東湖-碳纖維生態(tài)修復水體富營養(yǎng)化機理研究(共10頁)

1、碳纖維控制(kngzh)河湖富營養(yǎng)化(f yn yn hu)水體和原位生態(tài)修復(xif)機理研究（李蘭，武漢大學，430072）摘要：利用水生植物修復富營養(yǎng)化水體是當前湖泊富營養(yǎng)化控制的研究熱點，但是，在眾多時間中人們發(fā)現(xiàn)人工種植的水草在富營養(yǎng)化水體不易存活，水生植物修復富營養(yǎng)化水體的功能也十分有限，修復功能高的水生植被如水葫蘆、浮游植物等會大量覆蓋水面，阻止光照、氧氣進入水桶，導致生態(tài)系統(tǒng)受損嚴重，所以需要借助人工水草高吸附材料快速改善光照、氧氣、水質(zhì)等環(huán)境條件，促進微生物繁殖，沉水植物原位修復，恢復生態(tài)系統(tǒng)多樣化，促進水體生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。作者在東湖示范工程和碳纖維凈水產(chǎn)品機理研究實驗中，

2、利用碳纖維凈化產(chǎn)品驗證高吸附材料-碳纖維凈水產(chǎn)品技術是控制湖泊富營養(yǎng)化和原位修復生態(tài)系統(tǒng)的強有力工具。 關鍵詞：碳纖維，原位修復，生態(tài)系統(tǒng)，湖泊富營養(yǎng)化概述全國江河、湖泊、水庫、水源地等水體都有不同程度的污染，湖泊的污染狀況尤為顯著。據(jù)統(tǒng)計全國超過80%以上的湖泊出現(xiàn)中度以上富營養(yǎng)化污染，并且很多湖泊正趨向于向水體富營養(yǎng)化發(fā)展，發(fā)展態(tài)勢令人擔憂。湖泊水體富營養(yǎng)化是我國面臨的主要水環(huán)境問題，嚴重制約了社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)型社會建設，因此治理湖泊富營養(yǎng)化已經(jīng)刻不容緩。河湖富營養(yǎng)化控制是世界性難題。國內(nèi)外治理富營養(yǎng)化的主要措施有：底泥清淤、引江濟湖工程、生態(tài)河岸工程、人工水草、前置庫、庫區(qū)生態(tài)緩沖帶建

3、設、水生植被恢復、植物浮島、生物操縱、水庫深層曝氣和上下層水體混合交換等技術措施。很多湖泊富營養(yǎng)化治理示范工程都需要將上述多種技術組合才能夠看到治理效果。尋求一種無能耗的簡單措施就能夠徹底控制湖泊富營養(yǎng)化，恢復本土生態(tài)系統(tǒng)，在治理水污染的同時固碳，實現(xiàn)廢水資源的循環(huán)利用，減少污水治理和溫室氣體減排壓力，保持社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展是迫切需要的新技術新理念，在未來我國“生態(tài)文明”和“綠色中國”建設期間應對全球變化、緩解能源危機和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。碳纖維凈水產(chǎn)品該技術(jsh)由日本(r bn)科學家小島昭教授(jioshu)發(fā)明，應用于河湖水處理達十余年，是目前世界領先的自然生態(tài)性水處理技術

4、產(chǎn)品。碳纖維生態(tài)草由90以上碳元素組成，被國際上譽為“黃金材料”，具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等特點，可持續(xù)凈化水質(zhì)51年，因極高的比表面積可吸附、分解水中污物，促使微生物生長，形成具有生產(chǎn)者、消費者、分解者的完整生物鏈，達到自然凈化水質(zhì)和保護生物多樣性的目的，對油類、有機污染、氮磷、細菌、有毒物、鹽類、色、金屬離子都有很好的去除和凈化效果，可有效控制河湖水污染。日本科學家小島昭教授發(fā)明的碳纖維生態(tài)基凈化水質(zhì)技術，是目前世界領先的自然生態(tài)保育水處理技術產(chǎn)品。碳纖維由90以上碳元素組成，可持續(xù)凈化水質(zhì)51年，其極高的比表面積是植物的20倍。對油類、有機污染、氮磷、細菌、有毒物、鹽類、色、金屬離子都

5、有很好的去除和凈化效果，本技術對上述污染物處理效率高，去污速度快，可有效控制河湖水污染。并能夠促使微生物生長，形成具有生產(chǎn)者、消費者、分解者的完整生物鏈，達到自然凈化水質(zhì)和保護生物多樣性的目的。碳纖維凈水機理：碳素纖維生物膜/活性污泥團-藻場-水生植物共存系統(tǒng)的形成使得試驗區(qū)水體一年四季都有很強的凈化功能。碳纖維在水體迅速散開，放進去1小時很快形成微生物膜，3天后微生物膜穩(wěn)定，半月形成穩(wěn)定的活性污泥團。一個月后很快形成大規(guī)模經(jīng)濟藻場。首先形成碳素纖維生物膜/活性污泥團-藻場共生系統(tǒng)，共同凈化水質(zhì)。半年后沉水植物自我修復，形成碳素纖維生物膜/活性污泥團-藻場-水生植物共存系統(tǒng)共同凈化水質(zhì)。（1）

6、粘合在碳纖維上微生物群的特點微生物粘合速度快，粘合量多。粘合微生物不易剝離，同時活性度高。在粘合在纖維的微生物群內(nèi)部，厭氣微生物群與需氧微生物群一起在比較分散的狀態(tài)下存在。粘合在碳纖維束的體積大的微生物群，在水的流動中進行某種泵運動，在與碳纖維束一起搖動的同時，使物質(zhì)產(chǎn)生移 動，促進污濁物質(zhì)的分解。需碳細菌加快初期粘合，依靠碳發(fā)出的聲波的微生物增殖作用依靠與微生物群的共存，擴大影響范圍。（2）碳素纖維凈化水質(zhì)的優(yōu)點1）利用微生物的活性提高了分解處理的速度，形成本土碳纖維-微生物膜/活性污泥團-著生藻藻場-沉水植物共生系統(tǒng)，無需外加微生物、藻種和植物種植，凈化效率高效快速，一年四季都有凈化效果；

7、2）無需(wx)清除底泥，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定(wndng)，水處理后污泥發(fā)生量少；3）去氮除磷效果(xiogu)好；4）易于吸附懸浮物；5）河、湖、庫、景觀等水體無需充氧裝置，無能耗，費用低；6）自我修復生態(tài)系統(tǒng)，促進生態(tài)系統(tǒng)多樣性；7）具有固碳作用；8）利用廢水資源培育經(jīng)濟藻場，實現(xiàn)水資源循環(huán)利用；9）設置費低廉，維持管理方便，不需要運行成本（3）應用領域環(huán)境水（河流、湖沼、池水、海水）城市污水（污水處理廠、糞便凈化槽、高級處理槽、分散污水處理系統(tǒng)）工廠廢水（食品、釀酒、化學、重金屬、電鍍廢水、造紙廢水、印染廢水等）農(nóng)業(yè)廢水（與分散污水處理系統(tǒng)或濕地結合使用效果顯著）畜產(chǎn)有機廢水（糞尿、擠奶）生活

8、排水、廚房排水水產(chǎn)養(yǎng)殖（綠色水產(chǎn)養(yǎng)殖，減少肥料使用）養(yǎng)魚缸（使用后不用換水）碳纖維生態(tài)凈水產(chǎn)品富營養(yǎng)化控制示范工程與效果評價在水利部948項目日本碳纖維生態(tài)草河湖直接凈化技術的引進及研發(fā)（項目編號：201112）資助下，由武漢大學李蘭教授為項目負責人，武漢大學、武漢市水務局、武漢環(huán)天禹生物環(huán)?？萍加邢薰荆ㄔ錆h環(huán)天禹信息工程有限公司）聯(lián)合組成項目課題組，課題組引進了日本蘇恩株式會社生產(chǎn)的碳素纖維凈水產(chǎn)品及設備（由日本小島昭教授介紹的公司）。在日本技術專家的指導下，課題組相關人員學習、吸收產(chǎn)品特性、構造、組裝和施工技術，建設了東湖碳纖維凈化湖水示范工程一，2011年9月在武漢大學工學部北門東湖

9、主湖建設了1800m2的日本產(chǎn)品示范區(qū)一。課題組通過引進、消化、吸收、創(chuàng)新等自主研發(fā)了國產(chǎn)化碳素纖維凈水產(chǎn)品，產(chǎn)品價格減半，突破了碳素纖維凈化水質(zhì)的瓶頸問題，于2011年11月下旬在東湖主湖建立了1000 m2的國產(chǎn)化示范區(qū)二。圖1 東湖(dn h)日本(r bn)碳纖維富營養(yǎng)化(f yn yn hu)控制示范區(qū)1（試驗場一）圖2 東湖國產(chǎn)化碳纖維富營養(yǎng)化控制示范區(qū)2（試驗場二）根據(jù)水體污染嚴重程度和保護目標差異，有不同的碳素纖維凈水產(chǎn)品種類和布置方式和施工技術，本項目引進了日本碳纖維十余個品種共77套，并在日本蘇恩公司董事長和技術員的親自指導下進行了實驗區(qū)一探索纖維凈水產(chǎn)品布設設計和施工技術

10、。引進日方產(chǎn)品包括MiraCarbon的型、I型、縱鏈接型、S(1連)型、W(2連)型、T(3連)型、 floats型、konbu型、frame SK1-12型、frame WK1-24型等產(chǎn)品結構。安裝組合方式可歸納分為三類，包括：1）懸掛式；2）框架式；3）上浮式。這些產(chǎn)品的科學布設技術為我們國產(chǎn)化研究提供了很好的借鑒作用。本課題組國產(chǎn)化ACF凈水產(chǎn)品也包含了上述懸掛式、框架式、上浮式三種類型，可根據(jù)不同需求提供多種相關產(chǎn)品。碳素纖維凈水技術的先進性主要體現(xiàn)在不僅能夠吸附、去除、生物降解各類污染物質(zhì)，還能夠筑造完整生態(tài)鏈，恢復生態(tài)多樣性，是目前最先進的最有發(fā)展前景的環(huán)境保護和生態(tài)保育的產(chǎn)品

11、。在同類技術上它的先進性體現(xiàn)在高生物附著比表面積優(yōu)于其它填料；活性碳纖維高效吸附性能和生物膜結構去除有機污染和氮磷，控制湖泊富營養(yǎng)化；碳纖維凈水產(chǎn)品基于聲波效應特性與材料特性基礎上的生物親和性，提供水生生物良好的著生、附著或穴居條件；形成透明度高的清水生態(tài)環(huán)境的優(yōu)勢，有利于高產(chǎn)油高蛋白藻類和沉水植物的自我恢復。示范(shfn)一：東湖(dn h)本課題組對兩個(lin )示范區(qū)開展了一年多的水文、水質(zhì)、微生物、剛毛藻和水生植物的系統(tǒng)監(jiān)測與分析。水質(zhì)指標的選擇與測定監(jiān)測指標包括:水深、水溫、DO、鹽度、PH、BOD5、CODMn、CODCr、TN、TP、氨氮等：本項目自實施以來，多次委托湖北省水

12、環(huán)境監(jiān)測中心武漢分中心進行BOD5、CODMn、TN、TP水質(zhì)監(jiān)測，多次監(jiān)測結果表明，水體水質(zhì)得到顯著改善。同時，還委托湖北省環(huán)境監(jiān)測總站對BOD5、TN、TP等水質(zhì)指標進行采樣監(jiān)測。課題組分別采用美國哈希（HACH）公司生產(chǎn)型號為DR2800便攜式分光光度計進行CODMn、TN、TP測定；水深采用測桿測得；采用美國型號為Professional PlusYSI便攜式水質(zhì)測試儀進行其余水質(zhì)指標的測定。微生物相結構觀察采用日本數(shù)字顯微鏡（USB Microscope Dino-Lite Basic），對應OS Windows XP / Vista / 7 ，Mac OSX 10.4 ，分辨率VG

13、A（640480）、30 萬像素，倍率約10 230 倍。兩個示范工程布置后僅4天就將試驗區(qū)水質(zhì)從劣類提升到IV類的水功能保護目標，抗負荷沖擊性能好；1個月后示范區(qū)水體透明度顯著提高，濁度變小，大批剛毛藻藻場形成，補充水體溶解氧，使得水體進一步變清，水質(zhì)從IV類上升為類，同時還有固碳作用。經(jīng)過5個月水質(zhì)凈化，各類水質(zhì)指標TN、TP、BOD5、CODMn、氨氮都能夠達到類以上水質(zhì)，透明度達到2米左右。2012年上半年，試驗區(qū)逐步自我修復沉水植被，形成水下森林；DO通過剛毛藻、7種沉水植物的復氧效果十分良好，不需要充氧機和攪拌機，無耗能，投入少，運行管理簡單。自我修復的剛毛藻和沉水植物具有凈化水質(zhì)

14、、凈化底泥和固碳作用，剛毛藻綜合利用價值高。2012年8月份，武漢東湖水域大規(guī)模藍藻暴發(fā)時，東湖主湖郭鄭湖和試驗場旁邊的植物凈水試驗區(qū)藍藻劇增，而本示范工程的兩個試驗場水質(zhì)清澈見底，沒有發(fā)現(xiàn)藍藻增殖現(xiàn)象，說明本試驗場已經(jīng)有效控制了藍藻水華。試驗場實現(xiàn)本土微生物群落、大規(guī)模剛毛藻藻場和種沉水植物群落的自我修復，生態(tài)系統(tǒng)與東湖主湖顯著不同，實現(xiàn)了完整的食物鏈，促進了生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。試驗場僅靠碳纖維材料投入就形成了碳素纖維-微生物膜/活性污泥團-藻場-水生植物共生系統(tǒng)聯(lián)合凈化水質(zhì)，一年四季都有凈水功能，同時可以固碳，剛毛藻和水生植物的綜合利用經(jīng)濟價值，碳纖維的高比表面積和水肥利用的緩釋功能，說明碳

15、纖維凈水技術比目前的其它水質(zhì)凈化技術優(yōu)越，為水肥資源的循環(huán)利用和徹底解決湖泊富營養(yǎng)化問題提供了參考。 圖3 武漢東湖官橋(un qio)子湖藍藻暴發(fā)現(xiàn)場照片 圖4 武漢東湖(dn h)碳纖維試驗場二苦草照片（2012年8月23日） （2012年8月23日）示范(shfn)二：青菱河陳家山閘排污溝白沙洲水廠上游3公里和4公里處分別有湯遜湖泵站和陳家山閘。武漢市環(huán)保局報告顯示：上游青菱河陳家山閘的污水排放，影響下游白沙洲水廠取水口源水質(zhì)量，最終導致武昌局部地區(qū)自來水有異味。雖然在處理過程中不得不在國家規(guī)定的安全值內(nèi)，加大了氯的投放量，同時縮短沉淀池內(nèi)的排泥周期，由之前一天1次變?yōu)橐惶?次。但是出廠

16、水游離余氯無法檢出，并有輕微異味，嗅覺及味覺指標無法達到生活飲用水衛(wèi)生標準的相關要求。據(jù)白沙洲水廠介紹，目前水源水的污染負荷已超出了水廠的凈化能力，消毒工序無法正常控制。陳家山排污主要氨氮、揮發(fā)酚、鐵等污染物超標，水質(zhì)有異味，該渠道涉及武昌、洪山和東新區(qū)約150萬人的飲用水安全問題。2011年8月底，根據(jù)武漢市水務局需求，本課題組在陳家山閘出口附近青菱河渠尾布設600m3水體的小型示范工程，經(jīng)武漢市排灌站檢測分析，青菱河渠尾示范區(qū)34天氨氮去除率高達94.12%，TN去除率為47.19%，COD去除率為27.76%。，大水漫灌試驗區(qū)時TP比試驗區(qū)外減少60.19%。本實驗說明在排污渠布設碳纖維

17、凈水產(chǎn)品，可以有效快速降低氨氮和多種污染物，能夠保障排水閘下游白沙洲水廠取水安全。示范三：香港新世界佛山高爾夫球場景觀湖2013年4月，我們自產(chǎn)碳纖維凈水產(chǎn)品在香港新世界佛山高爾夫球場景觀湖400m2湖泊使用，由香港新世界佛山地產(chǎn)公司委托佛山一家水質(zhì)檢測公司檢測水質(zhì)，檢測結果表明：碳纖維投入4天時間，有機物、營養(yǎng)物、感官等多項指標完全達到景觀回用水標準，水質(zhì)從劣V類提升到III類水質(zhì)。碳纖維生態(tài)(shngti)凈水產(chǎn)品原位修復(xif)的生態(tài)系統(tǒng)(shn ti x tn)水生植物主要包括三大類：水生維管束植物，水生蘚類和高等藻類。在水體修復中應用比較廣泛的是水生維管束植物，它具有發(fā)達的根系組織

18、，植物個體比較高大，按生活型可分為浮葉、挺水、沉水和漂浮4種類型1。不同生活型的水生植物改善水質(zhì)的機理與作用有一定差異，水生植物是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對維護水域生態(tài)系統(tǒng)結構的完整性、穩(wěn)定性有決定性作用，水生植物通過吸附水體中的顆粒、懸浮物質(zhì)，提高了水體透明度，增加水體溶解氧，同時向水體釋放化感物質(zhì)，抑制浮游植物的生長，植物生長成熟后，打撈植物或者以產(chǎn)品的形式把N、P帶出水體，水體中的水生植被覆蓋面積越大、種類越多、量越大從而促進生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。隨著人類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)影響的加劇，湖泊富營養(yǎng)化頻頻暴發(fā)，湖泊大型水生植物逐漸減少，甚至消失，一些湖泊中的珍貴沉水植物幾乎滅絕，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的

19、生物多樣性和穩(wěn)定性受到嚴重威脅。根據(jù)近幾十年東湖水生植被群落生長趨勢來看，水生植被種類大大減少，植被多樣性指數(shù)明顯下降，尤其是在夏季，溫度升高，水體中大量的營養(yǎng)鹽會誘發(fā)藍綠藻的大量繁殖、暴發(fā)，與水生植被形成競爭，水體溶解氧降低，透明度下降，導致大量的水生植衰退消失。武漢東湖長期處于 = 5 * ROMAN V類水與劣 = 5 * ROMAN V類水之間，水體污染嚴重，很多水生植被對水質(zhì)環(huán)境有一定的要求，據(jù)統(tǒng)計，東湖某些水體污染較為嚴重的區(qū)域基本沒有水草，如2003年前后水果湖、郭鄭湖、廟湖幾乎沒有水生維管束植物，特別是近50年以來，很多物種已經(jīng)消失，東湖水生植物群叢種類越來越少，結構越來越趨向

20、于單一化，許多植物種群分布面積逐漸縮小，甚至已經(jīng)消失，東湖水生植被種類和數(shù)量的減退、消亡與水體富營養(yǎng)化、人類活動有著必然的關系，恢復東湖當前的生態(tài)系統(tǒng)刻不容緩2。因此，控制湖泊水體富營養(yǎng)化，抑制水華藻類的生長、繁殖迫在眉睫，水生植被的修復/重建被認為是改善湖泊水質(zhì)和湖泊生態(tài)恢復的重要手段，是近年來水體修復生態(tài)技術研究的熱點之一39。水生植被的重建、恢復，不同于上述水生植被的組建，它是指湖泊原有已被破壞的植被的重新恢復，但在水生植被的修復中，沉水植物的重建和修復較挺水、浮水和浮葉植物困難。因此，沉水植物的重建和修復應作為湖泊治理和生態(tài)修復的關鍵技術進行研究3。只有沉水植物的恢復才能實現(xiàn)全湖性的湖

21、泊生態(tài)系統(tǒng)的修復，達到湖泊水質(zhì)改善的目標。以往通過各種技術恢復成功的水生植物也主要是挺水植物、漂浮植物及浮葉植物，由于這些植物只能在淺水水域或濱岸水域生長，無法擴展到湖中心水域，因此，迄今為止，尚未有全湖性的水生植物恢復成功，特別是沉水植物恢復成功的先例4。因此，沉水植物的重建和修復應作為湖泊治理和生態(tài)修復的關鍵技術進行研究5。本研究采用碳纖維凈水技術，在短時間內(nèi)不僅使實驗(shyn)區(qū)內(nèi)的水質(zhì)從劣 = 5 * ROMAN V類水上升(shngshng) = 2 * ROMAN II類水，水體清澈見底，水體透明度顯著(xinzh)增加，最高可達2.0米。而且沒有種植任何水生植被的情況下，重建了

22、七種水生植被，示范區(qū)內(nèi)水體水質(zhì)與東湖相比，實驗區(qū)內(nèi)的水質(zhì)顯著改善，試驗場內(nèi)各種營養(yǎng)鹽含量、有機物顯著降低，實現(xiàn)了水體從“濁水態(tài)”向“清水態(tài)”的快速轉換，形成了碳纖維-微生物-剛毛藻-水生植物-水生動物的共生生態(tài)系統(tǒng)（見圖5、圖6、圖7）。這種共生生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同碳纖維凈水產(chǎn)品共同進一步改善水質(zhì)，是本示范工程在半年內(nèi)提升水質(zhì)4級的主要原因。圖5 碳纖維-動態(tài)生物膜-活性污泥團-剛毛藻藻場圖6 試驗場一碳纖維-微生物-剛毛藻-沉水植物共生系統(tǒng)照片圖7 示范區(qū)二碳纖維-微生物-剛毛(gngmo)藻-沉水植物共生(gngshng)系統(tǒng)照片(zhopin)結論目前主要的治理措施是控源、截污、生態(tài)修復等。集中的點源可以通過污水處理廠和配套管網(wǎng)系統(tǒng)比較容易得到控制，分散的生活污水、禽畜污水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水則不易收集治理，成為水污染治理難題。碳纖維凈水產(chǎn)品是一種高吸附性能材料，具有生物親和性，在治理水污染中可以作為一種填料與現(xiàn)有水處理系統(tǒng)結合使用，可以快速提標。對于湖泊治理而言，碳纖維凈水產(chǎn)品不僅可以控制輸入源強，還能夠制成底泥控制型產(chǎn)品控制湖泊內(nèi)源，吸附的營養(yǎng)物通過緩釋作用提供水生植物營養(yǎng)。通過作者幾年的研究與實踐，證明好的人工水草措施是通過改善水體光照、氧氣、水質(zhì)等環(huán)境條件，促進微生物、沉水植物的