北京市水處理新型材料工程技術(shù)研究中心依托北京化工大學環(huán)境科學與工程技術(shù)中心，由國家碳纖維工程技術(shù)研究中心和有機無機復合材料國家重點實驗室提供技術(shù)支撐，由中國通用機械工程總公司、北京金源新化環(huán)境技術(shù)有限公司、中科宇圖（北京）資源環(huán)境科學研究院等共同建立的北京市重點工程技術(shù)中心。自中心成立以來，憑借著扎實的專業(yè)理論知識和科研攻關(guān)能力，通過項目研發(fā)的實施、產(chǎn)業(yè)化應用，在以學科帶頭人為核心的組織下，已經(jīng)開展了多項課題的研究工作，并且取得了卓越的成績。

針對北京市水產(chǎn)養(yǎng)殖中高密度池塘養(yǎng)殖存在的污染特點，本中心研究人員多次深入養(yǎng)殖企業(yè)考察，與公司領導和一線員工深入交談，對水產(chǎn)養(yǎng)殖中的周期規(guī)律以及集約化養(yǎng)殖過程中所遇到的問題進行了了解，并現(xiàn)場考察了污水末端治理設施，對采集的水樣進行了檢測，從理論的角度分析了養(yǎng)殖水體凈化難度的癥結(jié)所在。
根據(jù)池塘養(yǎng)殖水體水質(zhì)特點，圍繞北京池塘養(yǎng)殖水質(zhì)凈化和生物修復問題，在北京市科技計劃項目“國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技城成果惠民科技示范工程”課題“水產(chǎn)養(yǎng)殖水體修復與凈化技術(shù)研究與示范”的支持下，本中心提出原位修復與循環(huán)凈化措施相結(jié)合的組合技術(shù)，應用組合式生態(tài)浮床技術(shù)并結(jié)合本中心自主研發(fā)的新型高效人工介質(zhì)——新型生態(tài)碳纖維材料來實現(xiàn)池塘水體原位修復；在此基礎上，在通州區(qū)選取水產(chǎn)養(yǎng)殖場，開展新型池塘養(yǎng)殖水體循環(huán)凈化和原位修復技術(shù)的集成示范與應用，從而達到降低水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境風險和保證水產(chǎn)品質(zhì)量安全的目標。

二、漁場概況

工程技術(shù)中心選取通州張家灣鑫淼水產(chǎn)養(yǎng)殖場為本工程示范的試點，通過對其水體的污染原因及指數(shù)分析，曝氣方案改造和水體原位修復方案設計，完成了漁場水體修復與凈化工程的示范。

鑫淼水產(chǎn)養(yǎng)殖場水質(zhì)指標為：COD 30mg/L，氨氮1.9mg/L。本工程示范建設處理650m3的池塘養(yǎng)殖水體循環(huán)凈化水量，通過原位修復體系活性碳纖維載體、多廊道式碳纖維復合生態(tài)床系統(tǒng)以及一體化循環(huán)凈化設施的建設，使池塘水體滿足養(yǎng)殖需要。
工程示范共對鑫淼水產(chǎn)養(yǎng)殖場中兩個育苗池進行了碳纖

維生態(tài)浮島原位修復。其中，池塘1：長28.2m，寬10.9m，高1.3m，水高1.1m，面積307.38m2，水量350 m3；池塘2：長23.9m，寬10.9m，高1.3m，面積260 m2，水量300m3。

池塘1

池塘2

2013年初，工程技術(shù)中心組織專家對所設計的張家灣鑫淼漁場水質(zhì)凈化與修復碳纖維生態(tài)浮島工藝工程實施方案進行了考察與論證。同年3月，鑫淼漁場示范工程開始啟動，先后進行了碳纖維填料的更換、碳纖維生態(tài)浮床的安裝、凈化植物的種植、魚苗的投放、示范啟動和一體化膜反應器的調(diào)試運行，目前該示范工程各項實驗正在順利進行中。

3.1填料更新

該廠原先采用傳統(tǒng)的毛刷填料，該填料質(zhì)地堅硬，比表面積小，不利于微生物的生長附著；若長期安置于水中，可能存在部分化學物質(zhì)釋放對魚類造成危害的隱患；毛刷填料雖然價格低廉，但需經(jīng)常更換，經(jīng)濟性并不明顯。因此總體而言，并不適用于養(yǎng)殖水體的修復。

本工程示范中，所用的填料是本中心自主研發(fā)的高科技生物碳纖維材料，該材料是具有良好生物相容性的纖維狀的碳材料，具有強度高、超輕、耐腐蝕、耐高溫、水中不溶解，使用壽命長、維護費用低等特點，且表面具有大量含氧官能團，水潤濕性良好，環(huán)境安全性與生態(tài)親和性優(yōu)越，不存在物種侵害之憂。

在水體凈化中，生物纖維草能成為魚類及其他高級水生動物的優(yōu)良卵床與養(yǎng)育空間。水體中的生物鏈，生物多樣性得以恢復，水體恢復到生機盎然的狀態(tài)。利用生物纖維草構(gòu)建水下森林，給水生生物搭建棲息地，以微生物、低等水生動植物、高等水生動物為基礎的循環(huán)生態(tài)鏈逐步建立。在大量的工程實例中，經(jīng)過生物碳纖維材料凈化之后的水體水質(zhì)都可明顯改善。

更換前毛刷填料

更換后碳纖維填料

生物纖維草工程實例圖

3.2水體凈化工藝的改進

在養(yǎng)殖水體凈化工藝中，常用的為接觸氧化、流化床等工藝，即將逐漸被污染的水體從魚池中抽出，經(jīng)過多級接觸氧化或流化床等工藝的凈化，用于水質(zhì)循環(huán)或者排入河道。該類工藝占地面積較廣，且需大量的基建和運行費用，對大部分水產(chǎn)養(yǎng)殖公司而言，具有很大的土地及經(jīng)費方面的困難。這也是造成北京市水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)污染逐漸增加的關(guān)鍵原因。

在本工程示范中，本中心研究人員通過大量的技術(shù)論證和對比試驗后，決定采用碳纖維生態(tài)浮島凈化工藝對水產(chǎn)養(yǎng)殖水體進行原位修復。該工藝不需要重新建設污水處理站，運行管理費用低，適用于各類水產(chǎn)養(yǎng)殖公司。通過植物與碳纖維材料的多重吸收降解，碳纖維生態(tài)浮島對影響魚群免疫力的非離子氨等具有明顯的去除效果，是養(yǎng)殖水體凈化的優(yōu)選工藝。

本工程示范中，共制作大型浮島11座，共158 m2，占整個水面面積的27.8%。分為泡沫浮島和聚丙烯浮島，其中泡沫浮島共80平米，每平米16個花盆， 16束生物碳纖維材料；聚丙烯浮島78平米，每平米9個花盆，12束生物碳纖維材料。浮島種植植物品種包括小香蒲、紫花梭魚草、美人蕉、慈姑、狐尾藻、菖蒲、千屈菜、黃花鳶尾等，浮島按照植物種類進行種植。浮島完成后總體呈長方形，橫放于池子當中，兩邊用尼龍繩固定在岸邊，防止浮島隨著水流移動。種植完畢后將浮島進行固定，開始放水。

碳纖維浮島施工現(xiàn)場圖

泡沫浮島

聚丙烯花碟浮島

經(jīng)過兩周的穩(wěn)定運行，研究人員往兩個大池子中共放入鯉魚魚苗四千斤，開曝氣和回流，一周后開始喂食和定期檢測水質(zhì)，檢測水質(zhì)主要指標為氨氮和亞硝酸鹽，并定期檢測池中pH、溶解氧、總磷、COD、總氮等數(shù)據(jù)。

目前碳纖維生態(tài)浮島已經(jīng)完成施工，植物生長旺盛，魚苗生活正常。對池內(nèi)水質(zhì)進行定期檢測發(fā)現(xiàn)，COD、氨氮和亞硝酸鹽保持在較理想狀態(tài)，池內(nèi)的溶解氧濃度保持在8.0 ppm以上，pH在7.5~8.1的范圍內(nèi)。

3.3運用碳纖維一體化膜反應器實現(xiàn)水循環(huán)

現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展的趨勢為工廠化，集約化養(yǎng)殖，這種養(yǎng)殖方式的特點是在有限的空間內(nèi)大幅度提高魚的養(yǎng)殖密度，因而對養(yǎng)殖水體提出了更高的要求。

由于膜生物反應器相對于其他的生物處理系統(tǒng)具有占地面積小，水力停留時間短、出水水質(zhì)好等優(yōu)點，針對傳統(tǒng)MBR膜污染速率快、脫氮除磷效果不理想、曝氣能耗較高等缺點，本中心提出了自主創(chuàng)新的生物碳纖維+氣升循環(huán)一體式MBR組合工藝。該工藝的特點是在原有復合式MBR工藝的基礎上，充分利用曝氣所產(chǎn)生的推動力，使水在好氧和缺氧條件下循環(huán)流動，以強化脫氮的效果。通過采用傾斜曝氣和傾斜進水的方式，本工藝可以強化循環(huán)的效果，中間隔板不僅將好氧區(qū)和缺氧區(qū)進行了區(qū)分，同時也使好氧區(qū)中攜帶的氣泡溢出，使缺氧區(qū)維持較低的溶解氧。

水質(zhì)循環(huán)MBR裝置示意圖



水質(zhì)循環(huán)MBR裝置圖

2013年初，中心研究人員在鑫淼水產(chǎn)養(yǎng)殖場進行了20m3碳纖維一體化水質(zhì)循環(huán)膜反應器的設計與安裝，通過調(diào)整MLSS，曝氣量，HRT等變量，考察其對COD，NH3-N，NO2-N，膜通量等的研究，目前已建立起最佳的工藝參數(shù)，一體化反應器的出水已滿足魚池的用水循環(huán)的水質(zhì)要求，下一步將通過工程化的示范以確定該工藝用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)循環(huán)的可靠性。

3.4解決難題

在水產(chǎn)養(yǎng)殖八大要素中，水的重要性處于第一位。本課題組的調(diào)研結(jié)果表明，北京市的多個淡水養(yǎng)殖場中，水質(zhì)均不達標，存在COD，氨氮及亞硝酸鹽等濃度超標問題。尤其是非離子氨氮的濃度過高的話，會導致魚類的鰓部受傷而影響其自然生長甚至窒息死亡。本示范中，經(jīng)過生態(tài)碳纖維浮島的原位處理，養(yǎng)殖水體中的COD由初始的30 mg/L降低到了10 mg/L，與魚的健康密切相關(guān)的氨氮濃度由1.9 mg/L降低到了0.3 mg/L以下，亞硝酸鹽氮濃度由0.3 mg/L降低到了0.1 mg/L左右。示范中碳纖維材料的運用未顯示對魚苗的生長有任何的副作用，并且由于水質(zhì)的明顯提高且持續(xù)保持穩(wěn)定，兩個池體已經(jīng)一個月未進行換水，加之一體化膜反應器能夠?qū)崿F(xiàn)水的循環(huán)利用，因此，該示范工程在保證水質(zhì)安全的基礎上節(jié)約了大量的水資源。

四、優(yōu)勢分析

通過工程示范穩(wěn)定之后兩個月的觀察，碳纖維生態(tài)浮島取得了良好的原位修復效果。其相對于傳統(tǒng)的養(yǎng)殖水體修復技術(shù)有如下明顯的優(yōu)勢。

1.魚苗成活率高

水質(zhì)的改善，尤其是能破壞魚鰓組織，降低血液的載氧能力的非離子氨濃度的大幅度降低，增強了魚體的免疫力，使魚苗的成活率有了很大程度的提高。在本工程示范中，魚苗的成活率達到了99%以上，從而顯著提高了漁場的經(jīng)濟效益。

2.養(yǎng)殖密度高

該示范中，由于生態(tài)浮島的運用，為魚群提供了棲息的場所，因此示范中魚苗的投放密度在漁場的原養(yǎng)殖密度上由30公斤每立方米提高到了60-90公斤每立方米左右，提高了1至2倍左右。工程示范證明，在利用碳纖維生態(tài)浮島原位修復技術(shù)提高漁場水質(zhì)的情況下，可穩(wěn)定提高魚苗的養(yǎng)殖密度，帶來可觀的經(jīng)濟效益。

圖5 池內(nèi)喂魚現(xiàn)場圖

3.處理成本低

示范工程采用原位修復，無任何浮島外的基建費用。示范中浮島面積占整個水面面積的27.8%，小于普通浮島需占水面面積的30%~50%左右這一標準。示范工程共花費9萬元，平均每方水所需的浮島建設成本僅為140元左右，建成后的浮島運行和維護方便、簡易，運行費用低，經(jīng)濟性良好�？紤]到碳纖維浮島的使用節(jié)約了大量的循環(huán)用水，碳纖維材料的高氧氣利用率減少了曝氣量，則經(jīng)濟性能更加顯著。

4.環(huán)境效益好，附有經(jīng)濟價值

與其它水處理工藝相比，浮島屬于自然處理工藝，具有更好的經(jīng)濟效益。浮島上栽種的植物美化了環(huán)境，和周圍環(huán)境融為一體，成為新的景觀亮點。本示范工程中，利用浮島種植了部分經(jīng)濟作物，在凈化水體的同時可以帶來一定的經(jīng)濟收益。（來源：北京市水處理新型材料工程技術(shù)研究中心）