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流污染現狀
目前我國流域都已經受到不同程度的污染。2012年長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河、浙閩片河流、西北諸河和西南諸河等流域的國控斷面中，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質斷面比例分別為68.9%、20.9%和10.2%，如圖2所示。主要污染指標為化學需氧量、五日生化需氧量和高錳酸鹽指數。

（2）湖泊（水庫）庫污染現狀
2012年，62個國控重點湖泊（水庫）中，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質的湖泊（水庫）比例分別為61.3%、27.4%和11.3%，如表1所示。主要污染指標為總磷、化學需氧量和高錳酸鹽指數。

我國人均水資源占有總量少、供需矛盾突出、河湖污染、水生態(tài)系統(tǒng)脆弱等問題比較突出。因此，開展河湖水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復，切實改善水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)現狀是社會經濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境建設的迫切需要。
二、我國河湖水污染治理
多年來，我國通過“水專項”及各種立項項目，實施了大量河湖治理工程，并相繼制定了全面開展河湖深度治理的計劃。已實施的河湖治理工程采用了多種技術方法：（1）采用截污、岸線整治、駁岸修筑、清淤、換水等市政（水利）工程方法的治理；（2）采用淺灘濕地、浮床濕地、沉水植被修復，漂浮植物抑藻等生態(tài)工程方法進行治理；（3）采用生態(tài)工程和環(huán)境工程組合方法進行綜合治理；(4)采用生化-物化藥劑、臭氧、超聲波、納米微氣泡、生化過濾箱、高強磁場、沉水生物帶（人工水草）、竹炭濾床、太陽能生物反應倉、等離子體反應器等新技術方法進行綜合治理。 然而，對污染較重的河湖，能達到好的治理效果，又能取得較好技術經濟指標的工程很少。

生態(tài)-生物法是國外近年來發(fā)展很快的一種新技術，它是利用培育的植物或培養(yǎng)、接種的微生物的生命活動，對水中污染物進行轉移、轉化及降解作用，從而使水體得到凈化的技術，具有處理效果好、工程造價相對較低、不需耗能或低耗能、運行成本低廉等優(yōu)點。另外，這種處理技術不向水體投放藥劑，不會形成二次污染，并且還可以與綠化環(huán)境及景觀改善相結合，在治理區(qū)建設體閑和體育設施，創(chuàng)造人與自然相融合的優(yōu)美環(huán)境。目前，國內已廣泛使用的河湖污染水體生態(tài)治理技術主要有五項：生物膜修復技術、人工濕地技術、生態(tài)浮床技術、固定化生物酶技術以及曝氣增氧技術。
生物膜修復技術是以天然材料(如卵石、礫石及天然河床等)或人工合成接觸材料(如碳纖維、纖維等)為載體，使微生物群體呈膜狀附著于載體表面上，通過與污水接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的有機物作為營養(yǎng)并加以同化，從而使污水得到凈化。
人工濕地是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制的投配到經人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動的過程中，主要利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用，對污水、污泥進行處理的一種技術。
生態(tài)浮床技術是以可漂浮材料為基質或載體，將高等水生植物或陸生植物栽植到富營養(yǎng)化水域中，通過植物的根系吸收或吸附作用，削減水體中的氮、磷及有機污染物質，從而凈化水質的生物防治法，同時通過收獲植物的方法將水體中的富營養(yǎng)物質搬離水體，改善水質，創(chuàng)造良好的水環(huán)境。
固定化微生物技術是將特選的微生物固定在選證的載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下能夠快速、大量增殖的生物技術。這種技術應用于廢水處理，有利于提高生物反應器內微生物（尤其是特殊功能的微生物）的濃度，有利于微生物抵抗不利環(huán)境的影響，有利于反應后的固液分離，縮短處理所需的時間。
曝氣增氧技術是根據河湖受到污染后缺氧的特點，利用自然跌水（瀑布、噴泉、假山等）或人工曝氣對水體復氧，促進上下層水體的混合，使水體保持好氧狀態(tài)，以提高水中的溶解氧含量，加速水體復氧過程，抑制底泥N、P的釋放，防止水體黑臭現象的發(fā)生，恢復和增強水體中好氧微生物的活力，使水體中的污染物質得以凈化，從而改善河湖水質。 
三、河湖水污染生態(tài)修復解決方案
北京市水處理環(huán)保材料工程技術研究中心回顧了近年來我國河湖水系治理歷程中所取得的成就，分析其存在的主要問題，結合發(fā)達國家對河湖水系治理的一些經驗，對我國河湖水系的治理提出了自己的觀點，同時在總結多年的科學研究和工程經驗的基礎之上提出了河湖水污染綜合生態(tài)治理研究方案和工程方案，如圖4所示。以期為*治理河湖水系的污染提供新的思路，同時也可供其他城市在治理城市水系污染時參考。
源頭強制性達標排放是針對排污源頭企業(yè)廢水、農村污水進行物化與生化處理，實現達標排放，要求COD和氨氮去除率為10-20% 。 
排污口截污針對入河生活排污口、工業(yè)排污口、養(yǎng)殖排污口和混合排污口不同水質特性采用生物濾池、人工濕地、碳纖維泛氧化塘、碳纖維一體化膜反應器等技術，實現清水入河，要求COD和氨氮去除率為20-30% 。
河湖水生態(tài)修復通過底泥清理、投放微生物制劑、水生植被栽植與引入螺、貝、魚、蝦類等高級水生動物，實現河湖水生態(tài)系統(tǒng)恢復，要求COD和氨氮去除率為10-20% 。 
河湖斷面水質凈化采用碳纖維浮床進行原位-移動修復，實現河道水質達標回用和景觀效益，要求COD和氨氮去除率40-60%以上。
四、河湖水生態(tài)修復關鍵技術
北京市水處理環(huán)保材料工程技術研究中心經過多年的技術研發(fā)和工程實踐，形成了一套河湖治理與生態(tài)修復關鍵技術，內容見表2。在河湖生物生態(tài)修復領域獲得國家發(fā)明若干項，包括生態(tài)碳纖維材料、生物纖維草、生物碳纖維雙層平板膜等技術

根據河湖的污染特性，本中心所提出的污染治理的生態(tài)修復技術隸屬于水處理技術中的生物化學技術和膜技術范疇，但是和其他常見水污染處理工程中應用的技術相比，存在著以下一些不同點。*，兩者所處理的水體對象不同。生態(tài)修復技術所處理的是受到污染的河湖，屬于微污染水體，COD100mg/L，氨氮10mg/L；而水污染處理工程所處理的水體通常為工業(yè)和生活廢水，污染物濃度較高。第二，兩者的做法不同。生態(tài)修復技術是對河湖水體的原位和移動修復，不需要任何設備；而工業(yè)和生活廢水則需要進行集中處理，工程規(guī)模較大，設備較多。第三，兩者的投資不同。生態(tài)修復技術的投資通常為600-900元/m3，遠遠低于水處理工程投資的4000-10000元/m3。zui后，兩者在管理需求和運行費用方面也不相同。生態(tài)修復工程在投入使用后不需要額外的維護管理，運行費用低廉；而水處理工程在投入使用后則需要進行維護與管理，并且運行費用較高。各生態(tài)修復技術介紹如下。
（1）碳纖維污水凈化技術
碳纖維污水凈化技術方面主要科研成果有生態(tài)碳纖維和生物相容性纖維兩項。他們具有高比表面積、強吸附能力等特點。經實驗研究與工程運用證明，與美國的阿科蔓生態(tài)基相比較，該碳纖維材料具有更好的水處理效果和更低的成本優(yōu)勢。該材料是凈化受污染水域、修復水環(huán)境生態(tài)的zui合適選擇，能夠實現環(huán)境*與生物安全。
生態(tài)碳纖維材料是一種比表面積大、吸附和脫附性能強、與生物有良好兼容性的新型填料，由腈綸、丙綸和表面修飾后的活性碳纖維復合而成。它具有豐富的微孔結構，孔徑分布范圍廣；比表面積很大，一般都在1000m2/g以上，具有較大的吸附容量；其微孔直接分布于纖維的表面，因而吸附質擴散的路徑短、時間短，其吸附和再生的速率快，可在較溫和條件下再生。針對其吸附容量大、吸附速率快、脫附速度快、灰分少、處理量大且使用時間長等優(yōu)點，本單位將其用于水處理領域，由于體積密度小和吸脫層薄的原因，具備操作安全、不會造成蓄熱和過熱現象，也不易發(fā)生事故，且節(jié)能和經濟，可用于多種類型廢水（生活污水、養(yǎng)殖廢水、印染廢水、養(yǎng)殖廢水等）處理、中水回用、河湖凈水處理，不僅凈化效率高，而且處理量大，裝置緊湊，占地面積小，設備投資少，經濟效益顯著。

生物相容性碳纖維是具有良好生物相容性的纖維狀的碳材料，由其用途可進一步劃分為生物醫(yī)學材料與生物環(huán)境材料，在生物環(huán)境材料領域，生物碳纖維分為高強度生物碳纖維及生物活性碳纖維兩類，因其在宿主與生物反應上具有優(yōu)異的生物相容性、電、機械等綜合特性被人們所矚目。高強生物碳纖維是在生物碳纖維基礎上，對其進行表面處理，增強生物相容性。碳纖維表面能低，與水的潤濕性差，表面呈現出疏水性，經表面修飾處理后，碳纖維表面含氧官能團增加，表面能增加，與水的潤濕性得到改善，接觸角變小，表面呈現出親水性。在污水處理過程中對污染物的吸附以及生物膜的負載都與生物碳纖維表面官能團的結構與組成密切相關，通過調整表面修飾方法和工藝參數，制備出潤濕性好和微生物相容性高的生物碳纖維。
中心各位單位家碳纖維工程中心對生物碳纖維進行二次表面活性處理，模擬天然水草形態(tài)加工而成并編織成環(huán)狀生物草，使其具有*的吸附性和生物親和性，經太陽光照射后，吸引微生物菌群并在其表面形成粘著性活性生物膜。這些微生物以有機污染物為能量來源，通過自身的新陳代謝作用降解水體中的有機污染物。

（2）生物碳纖維生態(tài)浮床技術
湖泊、河流等由于面積大等原因，利用一般工業(yè)或者生活污水采用的工藝具有一定的難度，而生態(tài)浮床工藝不僅具備較高的污水處理效率，在凈化水質的同時也能起到景觀的效果。其凈化污水的機理為：①水生植物能吸收污水中的N、P等有機物作為營養(yǎng)物質用于自身的合成；②水生植物的發(fā)達根系能分泌促進有機物降解的物質；③水生植物能遮蔽陽光，能抑制藻類的生長；④水生植物發(fā)達根系表面附著大量微生物能降解污染物。但是，由于植物吸收能力有限，再加上根系上微生物量和種類有限等原因，導致這種傳統(tǒng)的浮床工藝處理效果受限。
針對以上不足，圍繞生物碳纖維材料，中心提出采用人工浮床+生物接觸氧化的組合工藝處理河流、湖泊等微污染水體，將生物碳纖維與植物相結合，形成了生物碳纖維浮床技術，由浮床框體、浮床床體、浮床基質、浮床植物、生物碳纖維材料五個部分組成。

本組合工藝具有以下幾點優(yōu)點：
①生物纖維材料具有高比表面積，吸附性能強，適應微生物生長及高強度等特點，完*了傳統(tǒng)的生態(tài)浮床存在的問題；
②生物纖維材料的性狀與水生植物的根系有很好的相似性，利用水生植物和纖維填料附著的生物膜，強化植物與微生物之間的協(xié)同作用，提高了微生物對水體的凈化效果；
③生物纖維與床體的組合中放置于水中的纖維會受到水的牽引力，使得浮床整體不容易移動，提高了浮床的穩(wěn)定性和牢固性。 
基于中心的生物碳纖維浮床技術，根據水生植物載體材料的差異，中心提出了4種用于污水處理的生物碳纖維浮床組件，它們分別如下圖所示：

（3）生物碳纖維雙層平板膜技術
生物碳纖維雙層過濾平板膜是由設置在襯板一側的生物碳纖維復合材料（比表面積大于1000m2/g）和設置在生物碳纖維復合材料遠離襯板的一側的過濾膜組成的平板膜組件。該平板膜中的生物活性碳纖維是以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或瀝青纖維作為碳纖維原料，經逐漸升溫進行預氧化處理，形成預氧絲，并在氮氣氣氛下，逐漸升溫，以水蒸氣作為活化劑，進行炭化及活化處理制備而成。在使用前，對上述活性碳纖維經過氧化氫和氨水溶液進行兩次表面處理。zui終制得由芯層（生物活性碳纖維）和包裹在芯層的外周的外層（丙綸纖維網眼布構成）組成的生物碳纖維雙層過濾平板膜。
生物碳纖維雙層平板膜組件，將過濾膜與生物活性炭纖維復合材料合理地結合在一起，對污水先經過濾膜過濾，再經生態(tài)碳纖維復合材料進一步吸附凈化，提高了清水的純度和潔凈度并提高了平板膜組件的耐污性和膜通量及使用壽命。

工程中心在碳纖維雙層平板膜技術的基礎上研發(fā)了生物碳纖維+膜組件一體化反應器，它是將高效能的生物碳纖維作為填料的接觸氧化池與碳纖維雙層平板膜生物反應器串聯(lián)進行處理廢水的一體化反應器。這種反應器具有高強度處理效率，兼有生物接觸氧化池和膜生物反應器的優(yōu)點，而且接觸氧化池中掛膜材料采用高效性能的生物碳纖維，使得生物接觸氧化效果大大提高，能高效去除絕大多數污染物；并且這種一體化反應器運行成本低，生物碳纖維生物接觸氧化處理之后出水，使得膜生物反應器負荷壓力小，減少膜污染，延長膜更換周期，大大降低污水處理運行成本。

（4）強化人工濕地技術
本中心在濕地研究方面建立了專門的人工生態(tài)濕地實驗室，對人工濕地運行的眾多基本參數進行了研究，并進行了中試試驗，取得了很大的成果，并以此為基礎，開發(fā)出了一系列污水處理新工藝、新方法，提出了許多新的理論，獲得相關兩項。
目前，環(huán)境中心已完成了工程項目十余項，并將生態(tài)濕地成功推廣到了東北、西北等高緯度高寒地帶，這在國內屬于*，為整個生態(tài)濕地在我國的推廣做出了巨大的貢獻。強化人工濕地分為串聯(lián)床強化濕地、濾壩強化濕地、凈化床強化濕地、潮汐流強化濕地和組合型強化濕地，由防滲層、基質層、腐殖層、水生植物層和水體層組成，包括預處理系統(tǒng)（格柵、沉砂池、沉淀池、穩(wěn)定塘等）、床體系統(tǒng)、布水系統(tǒng)、根系凈化系統(tǒng)和集水系統(tǒng)，通過化學作用、物理作用和生化反應，去除懸浮固體物、BOD、COD、氨氮等各種污染物。

強化人工濕地特點概括為：①工藝簡單,不需要復雜的操作，易于維護；②濕地處理工藝有效可靠，對COD、BOD5的去除率可達90%以上，一般處理出水COD<15mg/L，BOD5<4mg/L，SS<10mg/L，對氮、磷的去除能力強（對TN和TP的去除率分別可達85%和95%），有效的控制和防止水體的富營養(yǎng)化；③濕地處理系統(tǒng)構筑物、處理設備少，建設投資少，運行費用低。處理每立方污水的投資500-1000元（常規(guī)投資2000-300元）運行費為0.04元/m3*d（常規(guī)1-20元），每立方污水處理所需的用地面積為0.5-1m2 （常規(guī)4-40m2）；④強化濕地在北方冬季氣溫低的環(huán)境下正常、穩(wěn)定的運行，不出現堵塞現象，也可以進行反沖洗。
（5）微生物掛膜菌劑BABRC-1
碳纖維微生物掛膜菌劑BABRC-1含有異養(yǎng)硝化細菌，好氧反硝化細菌，芽孢桿菌和光合細菌，能夠同時處理污染水體中的有機物、氨氮及亞硝氮，并能顯著提高碳纖維生物膜反應器的掛膜效率和污染物去除率，用于碳纖維水處理可以提高過濾系統(tǒng)掛膜效率，改善水體環(huán)境，降低生產成本。該產品是的活性微生物和酶的混合體，包括桿菌等多種微生物以及脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶等生物酶。在使用過程中，可以迅速分解有機物質，并且能夠衍生出更多的有用的菌種，減少病原菌和寄生蟲的生成。用于碳纖維水處理，可以改善河湖水體環(huán)境，降低產品的生產成本。

（6）微納米氣泡發(fā)生裝置
目前，我國通常采用的曝氣設備，難以產生微納的細小氣泡，溶氧率低、能耗高。而微納米氣泡裝置能夠生產直徑在50微米和數十納米(nm)的微小氣泡，可快速地溶解于水體中，溶氧效率提高。該技術作為一種新型水體曝氣技術，在水治理中的市場前景極為廣闊。微納米氣泡發(fā)生裝置主要由發(fā)生裝置、微納米頭及連接管件組成。通過水泵加壓，由曝氣頭內部的曝氣石高速旋轉，在離心作用下，使其內部形成負壓區(qū)，空氣通過進氣口進入負壓區(qū)，在容器內部分成周邊液體帶和中心氣體帶。由高速旋轉的氣石出氣部將空氣均勻切割成直徑5～30μm的微納米氣泡。由于氣泡細小，不受空氣在水中溶解度的影響，不受溫度、壓力等外部條件限制，可以在污水中長時間停留，具有良好的氣浮效果。

五、河湖水污染生態(tài)修復工程案例
（1）源頭強制性達標排放工程案例

（2）排污口截污工程案例

（3）河湖水生態(tài)修復工程案例
（4）河湖斷面水質凈化工程案例

六、結語
北京市水處理環(huán)保材料工程技術研究中心通過7年的努力，相繼研發(fā)了生態(tài)碳纖維、生物相容性碳纖維、碳纖維雙層平板過濾膜這三種孔隙的吸附材料及其掛膜菌劑。以材料的研發(fā)為核心，還研制了基于材料的多種污水處理反應器和裝備，并形成了多套碳纖維水質凈化與污水處理技術體系，在河湖水污染生態(tài)修復領域得到了廣泛的應用，并取得了顯著的成績。
在未來，希望通過我們的努力，以將研發(fā)裝備與工藝應用實現工程化為目的，以裝備與工藝應用實現產業(yè)化為目標，進一步研發(fā)碳纖維材料，將具有特定活性的生物酶通過表征測定，固定在生物碳纖維上，用于高效專性處理特定污染水體，解決國內河湖水污染生態(tài)修復存在的難題，改善水生態(tài)環(huán)境，促進我國可持續(xù)發(fā)展與控污減排，為我國污水資源化提供。

昆明滇池全自動凈水處理設備

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