納米活性炭纖維景觀水處理技術分析與應用

劉海燕

摘 要： 納米活性炭纖維（Nano-activated carbon fiber）是一種性能優異的環保功能生態材料，它能有效降解、轉化和吸附各種有機物質，具有耐腐蝕、比表面積大、吸附能力強等特點，能為硝化、反硝化細菌和藻類生長創造非常適宜的條件，可廣泛應用于城市景觀水處理中。

關鍵詞： 納米活性炭纖維 生物膜 降解 景觀水處理技術

近年來城市化發展越來越快，人們對周圍生活環境的要求不斷提高，居民小區內出現了大量的各式各樣的景觀水體，城區及公園內也建造了綠地用來美化環境。但是，當這些景觀水體運行一段時間后，都出現了不同程度的污染，受污染的原因來自不同程度的點源、面源污染及管理維護不足等多方面，景觀水體富營養化趨勢嚴重，影響了景觀效果，給人們的日常生活帶來了不便。

1.納米活性炭纖維微觀結構

普通活性炭纖維結構的大小僅為人類頭發的十分之一，性脆不可編織。而納米活性炭纖維可以達到50～200nm，它具有顯著的向異性、柔軟性，可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。用高倍電子掃描鏡觀察納米碳管的形貌（如圖1.1所示），可以看出，納米活性炭纖維表面微觀結構的刻蝕變化較普通活性炭纖維明顯，有更加清晰的溝槽結構，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構使它具有很大的比表面積，而高達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等的生長、繁殖提供巨大的生物附著表面，為硝化、反硝化細菌等各種有益藻類生長創造非常適宜的條件。

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

纖維微觀結構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分子；外表面積比粒狀活性炭大1～2個數量級。

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光的照射下吸收紫外線引起自身振動發出次超聲波，超次聲波使各種細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菌大量繁殖提供載體，逐漸形成生物反應膜。

生物膜是使細菌和菌類一類的微生物和原生動物、后生動物一類的微型動物附著在濾料或某些載體上生長繁育，在其上形成的膜狀生物污泥。污水與生物膜接觸，污水中的有機污染物，作為營養物質，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。生物膜成熟的標志是：生物膜沿水流方向的分布，在其上由細菌及各種微生物組成的生態系及其對有機物的降解功能都達到了平衡和穩定的狀態。

2.2納米活性炭纖維生物膜中幾個重要參數分析

2.2.1生物膜的比增長速率

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

μ=（dX/dt）/X （2-1）

式中X-微生物濃度，[質量][體積]■

μ-微生物比增長速率，[時間]■

生物膜比增長速率主要分為兩類：一是動力學增長階段的比增長速率，即為生物膜最大比增長速率，二是整個生物膜過程的平均比增長速率。

（1）生物膜最大比增長速率（μ■）

生物膜在動力學增長期遵循以下規律：

■=μ■M■

積分后得lnM■=μt+C

（2）生物膜平均比增長速率■

生物膜平均比增長速率計算公式為：

■=■ （2-2）

式中M■——生物膜穩態時對應生物膜量，[質量][面積]■

M■——初始生物膜量，[質量][面積]■

生物膜平均比增長速率反映了生物膜表觀增長特性。由于生物膜成長過程中伴隨著非活性物質的積累，從嚴格意義上說并不能真實反映生物膜群體的增長特性。

2.2.2底物比去除速率（q■）

q■=■ （2-3）

式中q■——底物比去除速率，[時間]■

Q——進水流量，[體積][時間]■

S■——進水底物濃度，[質量][體積]■

S——出水底物濃度，[質量][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，生物膜生化反應越高。

2.3納米活性炭纖維生物膜中的微生物及作用

有機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。主要微生物包括細菌、真菌、放線菌和原生動物等，氨氧化細菌將水中的氮有機物轉化為無機氮化合物，可被微生物利用，然后經過亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌將氮去除；真菌具有強大的酶系統，能促進纖維素、木質素、果膠等的分解，將蛋白質最終分解放出氨；放線菌在分解含氮和不含氮的有機化合物中起著重要作用，同時能分解氨基酸等蛋白物質，也能形成抗生物質維持系統中生物群落的動態平衡；原生動物通過攝食微生物和碎屑起到調節微生物群落的動態平衡和清潔水體的作用。系統內污染物的去除與微生物之間有明顯的相關性：污水中的BOD和COD的去除率與微生物的數目都有較明顯的正相關性；污水中的氨氮的去除率與根區的硝化細菌和反硝化細菌數量的正相關性顯著；而磷的去除率則與磷細菌數目呈正相關。

3.納米活性炭纖維在城市景觀水處理中的應用

在日本，利用納米活性炭纖維技術，成功地處理了榛名湖，挽救了面臨滅絕的當地獨有的公魚及當地的傳統旅游業。在國內，蘇州市滄浪區桂花新村水體生態處理工程，是對納米活性炭纖維應用的典型案例，蘇州水系是在太湖平原的成功開發過程中，由天然湖泊、河道和人工開挖河道組合而成。全市河道縱橫，湖泊眾多，約400多個，河湖串通，水系成網，境內各級河道多達2萬多條。河道彎曲淤淺、水體流動性差，水環境污染嚴重。采用納米活性炭纖維處理后，水體異味得到較大改善，水體呈現健康水體的體態特征，水面無藍藻產生，且水質清澈。各污染物的去除效果明顯。