去除率高達(dá)80％和70％，此外，對(duì)磷也有很好的去除效果。
他告訴記者，新型生態(tài)纖維是用于凈化受污染水域，修復(fù)水環(huán)境生態(tài)的優(yōu)良選擇，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的零負(fù)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(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖方面也有廣闊應(yīng)用前景，在去除水體污染物的同時(shí)聚集以微生物為食的低等動(dòng)物，成為魚(yú)類(lèi)及高級(jí)水生動(dòng)物的優(yōu)良卵床與養(yǎng)育空間。利用碳素纖維治理水體，通過(guò)構(gòu)建水下森林，給水生生物搭建棲息地，最終逐步構(gòu)建健康的水體生態(tài)系統(tǒng)。該材料已成功應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)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(xiàng)技術(shù)通過(guò)在長(zhǎng)春王家樓泛氧化塘工程歷時(shí)1年的模擬示范試驗(yàn)，結(jié)果表明這種新型生態(tài)碳纖維成套凈化技術(shù)與日本生態(tài)草技術(shù)和美國(guó)阿科蔓技術(shù)相比，對(duì)于水體凈化效果更為明顯。從成本考慮，削減1gCOD需要生態(tài)碳纖維填料成本為0.92元，碳纖維生態(tài)草(日本)為2.40元，阿科蔓生態(tài)基(美國(guó))為1.54元；削減1gNH4＋－N需要生態(tài)碳纖維填料、生態(tài)草和阿科蔓分別為15.1元、39.84元、47.90元。削減1gTP需要生態(tài)碳纖維填料、生態(tài)草和阿科蔓分別為40.48元、106.90元、108.59元。所以成本計(jì)算時(shí)以三種指標(biāo)中削減成本最低者的削減成本為準(zhǔn)。從削減成本、處理效果以及工程投資綜合因素考慮，生態(tài)碳纖維具有明顯優(yōu)越性。
記者在北京小湯山生態(tài)碳纖維水質(zhì)凈化試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)看到，水的透明度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與之對(duì)比的日本生態(tài)草技術(shù)試驗(yàn)區(qū)和美國(guó)阿科蔓技術(shù)試驗(yàn)區(qū)。據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)技術(shù)人員介紹，新型生態(tài)碳纖維填料能徹底改善河水的生態(tài)環(huán)境，該填料能夠抑制藻類(lèi)的大量暴發(fā)。試驗(yàn)過(guò)程中他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)河水中的藻類(lèi)明顯增加時(shí)，泛氧化塘系統(tǒng)的出水水質(zhì)仍然清澈，觀察發(fā)現(xiàn)大量的藻類(lèi)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(yú)類(lèi)、蝦類(lèi)、貝類(lèi)的喜愛(ài)。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)填料表面出現(xiàn)了很多小型的水生動(dòng)物，水中出現(xiàn)了青蛙、草魚(yú)以及鯽魚(yú)，這說(shuō)明河水的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)了生機(jī)。
參與試驗(yàn)的當(dāng)?shù)厮a(chǎn)養(yǎng)殖戶(hù)告訴記者，使用日本生態(tài)草技術(shù)和美國(guó)阿科蔓技術(shù)的魚(yú)塘，水質(zhì)混濁發(fā)黑，需要經(jīng)常換水，而使用生態(tài)碳纖維水質(zhì)凈化技術(shù)的養(yǎng)魚(yú)塘，水質(zhì)清新，可以長(zhǎng)時(shí)間不用換水。
據(jù)專(zhuān)家介紹，生態(tài)碳纖維＋膜組件一體化反應(yīng)器及工藝用于水產(chǎn)養(yǎng)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(zhǎng)至90天，應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖污水凈化，水體停留時(shí)間為20小時(shí)，達(dá)到了出水回用于養(yǎng)殖用水的標(biāo)準(zhǔn)；UASB＋生態(tài)碳纖維接觸氧化組合反應(yīng)器及工藝應(yīng)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(shí)間為30h，經(jīng)吸附過(guò)濾出水完全達(dá)到印染水行業(yè)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；生態(tài)碳纖維新型A2/O一體化反應(yīng)器及工藝應(yīng)用于污水處理廠(chǎng)出水凈化，達(dá)到了GB18918－2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)
參與技術(shù)鑒定的專(zhuān)家認(rèn)為這項(xiàng)成套技術(shù)具有5個(gè)方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):
一、新型生態(tài)碳素纖維先進(jìn)性突出，經(jīng)表面修飾、活性強(qiáng)化、復(fù)合整理制得的新型生態(tài)碳纖維，具有制作成本低、吸附性強(qiáng)、生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，普通活性碳纖維無(wú)論從成本上還是性能優(yōu)越性上都無(wú)法與之匹敵，因此生態(tài)碳纖維必將在污水凈化領(lǐng)域占據(jù)重要地位，屬于新一代環(huán)保型清潔材料。
二、“生態(tài)碳纖維＋膜組件一體化反應(yīng)器、UASB＋生態(tài)碳纖維接觸氧化集成反應(yīng)器、生態(tài)碳纖維新型A2/O一體化反應(yīng)器”總體技術(shù)水平處于國(guó)際先進(jìn)地位。生態(tài)碳纖維＋膜組件一體化反應(yīng)器用于凈化淡水養(yǎng)殖污水，該裝備單獨(dú)放置于養(yǎng)殖池體中，COD去除率達(dá)到40％～70％，池體更換水周期延長(zhǎng)到90天；生態(tài)碳纖維新型A2/O一體化反應(yīng)器用于凈化生活污水，該裝置單獨(dú)處理生活污水，COD去除率達(dá)到50％～80％；UASB＋生態(tài)碳纖維接觸氧化集成反應(yīng)器用于凈化印染廢水，印染廢水成分復(fù)雜，可生化性差，可使用UASB＋生態(tài)碳纖維接觸氧化技術(shù)工藝進(jìn)行污水凈化，可達(dá)到針織染整行業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
三、新型生態(tài)碳素纖維污水處理關(guān)鍵技術(shù)環(huán)保性能強(qiáng)。生態(tài)碳纖維＋膜組件一體化反應(yīng)器及工藝用于凈化淡水養(yǎng)殖污水，根據(jù)水質(zhì)情況可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池體水凈化，延長(zhǎng)污水放排周期，也可實(shí)現(xiàn)總排放污水凈化，達(dá)到中水回用效果，改善養(yǎng)殖行業(yè)用水多、用水成本高、污水回用極少的現(xiàn)狀；UASB＋生態(tài)碳纖維接觸氧化組合反應(yīng)器及工藝用于凈化印染污水，根據(jù)水質(zhì)情況實(shí)現(xiàn)印染行業(yè)一級(jí)出水，達(dá)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(huán)利用率低等問(wèn)題；生態(tài)碳纖維新型A2/O一體化反應(yīng)器及工藝用于凈化生活污水，根據(jù)水質(zhì)情況，可實(shí)現(xiàn)中水回用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
四、新型生態(tài)碳素纖維污水處理關(guān)鍵技術(shù)及其裝備工程效益顯著。根據(jù)鴻羽水產(chǎn)養(yǎng)殖用水現(xiàn)狀和生態(tài)碳纖維凈化水質(zhì)效果，該場(chǎng)年用水為200萬(wàn)噸，每20天換水，工程投資為590萬(wàn)元，利用生態(tài)碳纖維實(shí)現(xiàn)每年可節(jié)省156萬(wàn)噸水，投入成本一年內(nèi)即可收回。五年內(nèi)可節(jié)省2518萬(wàn)元。通過(guò)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水利用處理工程，五年內(nèi)可節(jié)省1890萬(wàn)元。根據(jù)“引新濟(jì)太”工程(15萬(wàn)m3/天)實(shí)施方案和新型生態(tài)碳纖維使用效果，該工程利用新型生態(tài)碳纖維凈化河水水體可實(shí)現(xiàn)每年凈化污水3150萬(wàn)m3，工程投資為82.5萬(wàn)～165萬(wàn)元。浙江金時(shí)針織印染廠(chǎng)污水排放量5000t/d，生態(tài)碳纖維廢水處理工程投資約為600多萬(wàn)元，比傳統(tǒng)工藝可節(jié)省600萬(wàn)～700萬(wàn)元的資金。
五、新型生態(tài)碳素纖維污水處理關(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)養(yǎng)殖池體凈化、淡水養(yǎng)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(shí)也可以推廣到化工廠(chǎng)污水處理等領(lǐng)域。這項(xiàng)新型生態(tài)碳素纖維污水處理關(guān)鍵技術(shù)及其裝備將為我國(guó)污水資源化提供技術(shù)支持。（郭薇）
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