摘要：本文先讲述了碳素纤维草在小型封闭水体水质净化中使用的优势，并利用实验，讲解了碳素纤维草在水体中挂膜变化情况、DO质量浓度、CODMn质量浓度、TN质量浓度和TP质量浓度的变化情况，详细阐述了碳素纤维草在水质中净化的作用，如重金属的去除和回收、废水处理、净化生态等，旨在为技术人员工作提供参考。
关键词：碳素纤维草；小型封闭水体；水质净化
前言：我国经济发展和城市建设中，水资源问题凸显，城市中水体恶劣，变黑变臭情况严重，因为缺氧和富营养化等污染。可对城市中小型封闭水体中投入微生物。微生物强化净化技术有生物促生技术和生物膜技术等，其中的生物膜技术因为效果强、速度快等优点被广泛使用。碳素纤维草作为一种新使用的生物膜技术，在小型封闭水体水质净化中被运用。
一、碳素纤维草介绍
随着人们对生态环境的保护，开始重视封闭水体水质净化工作，对水体的净化，有物理方法、化学方法和生物方法等，在很多地区都使用多种形式组合的形式，如O3/AC水处理净化技术。活性炭处理技术运用广泛，成工业化形式，加上生物膜工艺的运用，在废水水质净化上，呈多方面的优点。现在对水质净化的研究，主要将物理吸附和生物膜融合，在自然界中找寻适合的生物载体，对水质的处理中，将合理使用微生物当做研究的重点，因为微生物在生长过程中，兼具吸附污染物和生物膜两者优势，并且接触的位置为生物填料。碳素纤维草就满足上述两点特点，作为一种优质的生物材料，具有一些其他物质不能比拟的特点，如机械强度高、吸附量大、和水体接触面积大、亲和性强等特点，在小型封闭水体中的净化方面，有很强的作用[1]。经过长时间的而研究，国内外学者对碳素纤维进行改良，在重金属和有机废水的处理上效果明显。例如，日本将碳素纤维当做一种生态草，利用构建人工藻场的形式，治理和修复水体，并已经取得了良好效果。
碳素纤维组成元素为碳，最早在上个世纪七十年代发展起来，因具有高效吸附作用，被用作工程材料中，现在在医学、环境保护和化工场分离中运用广泛，主要有脱色、除臭、废气废水处理等作用。因为碳素纤维内部结构和以往活性炭不同，其中微孔直径为0.5-2nm，微孔体积占整合物质的90%以上，表面积大。图1为碳素纤维草和GAC内部表面形态示意图，可观察到其中微孔结构中存在很大差异，这也是其吸附性相差巨大的原因。
图 1 碳素纤维结构（左）与GAC结构模型
碳素纤维草的微孔在纤维表面分布，并以为吸附物质运动路径短，因此吸附与脱附的路径较短。如果是活性炭，吸附物质则要经过大孔，再进入小孔，经过路径时间较长。相比之下，碳素纤维草的表面积可达到2000m2/g左右，而活性炭只有900m2/g左右，因此碳素纤维草的吸附性更强。
碳素纤维自身具有良好的特点，作为吸附材料，有很强的吸附性，并且自身亲和性强，在封闭水体水质净化中，是一种比较理想的生物载体，主要特征体现为：吸附面积大，容量高，碳素纤维草中微孔直接暴露在外，吸附性强；吸附速度快，碳素纤维草中组成为纤维丝状物质，包含大量微孔，可再生；生物相容性强，因此在水体中，可为藻类和何种微型动物生长提供生活条件，形成高强度的活性功能生物膜。
二、碳素纤维草在小型封闭水体水质净化作用的试验分析
（一）材料和方法
1.试验用水收集
本试验采用上海市奉贤区南桥新城中水系治理中净化项目为主，水质为：ρ（DO）=10.56mg/L，ρ（CODMn）=14.89mg/L，pH=9.20，ρ（TN）=0.83mg/L，水质温度29.3℃，ρ（TP）=0.07mg/L。
2.试验内容
将试验位置设置在奉贤区南桥新城附近的一处通风的阳光房中，最佳试验时间为七月初-八月末，时间总长四十天左右，为了便于观察，使用有机玻璃材质的容器作为试验装置，容积暂时设置在4-5升，在容器侧壁使用锡纸围绕一圈，构建一个天然水体的形态。挑选一个表面积为1900-2100m2/g的碳素纤维草，单根的大小为63×42cm，全部浸泡与容器水样中，保证每升水质中有3.5-4.5g碳素纤维，每天观察变化情况，并每5天测量一次水质中的物质含量，并利用显微镜观察生态草上侧挂膜的情况[2]。检测DO、ORP、T数值使用带有探头的哈希HQ40D检测仪；检测CODMn值使用酸性法；检测TN值使用过硫酸钾氧化紫外分光光度法等。
（二）结果与讨论
1.挂膜变化情况
试验开始前观察生态草的外观状况，并利用显微镜深入观察，会发现生态外侧光滑，并呈黑色条带状，记录观察时间和结构。在实验5天后，会发现碳素纤维草中部分位置有黏液状生物膜，上面有微生物开始生长。大约10天左右，生态草上几乎全部附着微生物。经检验，生态草表面产生的微生物膜中有多种动物，如钟虫、累枝虫、线虫和轮虫等。在试验后期出现轮虫，则代表水体处于寡污带，说明水质正逐渐转好。
2.DO变化情况
在一个月左右水质试验过程中，DO质量浓度一直发生变化，先是减少，然后逐渐增多，最终变稳定。经分析可知之前变小是因为水质在试验过程中，温度和光照强度等发生了变化，水样中藻类等微生物对新环境不适应，整体下降，DO质量浓度在第五天数值降到最低，达到劣V类水准。然后生态草表面逐渐产生生物膜。微生物逐渐适应新环境，光合作用和呼吸作用逐渐起到动态平衡，并在试验过程中，第30天以后就趋于稳定，达到水质的Ⅳ类标准。
图 2 DO质量浓度变化图
3.CODMn变化情况
经过40天的试验，对CODMn质量浓度变化进行记录，如图3，可知在试验前15天，CODMn质量浓度降低，究其原因是因为出现初期吸附去除的情况，碳素纤维草表面内部有很大吸附面积，在水中可对水中杂质进行吸附。经调查显示，疏水性碳素纤维草遇水散开，表面积又增加，最高达到2000m2/g，第15天以后，CODMn质量浓度升高，到第25天以后，CODMn质量浓度又降低，这和生物膜老化和更换有关。经研究表明，藻类在死亡后，在分解过程中会产生很臭味物质和腐殖酸类物质，并在适合的条件下，就会造成水体黑臭等危害。此时碳素纤维草的吞噬作用，就会大大减少水体中死亡物质的数量，借此可保持奉贤区南桥新城中水系统的平衡和健康。试验进行到第40天，对水体中CODMn去除率可达到70%，将其中水源从Ⅴ类升到Ⅲ类。
图 3 CODMn质量浓度变化图示
4.TN变化情况
图4为试验过程中水质中TN质量浓度变化的情况，在试验开始前5天，TN质量浓度呈上升的状态，第5天达到一定峰值，因为碳素纤维草的表面刚刚产生的生物膜，还未建立其“好氧+缺氧”的微环境，影响反硝化作用。第5天到10天TN质量浓度下降，碳素纤维草表面生物膜厚度增加，并在外侧产生消化反应，在内侧则产生反硝化反应，令TN质量浓度减少[3]。到达低15天以后，在吸附作用下，可用碳资源降低，发生两种反应的速度也减缓，TN质量浓度又呈上升趋势。在整个试验过程中，TN质量浓度可维持在Ⅲ类标准范围中，最终的去除率可达6%左右。
图 4 TN质量浓度变化图示
5.TP变化情况
图5是碳素纤维草对水质净化试验中TP质量浓度变化情况，在此期间TP质量浓度增加，受多种生物在其中影响的作用，被吸附的物质摆脱碳素纤维草，重新落入水中。另外，生物中除去磷以外，碳、氮和磷的含量比例有一定要求，但是试验水样的水质并不符合该比例。另外，试验中较高的DO质量浓度，可推进氨氮硝化，加上反硝化过程中，碳源消耗较大，聚磷菌的使用可降低碳源数量，减少除磷效果。经研究可知，为了提升生物的除磷质量，DO质量浓度在厌氧区小于0.2mg/L，在好氧区中浓度低于1.7mg/L。在全部试验过程中，TP质量浓度虽然很高，但是水质未低于Ⅳ类标准。
图 5 TP质量浓度变化图示
三、碳素纤维草在小型封闭水体水质净化作用探析
（一）重金属的去除和回收
碳素纤维草自身对金属离子有一定的吸附作用，并对表面官能团的数量和种类等进行控制，最终起到去除金属离子的目的，可以有效去除Cu2+、Pb2+和Ni2+物质，碳素纤维对物质的吸附作用，主要体现于自身和吸附物质的性质。所以，国内外科学界学者对重金属的吸附作出了较多研究。如利用硝酸和电化学等，氧化处理PAN基ACF，经过氧化后的碳素纤维吸附表面积降低，但是交换能力增强，特别是经过电化学处理后的碳素纤维，可从原先的3.5倍达到13倍。还可利用碳素纤维吸收氧化铁，加强对汞元素的吸收率。我国学者改变碳素纤维性质，就可加强对银元素的吸收，增加吸附量。在碳素纤维表层上有螯合集团，可利用两者的聚合反应，提升铜离子的吸附性，增强对二价铜离子的吸附，并采取阳极氧化电化学处理，吸引更多表面能团，如-OH和-COOH等，提升Cr元素的吸附量和速度。另外，Kyung RK则分别在双氧水和氢氧化钠溶液中的臭氧，通过氧化反应，处理碳素纤维，令其在反应后吸附量更大，并且在双氧水溶液中，氢氧化钠溶液要比酸性集团少。还可使用电化学方法，在氧化过程中加强对阳离子的续收，在氧化后，碳素纤维对铅离子的非竞争和竞争吸附量分别为未氧化的18倍和9倍之多；对铜离子的非竞争和竞争吸附量分别为未氧化的4倍和8倍之多。
（二）饮用水净化
碳素纤维草对水质有很强的澄清作用，并除去其中的臭味，如对氰和氟等化合物去除的概率高达90%以上，还能减少细菌的数量，如大肠杆菌，还对低浓度污染物去除效果好。法国学者详细掌握了碳素纤维草在水中对微量酚的吸附，和使用活性炭进行对照，得出在静态水中，活性碳素纤维草和活性炭相比，吸附性更加强，对氯气处理中的残留氯和水中微量有机物产生的有机氯化物二次污染物，都能利用碳素纤维草去除。还能使用碳素纤维草去除水中的癌物质和挥发性有机率溶剂[4]。我国学者在研究中发现，载银碳素纤维草除去金色葡萄球菌和大肠杆菌等，还将载银和载碘碳素纤维草对多种菌类100%消除，因为碳素纤维草可与细菌和微生物中蛋白质直接反应。基于此次，可以利用碳素纤维草在小型封闭水体水质中起到良好净化作用。
（三）废水处理
碳素纤维草是一种近期新兴的一种吸附性强的材料，吸附面积大，有很强的吸附性和可再生性，可以利用该性能直接吸收小型封闭水体水质中的污染物。碳素纤维草对水质中农药物质、炼油物质和生产中的废水等，起良好的去除效果。碳素纤维草对水中的多种污染物有去除作用，但是不同的碳素纤维草对污染物无处效果不同。肖月竹等学使用碳素纤维草处理生化性较低的油母页岩干馏废水，净化率可高达97%以上，蒸汽再生后，即可继续使用。碳素纤维草可运用于硝基苯和苯酚废水等处理形式，也有很强的吸附能力。另外碳素纤维草不但有吸附能力，还有一定氧化还原能力，可吸附水中重金属离子，并改变废水中金属离子结晶结构，所以在处理冶金废水时，就可回收其中价值高的贵金属，曾汉明使用碳素纤维草还原和吸附金属银。将活性炭纤维作成连续传送带和阴极原料，回收收集金属，如金的回收率可高达98%。
碳素纤维草作为净化水质的载体，在生态草表面固化和培育微生物，有吸附和生物降解双重能力，不需额外添加脱附作用，对水处理方面，有很好的前景。BACF是现在使用新型的水处理技术。胡中华学者在研究中，使用生物活性炭纤维，消除磷和锌，对磷的去除率达到68%；对锌去除率高达65%，其效果比活性炭效果好的多。对于微污染水质，对亚硝酸盐和氨氮的去除率可高达90%以上。
（四）生态修复
碳素纤维草具有吸附性、亲和性等特点，这些都是提升生态修复的主要特点，并且表面上的微生物有激活的作用，可吸引各种水生物在此构建生态卵床，优化生态环境，当前日本中的水库中，就利用碳素纤维草进行濒临水生物种的拯救和藻场养殖等工作，取得良好作用。碳素纤维通过电磁波、紫外线和外界能源的照射后，自身可发出超声波等微生物，增强其活性，加快繁殖，建立有面型的生物波，在小型封闭水体水质净化中起重要作用，提升水质透明度。并为高级水生物创建了良好的培育空间，令以微生物为食物的小鱼围绕在碳素纤维草周围。逐渐恢复生物链。日本中小岛学者对碳素纤维草在水体中的恢复生态环境，并在鱼类的养殖上作出大量研究，在封闭水体中的净化上成果明显，由此可知碳素纤维草是小型封闭水体净化的主要方法就是投入碳素纤维草[5]。在1999年，日本群马县榛名湖，就使用碳素纤维草来净化水质，一段时间后其中鱼类种类和数量明显增多，修复了湖中环境。
结论：综上所述，碳素纤维草在水中可在短时间形成生物膜，因其具有物种丰富亲和性强的特点。碳素纤维生态草可以提升封闭水体水质的浑浊度，并且除重金属、污染物的效果明显，对水质净化起良好净化效果，促进上海市奉贤区南桥新城中水系治理中净化项目的顺利完成。
参考文献：
[1]成豪.碳素纤维草对小型封闭水体水质净化作用[J].水资源保护，2019，35（01）：70-72.
[2]谭小川，肖婧，洪雅等.3种不同填料对城市黑臭水体的修复效果比较[J].环境科学与技术，2018，41（S1）：178-183.
[3]赵振方，王天阳，王志刚等.金华市小型封闭水体氮污染季节变化规律及其原因分析[J].绿色科技，2016（24）：32-35.
[4]区永杰.封闭景观水体水质控制措施设计要点思考[J].建材与装饰，2016（47）：78-79.
[5]周星莹，王天阳，王志刚等.金华市小型封闭水体氮污染特征[J].广东微量元素科学，2016，23（09）：23-28.
论文作者:韦敏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/8
标签：碳素论文; 纤维论文; 水体论文; 水质论文; 浓度论文; 生物论文; 质量论文; 《基层建设》2019年第18期论文;