纳米活性炭纤维景观水处理技术分析与应用

摘 要： 纳米活性炭纤维（Nano-activated carbon fiber）是一种性能优异的环保功能生态材料，它能有效降解、转化和吸附各种有机物质，具有耐腐蚀、比表面积大、吸附能力强等特点，能为硝化、反硝化细菌和藻类生长创造非常适宜的条件，可广泛应用于城市景观水处理中。

关键词： 纳米活性炭纤维 生物膜 降解 景观水处理技术

近年来城市化发展越来越快，人们对周围生活环境的要求不断提高，居民小区内出现了大量的各式各样的景观水体，城区及公园内也建造了绿地用来美化环境。但是，当这些景观水体运行一段时间后，都出现了不同程度的污染，受污染的原因来自不同程度的点源、面源污染及管理维护不足等多方面，景观水体富营养化趋势严重，影响了景观效果，给人们的日常生活带来了不便。

1.纳米活性炭纤维微观结构

普通活性炭纤维结构的大小仅为人类头发的十分之一，性脆不可编织。而纳米活性炭纤维可以达到50～200nm，它具有显著的向异性、柔软性，可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。用高倍电子扫描镜观察纳米碳管的形貌（如图1.1所示），可以看出，纳米活性炭纤维表面微观结构的刻蚀变化较普通活性炭纤维明显，有更加清晰的沟槽结构，大大增加了表面的粗糙度。

纳米活性炭纤维这种特殊的孔状结构使它具有很大的比表面积，而高达500～1700m■/g的比表面不仅使它具有普通活性碳的吸附功能，而且能为水中微生物和有益藻类等的生长、繁殖提供巨大的生物附着表面，为硝化、反硝化细菌等各种有益藻类生长创造非常适宜的条件。

a普通活性炭纤维 b普通活性炭纤维

1000倍SEM图 5000倍SEM图

c纳米活性炭纤维 d纳米活性炭纤维

1000倍SEM图 5000倍SEM图

图1.1 普通活性炭纤维和纳米活性炭

纤维微观结构SEM图片

纳米活性炭纤维有很大的比表面积，在纤维表面上，可以直接接触吸附质分子；外表面积比粒状活性炭大1～2个数量级。

2.纳米活性炭纤维在水处理中的基本原理

2.1纳米活性炭纤维生物膜的形成及作用

放入水体中的纳米活性炭纤维在阳光的照射下吸收紫外线引起自身振动发出次超声波，超次声波使各种细菌逐渐吸附到碳纤维表面，而碳纤维超大的比表面为各种细菌大量繁殖提供载体，逐渐形成生物反应膜。

生物膜是使细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁育，在其上形成的膜状生物污泥。污水与生物膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增殖。生物膜成熟的标志是：生物膜沿水流方向的分布，在其上由细菌及各种微生物组成的生态系及其对有机物的降解功能都达到了平衡和稳定的状态。

2.2纳米活性炭纤维生物膜中几个重要参数分析

2.2.1生物膜的比增长速率

微生物比增长速率（μ）是描述生物膜增长繁殖特别性的最常用参数之一，它反映微生物增长的活性。微生物比增长速率的定义为：

μ=（dX/dt）/X （2-1）

式中X-微生物浓度，[质量][体积]■

μ-微生物比增长速率，[时间]■

生物膜比增长速率主要分为两类：一是动力学增长阶段的比增长速率，即为生物膜最大比增长速率，二是整个生物膜过程的平均比增长速率。

（1）生物膜最大比增长速率（μ■）

生物膜在动力学增长期遵循以下规律：

■=μ■M■

积分后得lnM■=μt+C

（2）生物膜平均比增长速率■

生物膜平均比增长速率计算公式为：

■=■ （2-2）

式中M■——生物膜稳态时对应生物膜量，[质量][面积]■

M■——初始生物膜量，[质量][面积]■

生物膜平均比增长速率反映了生物膜表观增长特性。由于生物膜成长过程中伴随着非活性物质的积累，从严格意义上说并不能真实反映生物膜群体的增长特性。

2.2.2底物比去除速率（q■）

q■=■ （2-3）

式中q■——底物比去除速率，[时间]■

Q——进水流量，[体积][时间]■

S■——进水底物浓度，[质量][体积]■

S——出水底物浓度，[质量][体积]■

A■——载体表面积，[面积]

底物比去除速率反映了生物膜群体的活性，底物的去除速率越高，生物膜生化反应越高。

2.3纳米活性炭纤维生物膜中的微生物及作用

有机物的降解主要是由纳米活性炭纤维表面生物膜中的微生物完成。主要微生物包括细菌、真菌、放线菌和原生动物等，氨氧化细菌将水中的氮有机物转化为无机氮化合物，可被微生物利用，然后经过亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌将氮去除；真菌具有强大的酶系统，能促进纤维素、木质素、果胶等的分解，将蛋白质最终分解放出氨；放线菌在分解含氮和不含氮的有机化合物中起着重要作用，同时能分解氨基酸等蛋白物质，也能形成抗生物质维持系统中生物群落的动态平衡；原生动物通过摄食微生物和碎屑起到调节微生物群落的动态平衡和清洁水体的作用。系统内污染物的去除与微生物之间有明显的相关性：污水中的BOD和COD的去除率与微生物的数目都有较明显的正相关性；污水中的氨氮的去除率与根区的硝化细菌和反硝化细菌数量的正相关性显著；而磷的去除率则与磷细菌数目呈正相关。

3.纳米活性炭纤维在城市景观水处理中的应用

在日本，利用纳米活性炭纤维技术，成功地处理了榛名湖，挽救了面临灭绝的当地独有的公鱼及当地的传统旅游业。在国内，苏州市沧浪区桂花新村水体生态处理工程，是对纳米活性炭纤维应用的典型案例，苏州水系是在太湖平原的成功开发过程中，由天然湖泊、河道和人工开挖河道组合而成。全市河道纵横，湖泊众多，约400多个，河湖串通，水系成网，境内各级河道多达2万多条。河道弯曲淤浅、水体流动性差，水环境污染严重。采用纳米活性炭纤维处理后，水体异味得到较大改善，水体呈现健康水体的体态特征，水面无蓝藻产生，且水质清澈。各污染物的去除效果明显。