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新型生态碳素纤维污水净化装备实现高效水处理

日期:2013年1月8日 13:19

北京化工大学环境科学与工程技术中心和浙江欣之球科技发展有限公司联合开展的“新型生态碳素纤维污水净化技术研发”项目,日前已通过专家鉴定。这一项目所研发的高强度生态碳纤维材料、生态碳纤维一体化反应器与水处理工艺技术,可广泛应用于印染废水、水产养殖水体和城镇污水处理厂出水的净化,并将产生良好的经济效益、社会效益和环境效益。 

“十二五”期间,国家强化污染物减排和治理,将主要污染物扩大至4项,即化学需氧量、氨氮、二氧化硫和氮氧化物。随着我国最严格水资源管理制度的推行,全国污水处理厂将严格执行排放标准从一级B提到一级A标准,包括化学需氧量(COD)、总磷、总氮和氨氮四大污染物。污水处理厂原有运行工艺和技术在更高的水质排放标准面前将面临巨大压力,开发后续处理工艺进行提标改造,采用高效、低成本工艺材料,降低运行成本将是全国污水处理厂共同关注的话题。全国城镇污水处理厂面临排放标准提标压力、纺织染整等重污染行业环境要求日益严格、淡水水产养殖业水体污染治理都对新技术需求非常迫切。在这一背景下,北京化工大学与浙江欣之球科技发展有限公司联合研制的“新型生态碳素纤维污水净化技术研发”项目为污水的高效处理提供了新型高效的净化材料和低成本的技术设备。

技术解析

据北京化工大学项目负责人介绍,这一项目所研发的关键技术是生态碳素纤维新材料,这项技术包括3个方面:

——以聚丙烯腈纤维为原料的高吸附活性碳纤维制备,这种高吸附活性碳纤维比表面积大于1000m2/g;

——高吸附活性碳纤维表面修饰,在过氧化氢溶液和氨水中分别处理碳纤维,制备出具有生物相容性的高吸附生物活性碳纤维;

——用高吸附的活性碳素纤维与超细纤维的复合制得生态碳纤维,这种生态碳纤维比表面积大、孔径分布合理、高吸附的活性碳素纤维具有极高的吸附性和生物亲和性,不仅通过自身的吸附作用净化水体,而且能吸引微生物菌群并使其在超细纤维表面形成粘着性活性生物膜。这些微生物以有机污染物为能量来源,通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。

他告诉记者,这一项目所研发的另一项关键技术是生态碳纤维+膜组件一体化反应器。这种反应器是将生态碳纤维作为填料的接触氧化池与膜生物反应器(MBR)结合处理废水的一体化反应器。进水先经过生态碳纤维材料的吸附和其表面生物净化作用之后进入MBR反应器中。活性碳纤维材料对COD的去除率在80%以上,氨氮去除率在60%以上。这种新型一体化反应器采用碳纤维这种高吸附能力的材料作为膜组件的预处理,大大减少了膜污染的问题。不仅利用自身的吸附能力净化水质,而且它表面所形成生物膜能在很大程度上去除COD、氨氮和总磷。

这种一体化反应器还包括:升流式厌氧污泥床(UASB)+生态碳纤维接触氧化组合反应器和生态碳纤维新型生物脱氮除磷(A2/O)一体化反应器。

UASB+生态碳纤维接触氧化组合反应器是集UASB厌氧消化与以生态纤维作为填料的生物接触氧化于一体的反应器。厌氧消化可去除污水中高浓度大分子有机物,将大分子有机物分解为无机物和小分子有机物,提高污水的可生化性,好氧生物处理,去除污水中绝大多数有机物。生态碳纤维材料对COD的去除率在80%以上,氨氮去除率在60%以上。

生态碳纤维新型A2/O一体化反应器将生态碳纤维作为好氧反应池填料集厌氧、兼性和好氧于一体的新型反应器。这种一体化反应器对COD和氨氮去除率高达80%和70%,此外,对磷也有很好的去除效果。

他告诉记者,新型生态纤维是用于净化受污染水域,修复水环境生态的优良选择,其实现了对环境的零负荷与完全的生物安全。碳素纤维具有极高的吸附性与生物亲和性,是良好的微生物挂膜填料,在生物法污水处理领域具有明显的竞争优势。在淡水水产养殖方面也有广阔应用前景,在去除水体污染物的同时聚集以微生物为食的低等动物,成为鱼类及高级水生动物的优良卵床与养育空间。利用碳素纤维治理水体,通过构建水下森林,给水生生物搭建栖息地,最终逐步构建健康的水体生态系统。该材料已成功应用于水产养殖水体净化与污水处理、印染废水与再生水净化处理。

案例剖析

记者了解到,这项技术通过在长春王家楼泛氧化塘工程历时1年的模拟示范试验,结果表明这种新型生态碳纤维成套净化技术与日本生态草技术和美国阿科蔓技术相比,对于水体净化效果更为明显。从成本考虑,削减1gCOD需要生态碳纤维填料成本为0.92元,碳纤维生态草(日本)为2.40元,阿科蔓生态基(美国)为1.54元;削减1gNH4+-N需要生态碳纤维填料、生态草和阿科蔓分别为15.1元、39.84元、47.90元。削减1gTP需要生态碳纤维填料、生态草和阿科蔓分别为40.48元、106.90元、108.59元。所以成本计算时以三种指标中削减成本最低者的削减成本为准。从削减成本、处理效果以及工程投资综合因素考虑,生态碳纤维具有明显优越性。

记者在北京小汤山生态碳纤维水质净化试验区现场看到,水的透明度远远高于与之对比的日本生态草技术试验区和美国阿科蔓技术试验区。据当地有关部门技术人员介绍,新型生态碳纤维填料能彻底改善河水的生态环境,该填料能够抑制藻类的大量暴发。试验过程中他们发现,当河水中的藻类明显增加时,泛氧化塘系统的出水水质仍然清澈,观察发现大量的藻类吸附于填料上被微生物降解。该填料具有很好的生物亲和性,能够形成水下森林,受到鱼类、虾类、贝类的喜爱。试验过程中发现填料表面出现了很多小型的水生动物,水中出现了青蛙、草鱼以及鲫鱼,这说明河水的生态系统恢复了生机。

参与试验的当地水产养殖户告诉记者,使用日本生态草技术和美国阿科蔓技术的鱼塘,水质混浊发黑,需要经常换水,而使用生态碳纤维水质净化技术的养鱼塘,水质清新,可以长时间不用换水。

据专家介绍,生态碳纤维+膜组件一体化反应器及工艺用于水产养殖水体净化的最佳条件为溶解氧在5~6mg/L,填料投放密度为0.3kg/m3,可使水体的使用寿命延长至90天,应用于水产养殖污水净化,水体停留时间为20小时,达到了出水回用于养殖用水的标准;UASB+生态碳纤维接触氧化组合反应器及工艺应用于印染污水净化,厌氧水力停留为15h,生物接触氧化池停留时间为30h,经吸附过滤出水完全达到印染水行业一级标准;生态碳纤维新型A2/O一体化反应器及工艺应用于污水处理厂出水净化,达到了GB18918-2002一级A标准。

优势特点

参与技术鉴定的专家认为这项成套技术具有5个方面的特点和优势:

一、新型生态碳素纤维先进性突出,经表面修饰、活性强化、复合整理制得的新型生态碳纤维,具有制作成本低、吸附性强、生物兼容性好等优点,普通活性碳纤维无论从成本上还是性能优越性上都无法与之匹敌,因此生态碳纤维必将在污水净化领域占据重要地位,属于新一代环保型清洁材料。

二、“生态碳纤维+膜组件一体化反应器、UASB+生态碳纤维接触氧化集成反应器、生态碳纤维新型A2/O一体化反应器”总体技术水平处于国际先进地位。生态碳纤维+膜组件一体化反应器用于净化淡水养殖污水,该装备单独放置于养殖池体中,COD去除率达到40%~70%,池体更换水周期延长到90天;生态碳纤维新型A2/O一体化反应器用于净化生活污水,该装置单独处理生活污水,COD去除率达到50%~80%;UASB+生态碳纤维接触氧化集成反应器用于净化印染废水,印染废水成分复杂,可生化性差,可使用UASB+生态碳纤维接触氧化技术工艺进行污水净化,可达到针织染整行业污水排放标准一级标准。

三、新型生态碳素纤维污水处理关键技术环保性能强。生态碳纤维+膜组件一体化反应器及工艺用于净化淡水养殖污水,根据水质情况可实现养殖池体水净化,延长污水放排周期,也可实现总排放污水净化,达到中水回用效果,改善养殖行业用水多、用水成本高、污水回用极少的现状;UASB+生态碳纤维接触氧化组合反应器及工艺用于净化印染污水,根据水质情况实现印染行业一级出水,达到部分中水回用效果,解决印染污水处理效率低,处理难、循环利用率低等问题;生态碳纤维新型A2/O一体化反应器及工艺用于净化生活污水,根据水质情况,可实现中水回用,实现节能减排。

四、新型生态碳素纤维污水处理关键技术及其装备工程效益显著。根据鸿羽水产养殖用水现状和生态碳纤维净化水质效果,该场年用水为200万吨,每20天换水,工程投资为590万元,利用生态碳纤维实现每年可节省156万吨水,投入成本一年内即可收回。五年内可节省2518万元。通过水产养殖废水利用处理工程,五年内可节省1890万元。根据“引新济太”工程(15万m3/天)实施方案和新型生态碳纤维使用效果,该工程利用新型生态碳纤维净化河水水体可实现每年净化污水3150万m3,工程投资为82.5万~165万元。浙江金时针织印染厂污水排放量5000t/d,生态碳纤维废水处理工程投资约为600多万元,比传统工艺可节省600万~700万元的资金。

五、新型生态碳素纤维污水处理关键技术及其装备用途广泛。该课题研究的新型水处理装备与工艺可用于水产养殖池体净化、淡水养殖排水污水净化、印染废水净化、生活污水净化、生活污水再生水净化,同时也可以推广到化工厂污水处理等领域。这项新型生态碳素纤维污水处理关键技术及其装备将为我国污水资源化提供技术支持。

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