納米活性炭纖維景觀(guān)水處理技術(shù)分析與應(yīng)用

劉海燕

摘 要： 納米活性炭纖維（Nano-activated carbon fiber）是一種性能優(yōu)異的環(huán)保功能生態(tài)材料，它能有效降解、轉(zhuǎn)化和吸附各種有機(jī)物質(zhì)，具有耐腐蝕、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能為硝化、反硝化細(xì)菌和藻類(lèi)生長(zhǎng)創(chuàng)造非常適宜的條件，可廣泛應(yīng)用于城市景觀(guān)水處理中。

關(guān)鍵詞： 納米活性炭纖維 生物膜 降解 景觀(guān)水處理技術(shù)

近年來(lái)城市化發(fā)展越來(lái)越快，人們對(duì)周?chē)瞽h(huán)境的要求不斷提高，居民小區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了大量的各式各樣的景觀(guān)水體，城區(qū)及公園內(nèi)也建造了綠地用來(lái)美化環(huán)境。但是，當(dāng)這些景觀(guān)水體運(yùn)行一段時(shí)間后，都出現(xiàn)了不同程度的污染，受污染的原因來(lái)自不同程度的點(diǎn)源、面源污染及管理維護(hù)不足等多方面，景觀(guān)水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)嚴(yán)重，影響了景觀(guān)效果，給人們的日常生活帶來(lái)了不便。

1.納米活性炭纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)

普通活性炭纖維結(jié)構(gòu)的大小僅為人類(lèi)頭發(fā)的十分之一，性脆不可編織。而納米活性炭纖維可以達(dá)到50～200nm，它具有顯著的向異性、柔軟性，可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。用高倍電子掃描鏡觀(guān)察納米碳管的形貌（如圖1.1所示），可以看出，納米活性炭纖維表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)的刻蝕變化較普通活性炭纖維明顯，有更加清晰的溝槽結(jié)構(gòu)，大大增加了表面的粗糙度。

納米活性炭纖維這種特殊的孔狀結(jié)構(gòu)使它具有很大的比表面積，而高達(dá)500～1700m■/g的比表面不僅使它具有普通活性碳的吸附功能，而且能為水中微生物和有益藻類(lèi)等的生長(zhǎng)、繁殖提供巨大的生物附著表面，為硝化、反硝化細(xì)菌等各種有益藻類(lèi)生長(zhǎng)創(chuàng)造非常適宜的條件。

a普通活性炭纖維 b普通活性炭纖維

1000倍SEM圖 5000倍SEM圖

c納米活性炭纖維 d納米活性炭纖維

1000倍SEM圖 5000倍SEM圖

圖1.1 普通活性炭纖維和納米活性炭

纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)SEM圖片

納米活性炭纖維有很大的比表面積，在纖維表面上，可以直接接觸吸附質(zhì)分子；外表面積比粒狀活性炭大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.納米活性炭纖維在水處理中的基本原理

2.1納米活性炭纖維生物膜的形成及作用

放入水體中的納米活性炭纖維在陽(yáng)光的照射下吸收紫外線(xiàn)引起自身振動(dòng)發(fā)出次超聲波，超次聲波使各種細(xì)菌逐漸吸附到碳纖維表面，而碳纖維超大的比表面為各種細(xì)菌大量繁殖提供載體，逐漸形成生物反應(yīng)膜。

生物膜是使細(xì)菌和菌類(lèi)一類(lèi)的微生物和原生動(dòng)物、后生動(dòng)物一類(lèi)的微型動(dòng)物附著在濾料或某些載體上生長(zhǎng)繁育，在其上形成的膜狀生物污泥。污水與生物膜接觸，污水中的有機(jī)污染物，作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為生物膜上的微生物所攝取，污水得到凈化，微生物自身也得到繁衍增殖。生物膜成熟的標(biāo)志是：生物膜沿水流方向的分布，在其上由細(xì)菌及各種微生物組成的生態(tài)系及其對(duì)有機(jī)物的降解功能都達(dá)到了平衡和穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2納米活性炭纖維生物膜中幾個(gè)重要參數(shù)分析

2.2.1生物膜的比增長(zhǎng)速率

微生物比增長(zhǎng)速率（μ）是描述生物膜增長(zhǎng)繁殖特別性的最常用參數(shù)之一，它反映微生物增長(zhǎng)的活性。微生物比增長(zhǎng)速率的定義為：

μ=（dX/dt）/X （2-1）

式中X-微生物濃度，[質(zhì)量][體積]■

μ-微生物比增長(zhǎng)速率，[時(shí)間]■

生物膜比增長(zhǎng)速率主要分為兩類(lèi)：一是動(dòng)力學(xué)增長(zhǎng)階段的比增長(zhǎng)速率，即為生物膜最大比增長(zhǎng)速率，二是整個(gè)生物膜過(guò)程的平均比增長(zhǎng)速率。

（1）生物膜最大比增長(zhǎng)速率（μ■）

生物膜在動(dòng)力學(xué)增長(zhǎng)期遵循以下規(guī)律：

■=μ■M■

積分后得lnM■=μt+C

（2）生物膜平均比增長(zhǎng)速率■

生物膜平均比增長(zhǎng)速率計(jì)算公式為：

■=■ （2-2）

式中M■——生物膜穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)生物膜量，[質(zhì)量][面積]■

M■——初始生物膜量，[質(zhì)量][面積]■

生物膜平均比增長(zhǎng)速率反映了生物膜表觀(guān)增長(zhǎng)特性。由于生物膜成長(zhǎng)過(guò)程中伴隨著非活性物質(zhì)的積累，從嚴(yán)格意義上說(shuō)并不能真實(shí)反映生物膜群體的增長(zhǎng)特性。

2.2.2底物比去除速率（q■）

q■=■ （2-3）

式中q■——底物比去除速率，[時(shí)間]■

Q——進(jìn)水流量，[體積][時(shí)間]■

S■——進(jìn)水底物濃度，[質(zhì)量][體積]■

S——出水底物濃度，[質(zhì)量][體積]■

A■——載體表面積，[面積]

底物比去除速率反映了生物膜群體的活性，底物的去除速率越高，生物膜生化反應(yīng)越高。

2.3納米活性炭纖維生物膜中的微生物及作用

有機(jī)物的降解主要是由納米活性炭纖維表面生物膜中的微生物完成。主要微生物包括細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌和原生動(dòng)物等，氨氧化細(xì)菌將水中的氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮化合物，可被微生物利用，然后經(jīng)過(guò)亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌將氮去除；真菌具有強(qiáng)大的酶系統(tǒng)，能促進(jìn)纖維素、木質(zhì)素、果膠等的分解，將蛋白質(zhì)最終分解放出氨；放線(xiàn)菌在分解含氮和不含氮的有機(jī)化合物中起著重要作用，同時(shí)能分解氨基酸等蛋白物質(zhì)，也能形成抗生物質(zhì)維持系統(tǒng)中生物群落的動(dòng)態(tài)平衡；原生動(dòng)物通過(guò)攝食微生物和碎屑起到調(diào)節(jié)微生物群落的動(dòng)態(tài)平衡和清潔水體的作用。系統(tǒng)內(nèi)污染物的去除與微生物之間有明顯的相關(guān)性：污水中的BOD和COD的去除率與微生物的數(shù)目都有較明顯的正相關(guān)性；污水中的氨氮的去除率與根區(qū)的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量的正相關(guān)性顯著；而磷的去除率則與磷細(xì)菌數(shù)目呈正相關(guān)。

3.納米活性炭纖維在城市景觀(guān)水處理中的應(yīng)用

在日本，利用納米活性炭纖維技術(shù)，成功地處理了榛名湖，挽救了面臨滅絕的當(dāng)?shù)鬲?dú)有的公魚(yú)及當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)旅游業(yè)。在國(guó)內(nèi)，蘇州市滄浪區(qū)桂花新村水體生態(tài)處理工程，是對(duì)納米活性炭纖維應(yīng)用的典型案例，蘇州水系是在太湖平原的成功開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由天然湖泊、河道和人工開(kāi)挖河道組合而成。全市河道縱橫，湖泊眾多，約400多個(gè)，河湖串通，水系成網(wǎng)，境內(nèi)各級(jí)河道多達(dá)2萬(wàn)多條。河道彎曲淤淺、水體流動(dòng)性差，水環(huán)境污染嚴(yán)重。采用納米活性炭纖維處理后，水體異味得到較大改善，水體呈現(xiàn)健康水體的體態(tài)特征，水面無(wú)藍(lán)藻產(chǎn)生，且水質(zhì)清澈。各污染物的去除效果明顯。