东湖-碳纤维生态修复水体富营养化机理研究

1、碳纤维控制河湖富营养化水体和原位生态修复机理研究（李兰，武汉大学，430072）摘要：利用水生植物修复富营养化水体是当前湖泊富营养化控制的研究热点，但是，在众多时间中人们发现人工种植的水草在富营养化水体不易存活，水生植物修复富营养化水体的功能也十分有限，修复功能高的水生植被如水葫芦、浮游植物等会大量覆盖水面，阻止光照、氧气进入水桶，导致生态系统受损严重，所以需要借助人工水草高吸附材料快速改善光照、氧气、水质等环境条件，促进微生物繁殖，沉水植物原位修复，恢复生态系统多样化，促进水体生态系统良性循环。作者在东湖示范工程和碳纤维净水产品机理研究实验中，利用碳纤维净化产品验证高吸附材料-碳纤维净水产品

2、技术是控制湖泊富营养化和原位修复生态系统的强有力工具。 关键词：碳纤维，原位修复，生态系统，湖泊富营养化1 概述全国江河、湖泊、水库、水源地等水体都有不同程度的污染，湖泊的污染状况尤为显著。据统计全国超过80%以上的湖泊出现中度以上富营养化污染，并且很多湖泊正趋向于向水体富营养化发展，发展态势令人担忧。湖泊水体富营养化是我国面临的主要水环境问题，严重制约了社会经济发展和生态型社会建设，因此治理湖泊富营养化已经刻不容缓。河湖富营养化控制是世界性难题。国内外治理富营养化的主要措施有：底泥清淤、引江济湖工程、生态河岸工程、人工水草、前置库、库区生态缓冲带建设、水生植被恢复、植物浮岛、生物操纵、水库深

3、层曝气和上下层水体混合交换等技术措施。很多湖泊富营养化治理示范工程都需要将上述多种技术组合才能够看到治理效果。寻求一种无能耗的简单措施就能够彻底控制湖泊富营养化，恢复本土生态系统，在治理水污染的同时固碳，实现废水资源的循环利用，减少污水治理和温室气体减排压力，保持社会经济可持续发展是迫切需要的新技术新理念，在未来我国“生态文明”和“绿色中国”建设期间应对全球变化、缓解能源危机和经济可持续发展具有重要意义。2 碳纤维净水产品该技术由日本科学家小岛昭教授发明，应用于河湖水处理达十余年，是目前世界领先的自然生态性水处理技术产品。碳纤维生态草由90以上碳元素组成，被国际上誉为“黄金材料”，具有耐高温、

4、耐摩擦、耐腐蚀等特点，可持续净化水质51年，因极高的比表面积可吸附、分解水中污物，促使微生物生长，形成具有生产者、消费者、分解者的完整生物链，达到自然净化水质和保护生物多样性的目的，对油类、有机污染、氮磷、细菌、有毒物、盐类、色、金属离子都有很好的去除和净化效果，可有效控制河湖水污染。日本科学家小岛昭教授发明的碳纤维生态基净化水质技术，是目前世界领先的自然生态保育水处理技术产品。碳纤维由90以上碳元素组成，可持续净化水质51年，其极高的比表面积是植物的20倍。对油类、有机污染、氮磷、细菌、有毒物、盐类、色、金属离子都有很好的去除和净化效果，本技术对上述污染物处理效率高，去污速度快，可有效控制河

5、湖水污染。并能够促使微生物生长，形成具有生产者、消费者、分解者的完整生物链，达到自然净化水质和保护生物多样性的目的。碳纤维净水机理：碳素纤维生物膜/活性污泥团-藻场-水生植物共存系统的形成使得试验区水体一年四季都有很强的净化功能。碳纤维在水体迅速散开，放进去1小时很快形成微生物膜，3天后微生物膜稳定，半月形成稳定的活性污泥团。一个月后很快形成大规模经济藻场。首先形成碳素纤维生物膜/活性污泥团-藻场共生系统，共同净化水质。半年后沉水植物自我修复，形成碳素纤维生物膜/活性污泥团-藻场-水生植物共存系统共同净化水质。（1）粘合在碳纤维上微生物群的特点1) 微生物粘合速度快，粘合量多。2) 粘合微生物

6、不易剥离，同时活性度高。3) 在粘合在纤维的微生物群内部，厌气微生物群与需氧微生物群一起在比较分散的状态下存在。4) 粘合在碳纤维束的体积大的微生物群，在水的流动中进行某种泵运动，在与碳纤维束一起摇动的同时，使物质产生移 动，促进污浊物质的分解。5) 需碳细菌加快初期粘合，依靠碳发出的声波的微生物增殖作用依靠与微生物群的共存，扩大影响范围。（2）碳素纤维净化水质的优点1）利用微生物的活性提高了分解处理的速度，形成本土碳纤维-微生物膜/活性污泥团-着生藻藻场-沉水植物共生系统，无需外加微生物、藻种和植物种植，净化效率高效快速，一年四季都有净化效果；2）无需清除底泥，产品质量稳定，水处理后污泥发生

7、量少；3）去氮除磷效果好；4）易于吸附悬浮物；5）河、湖、库、景观等水体无需充氧装置，无能耗，费用低；6）自我修复生态系统，促进生态系统多样性；7）具有固碳作用；8）利用废水资源培育经济藻场，实现水资源循环利用；9）设置费低廉，维持管理方便，不需要运行成本（3）应用领域环境水（河流、湖沼、池水、海水）城市污水（污水处理厂、粪便净化槽、高级处理槽、分散污水处理系统）工厂废水（食品、酿酒、化学、重金属、电镀废水、造纸废水、印染废水等）农业废水（与分散污水处理系统或湿地结合使用效果显著）畜产有机废水（粪尿、挤奶）生活排水、厨房排水水产养殖（绿色水产养殖，减少肥料使用）养鱼缸（使用后不用换水）3 碳纤

8、维生态净水产品富营养化控制示范工程与效果评价在水利部948项目日本碳纤维生态草河湖直接净化技术的引进及研发（项目编号：201112）资助下，由武汉大学李兰教授为项目负责人，武汉大学、武汉市水务局、武汉环天禹生物环保科技有限公司（原武汉环天禹信息工程有限公司）联合组成项目课题组，课题组引进了日本苏恩株式会社生产的碳素纤维净水产品及设备（由日本小岛昭教授介绍的公司）。在日本技术专家的指导下，课题组相关人员学习、吸收产品特性、构造、组装和施工技术，建设了东湖碳纤维净化湖水示范工程一，2011年9月在武汉大学工学部北门东湖主湖建设了1800m2的日本产品示范区一。课题组通过引进、消化、吸收、创新等自主

9、研发了国产化碳素纤维净水产品，产品价格减半，突破了碳素纤维净化水质的瓶颈问题，于2011年11月下旬在东湖主湖建立了1000 m2的国产化示范区二。图1 东湖日本碳纤维富营养化控制示范区1（试验场一）图2 东湖国产化碳纤维富营养化控制示范区2（试验场二）根据水体污染严重程度和保护目标差异，有不同的碳素纤维净水产品种类和布置方式和施工技术，本项目引进了日本碳纤维十余个品种共77套，并在日本苏恩公司董事长和技术员的亲自指导下进行了实验区一探索纤维净水产品布设设计和施工技术。引进日方产品包括MiraCarbon的型、I型、纵链接型、S(1连)型、W(2连)型、T(3连)型、 floats型、konb

10、u型、frame SK1-12型、frame WK1-24型等产品结构。安装组合方式可归纳分为三类，包括：1）悬挂式；2）框架式；3）上浮式。这些产品的科学布设技术为我们国产化研究提供了很好的借鉴作用。本课题组国产化ACF净水产品也包含了上述悬挂式、框架式、上浮式三种类型，可根据不同需求提供多种相关产品。碳素纤维净水技术的先进性主要体现在不仅能够吸附、去除、生物降解各类污染物质，还能够筑造完整生态链，恢复生态多样性，是目前最先进的最有发展前景的环境保护和生态保育的产品。在同类技术上它的先进性体现在高生物附着比表面积优于其它填料；活性碳纤维高效吸附性能和生物膜结构去除有机污染和氮磷，控制湖泊富营

11、养化；碳纤维净水产品基于声波效应特性与材料特性基础上的生物亲和性，提供水生生物良好的着生、附着或穴居条件；形成透明度高的清水生态环境的优势，有利于高产油高蛋白藻类和沉水植物的自我恢复。示范一：东湖本课题组对两个示范区开展了一年多的水文、水质、微生物、刚毛藻和水生植物的系统监测与分析。水质指标的选择与测定监测指标包括:水深、水温、DO、盐度、PH、BOD5、CODMn、CODCr、TN、TP、氨氮等：本项目自实施以来，多次委托湖北省水环境监测中心武汉分中心进行BOD5、CODMn、TN、TP水质监测，多次监测结果表明，水体水质得到显著改善。同时，还委托湖北省环境监测总站对BOD5、TN、TP等水

12、质指标进行采样监测。课题组分别采用美国哈希（HACH）公司生产型号为DR2800便携式分光光度计进行CODMn、TN、TP测定；水深采用测杆测得；采用美国型号为Professional PlusYSI便携式水质测试仪进行其余水质指标的测定。微生物相结构观察采用日本数字显微镜（USB Microscope Dino-Lite Basic），对应OS Windows XP / Vista / 7 ，Mac OSX 10.4 ，分辨率VGA（640×480）、30 万像素，倍率约10 230 倍。两个示范工程布置后仅4天就将试验区水质从劣类提升到IV类的水功能保护目标，抗负荷冲击性能好；1

13、个月后示范区水体透明度显著提高，浊度变小，大批刚毛藻藻场形成，补充水体溶解氧，使得水体进一步变清，水质从IV类上升为类，同时还有固碳作用。经过5个月水质净化，各类水质指标TN、TP、BOD5、CODMn、氨氮都能够达到类以上水质，透明度达到2米左右。2012年上半年，试验区逐步自我修复沉水植被，形成水下森林；DO通过刚毛藻、7种沉水植物的复氧效果十分良好，不需要充氧机和搅拌机，无耗能，投入少，运行管理简单。自我修复的刚毛藻和沉水植物具有净化水质、净化底泥和固碳作用，刚毛藻综合利用价值高。2012年8月份，武汉东湖水域大规模蓝藻暴发时，东湖主湖郭郑湖和试验场旁边的植物净水试验区蓝藻剧增，而本示范

14、工程的两个试验场水质清澈见底，没有发现蓝藻增殖现象，说明本试验场已经有效控制了蓝藻水华。试验场实现本土微生物群落、大规模刚毛藻藻场和种沉水植物群落的自我修复，生态系统与东湖主湖显著不同，实现了完整的食物链，促进了生态系统的多样性。试验场仅靠碳纤维材料投入就形成了碳素纤维-微生物膜/活性污泥团-藻场-水生植物共生系统联合净化水质，一年四季都有净水功能，同时可以固碳，刚毛藻和水生植物的综合利用经济价值，碳纤维的高比表面积和水肥利用的缓释功能，说明碳纤维净水技术比目前的其它水质净化技术优越，为水肥资源的循环利用和彻底解决湖泊富营养化问题提供了参考。 图3 武汉东湖官桥子湖蓝藻暴发现场照片 图4 武汉

15、东湖碳纤维试验场二苦草照片（2012年8月23日） （2012年8月23日）示范二：青菱河陈家山闸排污沟白沙洲水厂上游3公里和4公里处分别有汤逊湖泵站和陈家山闸。武汉市环保局报告显示：上游青菱河陈家山闸的污水排放，影响下游白沙洲水厂取水口源水质量，最终导致武昌局部地区自来水有异味。虽然在处理过程中不得不在国家规定的安全值内，加大了氯的投放量，同时缩短沉淀池内的排泥周期，由之前一天1次变为一天3次。但是出厂水游离余氯无法检出，并有轻微异味，嗅觉及味觉指标无法达到生活饮用水卫生标准的相关要求。据白沙洲水厂介绍，目前水源水的污染负荷已超出了水厂的净化能力，消毒工序无法正常控制。陈家山排污主要氨氮、挥

16、发酚、铁等污染物超标，水质有异味，该渠道涉及武昌、洪山和东新区约150万人的饮用水安全问题。2011年8月底，根据武汉市水务局需求，本课题组在陈家山闸出口附近青菱河渠尾布设600m3水体的小型示范工程，经武汉市排灌站检测分析，青菱河渠尾示范区34天氨氮去除率高达94.12%，TN去除率为47.19%，COD去除率为27.76%。，大水漫灌试验区时TP比试验区外减少60.19%。本实验说明在排污渠布设碳纤维净水产品，可以有效快速降低氨氮和多种污染物，能够保障排水闸下游白沙洲水厂取水安全。示范三：香港新世界佛山高尔夫球场景观湖2013年4月，我们自产碳纤维净水产品在香港新世界佛山高尔夫球场景观湖4

17、00m2湖泊使用，由香港新世界佛山地产公司委托佛山一家水质检测公司检测水质，检测结果表明：碳纤维投入4天时间，有机物、营养物、感官等多项指标完全达到景观回用水标准，水质从劣V类提升到III类水质。4 碳纤维生态净水产品原位修复的生态系统水生植物主要包括三大类：水生维管束植物，水生藓类和高等藻类。在水体修复中应用比较广泛的是水生维管束植物，它具有发达的根系组织，植物个体比较高大，按生活型可分为浮叶、挺水、沉水和漂浮4种类型1。不同生活型的水生植物改善水质的机理与作用有一定差异，水生植物是自然生态系统的重要组成部分，对维护水域生态系统结构的完整性、稳定性有决定性作用，水生植物通过吸附水体中的颗粒、

18、悬浮物质，提高了水体透明度，增加水体溶解氧，同时向水体释放化感物质，抑制浮游植物的生长，植物生长成熟后，打捞植物或者以产品的形式把N、P带出水体，水体中的水生植被覆盖面积越大、种类越多、量越大从而促进生态系统的稳定。随着人类活动对湖泊生态系统影响的加剧，湖泊富营养化频频暴发，湖泊大型水生植物逐渐减少，甚至消失，一些湖泊中的珍贵沉水植物几乎灭绝，湖泊生态系统的生物多样性和稳定性受到严重威胁。根据近几十年东湖水生植被群落生长趋势来看，水生植被种类大大减少，植被多样性指数明显下降，尤其是在夏季，温度升高，水体中大量的营养盐会诱发蓝绿藻的大量繁殖、暴发，与水生植被形成竞争，水体溶解氧降低，透明度下降，

19、导致大量的水生植衰退消失。武汉东湖长期处于V类水与劣V类水之间，水体污染严重，很多水生植被对水质环境有一定的要求，据统计，东湖某些水体污染较为严重的区域基本没有水草，如2003年前后水果湖、郭郑湖、庙湖几乎没有水生维管束植物，特别是近50年以来，很多物种已经消失，东湖水生植物群丛种类越来越少，结构越来越趋向于单一化，许多植物种群分布面积逐渐缩小，甚至已经消失，东湖水生植被种类和数量的减退、消亡与水体富营养化、人类活动有着必然的关系，恢复东湖当前的生态系统刻不容缓2。因此，控制湖泊水体富营养化，抑制水华藻类的生长、繁殖迫在眉睫，水生植被的修复/重建被认为是改善湖泊水质和湖泊生态恢复的重要手段，是

20、近年来水体修复生态技术研究的热点之一39。水生植被的重建、恢复，不同于上述水生植被的组建，它是指湖泊原有已被破坏的植被的重新恢复，但在水生植被的修复中，沉水植物的重建和修复较挺水、浮水和浮叶植物困难。因此，沉水植物的重建和修复应作为湖泊治理和生态修复的关键技术进行研究3。只有沉水植物的恢复才能实现全湖性的湖泊生态系统的修复，达到湖泊水质改善的目标。以往通过各种技术恢复成功的水生植物也主要是挺水植物、漂浮植物及浮叶植物，由于这些植物只能在浅水水域或滨岸水域生长，无法扩展到湖中心水域，因此，迄今为止，尚未有全湖性的水生植物恢复成功，特别是沉水植物恢复成功的先例4。因此，沉水植物的重建和修复应作为湖

21、泊治理和生态修复的关键技术进行研究5。本研究采用碳纤维净水技术，在短时间内不仅使实验区内的水质从劣V类水上升II类水，水体清澈见底，水体透明度显著增加，最高可达2.0米。而且没有种植任何水生植被的情况下，重建了七种水生植被，示范区内水体水质与东湖相比，实验区内的水质显著改善，试验场内各种营养盐含量、有机物显著降低，实现了水体从“浊水态”向“清水态”的快速转换，形成了碳纤维-微生物-刚毛藻-水生植物-水生动物的共生生态系统（见图5、图6、图7）。这种共生生态系统协同碳纤维净水产品共同进一步改善水质，是本示范工程在半年内提升水质4级的主要原因。图5 碳纤维-动态生物膜-活性污泥团-刚毛藻藻场图6 试验场一碳纤维-微生物-刚毛藻-沉水植物共生系统照片图7 示范区二碳纤维-微生物-刚毛藻-沉水植物共生系统照片5 结论目前主要的治理措施是控源、截污、生态修复等。集中的点源可以通过污水处理厂和配套管网系统比较容易得到控制，分散的生活污水、禽畜污水、农业生产废水则不易收集治理，成为水污染治理难题。碳纤维净水产品是一种高吸附性能材料，具有生物亲和性，在治理水污染中可以作为一种填料与现有水处理系统结合使用，可以快速提标。对于湖泊治理而言，碳纤维净水产品不仅可以控制输入源