专利名称：碳纤维湿地式生态浮床及其设置方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纤维湿地式生态浮床及其设置方法，属于污水处理领域。
背景技术：
生态浮床技术是应用无土栽培技术，把水生植物或改良驯化的陆生植物移栽到漂浮在水面且可承受较大重量的竹子、聚苯乙烯发泡板等材料做成的载体上，通过植物深入水中的强大根系吸收、吸附、截留水体中的氮磷等营养物质的技术，同时植物根系附着的微生物降解水体中污染物，并以收获植物体的形式将其搬离水体，从而达到净化水质的目的，是一种行之有效的原位生态修复技术。20世纪的初期，浮床技术开始兴起并被用作鸟类栖息地和鱼类的产卵场所。之后在20世纪80年代，德国的学者设计出了这种现代的生态浮床，并首次将其应用于净化污染 水体。直到1995年国际湖泊会议召开后，该技术被进一步认可，并迅速在日本、欧美等发达国家得到推广和应用。我国是在1991年引进了生态浮床技术，现在，已经将其广泛应用于湖泊、水库、城市河道等不同污染水体的治理中。现在，在世界范围内，生态浮床技术已经成为一项重要的水质修复技术，并且已经成功地应用于许多湖泊、河流的生态修复、生态整治工程中。例如在我国的南京熙园，无锡五里湖，北京什刹海，永定河等多个地方的污染水域均进行了生态浮床生态工程，结果显示，该技术对水体有较好的净化效果，TN、TP均能降低50%，水体透明度得到提高，藻类密度降低，水体中溶解氧增加。尤其地，在上海市利用生态浮床技术治理城市内的河道，不仅有效消除了水体的黑臭现象、控制了水华爆发的危机，而且美化了城市的环境。生态浮床的主要特点生态浮床是一种原位生态修复技术，一般适用于河流、湖泊及水库等只能原位进行净化的水体；它主要是利用浮床上的植物对水体中富营养化物质的吸收作用以及植物发达根系上附着的微生物的自身新陈代谢作用来分解污染物，从而实现污水的净化；其次，这是一种纯生物的治理技术，不会产生污泥等，不会有二次污染问题；再次，该项技术的应用能增加水体中的生物多样性，使已经遭到生态破坏的水体生态系统恢复生态平衡；最后，该技术还能起到景观及美化环境的作用，其中，如果种植经济作物能有一定经济效益；总的来说，该技术具有低投资，低耗能的优点。然而，在生态浮床的实际运用过程中，也存在一些问题首先，我们知道浮床植物根部的吸收能力有限，浮床植物根系上微生物量和种类也有限，对于污染较重的水体，导致这种传统的浮床工艺处理效果受限。另外，浮床植物梗系的比表面积有限，为微生物提供的栖息面积也受限。现阶段，浮床的抗风浪能力较弱，床体不够稳固。技术的可靠性及稳定性还不是很高。现阶段的浮床技术处理效果虽较好，但耗时长，很难满足一些时效性要求较高的处理项目。随着各种生活污水工业废水的处理工艺的大力发展，已开发出大量适用于生活生产污水处理的技术和工艺，然而，现阶段我国的地表水的污染问题越来越严重，湖泊河流水库水体的治理越来越引起了国家及政府的重视，如何开发出有效的地表水体的净化技术已经成为研究人员的新课题，也越来越受到重视。
发明内容
本发明旨在提供一种新型的碳纤维湿地式生态浮床及其设置方法，以改善传统浮床的净化能力有限，耗时长的现状。本发明的技术方案如下一种碳纤维湿地式生态浮床，包括床体、生物碳纤维材料、浮床植物以及湿地槽；所述湿地槽设置在床体内部，并凸出于床体底部；所述湿地槽内部填满多孔轻质人工湿地填料；填料中间种植有浮床植物，浮床植物根系布满整个湿地槽内部，形成网状结构；所述生物碳纤维材料悬挂在所述湿地槽底部的悬挂杆上。 进一步地，所述床体为PVC泡沫床体。进一步地，所述湿地槽包括湿地槽支撑杆、湿地槽框架、尼龙绳网、悬挂杆、悬挂孔以及悬挂绳；所述湿地槽支撑杆、湿地槽框架采用轻质耐水材料竹片，湿地槽支撑杆将整个湿地槽支撑在浮床床体上；所述湿地槽框架与上部的湿地槽支撑杆连接，设置于湿地槽支撑杆下部，所述尼龙绳网固定在湿地槽框架外，湿地槽底部设置有悬挂杆，悬挂杆上设置有悬挂孔，悬挂孔中设置有悬挂绳。进一步地，所述生物碳纤维材料为生态碳纤维复合材料或生物碳纤维水处理填料。其中，所述生态碳纤维复合材料包括芯层和外层，芯层由比表面积大于1300m2/g的生物活性碳纤维构成，外层由丙纶纤维的网眼布构成，外层包裹在芯层的外周。进一步地，所述生态碳纤维复合材料还包括均匀设置在外层上的环状毛圈部，所述环状毛圈部由丙纶纤维和涤纶纤维复合而成。所述生物碳纤维水处理填料具有生物相容性，呈束状或圆盘状，垂直放置在水中，具有水草状生态结构，能随流动的水体飘动。进一步地，所述湿地槽内部的湿地填料内投加有微生物菌剂,所述微生物菌剂由光合细菌、酵母菌、芽抱杆菌、硝化细菌、反硝化细菌中的多种组成。进一步地，所述浮床植物为挺水植物，包括黄菖蒲、香蒲、芦苇、水葱或者千屈菜；或者所述浮床植物为经济类蔬菜作物；或者所述浮床植物为观赏类花草的一种以上的任意组合。整个床体能够提供浮床上结构的全部浮力，能使整个浮床漂浮于水面，浮床大小及碳纤维长度则可根据水源地情况由人工掌控及改变。上述碳纤维湿地式生态浮床的设置方法，包括如下步骤步骤一先将湿地槽内部填满多孔轻质的湿地填料，并将所述浮床植物栽培到湿地槽内部的湿地填料中；步骤二 把所述生物碳纤维材料按需要密度悬挂在湿地槽底部悬挂杆的小孔上；步骤三在湿地槽内部的湿地填料间投加微生物菌剂；步骤四将装好湿地填料、浮床植物以及挂好生物碳纤维材料的湿地槽放入PVC泡沫床体内，并将各个浮床之间用绳子或铁丝连接起来；步骤五将步骤四中连接起来的浮床放到微污染水体中，在浮床周围的水体中投加微生物菌剂。其中，连接起来的所有浮床覆盖所述水体水面面积的30%_50%。
有益效果本发明所提供的碳纤维湿地式生态浮床，将生态浮床、生物接触氧化以及人工湿地工艺合理地结合在一起，使污水先经过生物接触氧化使大部分污染物降解，再经过湿地结构的截留与进一步降解，最后再经过植物根部的吸收作用，最终使污水水质得到很好的改善。同时，植物的合理布置能美化环境，提高生态多样性，促进整个浮床系统的降作用。本发明所提供的浮床结构下方的生态碳纤维复合材料，通过将比表面积大于1300m2/g的生物活性碳纤维作为芯层，使这种生物碳纤维材料具有比表面积大、孔径分布合理，吸附性高的特点，纤维材料挂膜后对CODcr的去除率在80%以上，氨氮去除率在60%以上的效果。此外，本发明中所提供的生态碳纤维复合材料通过对生物活性碳纤维进行表面活性处理，使其具有优异生物相容性，不仅通过自身的吸附作用净化水体，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，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。能有效提高浮床对污水的处理效果，大大缩短了水 质修复的时间。本发明所提供的生态碳纤维复合材料通过将比表面积大于1300m2/g的生物活性碳纤维作为芯层，并在芯层外侧设置丙纶纤维网眼布以起到增强作用，使这种生态碳纤维复合材料在具有比表面积大、孔径分布合理，吸附性高的优势的同时，具有较高的强度，进而坚固耐用，便于清洗维护，不易藏纳污泥，减少了更换次数，延长了使用寿命。本发明所提供的生态碳纤维复合材料通过在外层设置环状毛圈部对污水中的微生物和有机污染物有拦截作用，有利于生物活性碳纤维吸附微生物菌群和有机污染物，同时由丙纶纤维和涤纶纤维构成的环状毛圈自身也具有挂膜作用，在其表面形成微生物膜，通过新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。另外，本发明中所提供的另一种浮床水处理填料(即生物碳纤维材料)-高强度生物碳纤维水处理填料，由于比表面积大，高强度碳纤维经过表面处理后成为具有优异生物相容性的高强度生物碳纤维，不仅通过自身的吸附作用净化水体，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，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。该种高强度生物碳纤维水处理填料具有水草状仿生结构，而且直径很细(5-7微米)，成功解决了目前污水净化和废水处理过程中微生物挂膜填料挂膜速度慢、容易腐烂、容易藏纳污泥、不易清洗再生、使用寿命短、填料间水流缓慢、水力冲刷力小、填料料易堵塞且需要经常更换，构筑物维修困难等缺点，具有很高的经济效益。高强度生物碳纤维的拉伸强度为3. 5 — 4. 9GPa，拉伸模量为220 — 240GPa,使填料具有很高的强度，坚固耐用，便于清洗维护，不易藏纳污泥，更换次数少，使用寿命长。高强度生物碳纤维水处理填料制成条带状使用，垂直放置在水中，构成水草状仿生结构，随流动的水体飘动，类似水草的飘动，作用范围大，水处理效果明显增强。本发明中的高强度生物碳纤维除了具有吸附污染物和生物挂膜作用外，而且具有非常高的强度，束状或圆盘状高强度生物碳纤维填料构成水草状仿生结构，对污水中的微生物和有机污染物具有拦截作用，有利于生物碳纤维吸附微生物菌群和有机污染物，通过新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。
本发明所提供的湿地槽，是将传统浮床与生物接触氧化技术结合到一起，起到承上启下作用的关键结构，内填充的人工湿地填料，采用多空隙大比表面积高生物活性的填料，具有高保水性，能有效富集大量微生物，作用于植物跟系，同时还能起到固定植物的作用，此外，这种填料的轻质的特点也使得浮床更易于漂浮在水面上。湿地槽内部形成的多空隙厌氧环境能够为厌氧菌提供好的生长环境，有助于硝化反硝化的进行，最终能提高脱氮除磷的效率。湿地槽的使用，使植物的根系能完整与水体接触，大大提高了净化效果。同时，通过不同植物的配比种植还能有美化环境的景观作用，在净化污水的同时也美化了环境。本发明所提供的碳纤维湿地式生态浮床，在微污染水体中使用后，大大提高了水质净化的速度及效果。多重的截留、微生物膜的降解以及吸附作用能在较短时间很大程度上去除CODcr、氨氮及总磷，与此同时，水生植物的根系能分泌抑藻因子，组织藻类的光合作用，能有效的抑制水体中的藻类数量。
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中 图I为本发明碳纤维湿地式生态浮床侧视图；图2为本发明碳纤维湿地式生态浮床俯视图；图3为本发明湿地槽结构示意图。图中，I-浮床植物,2-床体，3-湿地槽,4-悬挂杆,5-生物碳纤维材料,6_湿地填料，7-湿地槽支撑杆，8-湿地槽框架，9-尼龙绳网，10-悬挂孔；11_悬挂绳。
具体实施例方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行详细地说明，但如下实施例以及附图仅是用于理解本发明，而不能限制本发明，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。为了改善现有的生态浮床工艺中作用时间长的问题，提高生态浮床的处理效果及缩短作用时间，研发人员从从生态浮床的结构以及材料等方面进行了研究。为了兼顾生态浮床的运行成本及漂浮水面的特性，研发人员对浮床的结构及材料进行了研究，通过采用一些高强度、耐污染、高生物活性以及轻质的材料，提高了浮床的处理效率，降低了成本。如图I所示，在本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种碳纤维湿地式生态浮床，该碳纤维湿地式生态浮床包括浮床植物I、床体2、湿地槽3、悬挂杆4以及生物碳纤维材料5 (具体可为生态碳纤维复合材料或生物碳纤维水处理填料)。湿地槽3位于床体2的内部，悬挂杆4位于湿地槽3的底部,生物碳纤维材料5悬挂于悬挂杆4上。如图2所示，床体2内部设有4个湿地槽3。湿地槽3内部种植浮床植物1，植物发达的根系能遍布整个湿地槽3内部的填料之间，形成以个微生物富集以及物理截留的网状结构。浮床植物I为挺水植物，包括黄菖蒲、香蒲、芦苇、水葱或者千屈菜；或者所述浮床植物I为经济类蔬菜；或者所述浮床植物I为观赏类花草的一种以上的任意组合。如图3所示，湿地槽3结构包括湿地槽支撑杆7、湿地槽框架8、尼龙绳网9、悬挂杆
4、悬挂孔10以及悬挂绳11。
其中湿地槽支撑杆7、湿地槽框架8采用轻质耐水材料竹片，湿地槽支撑杆7能将整个湿地槽支撑在浮床PVC泡沫床体上。尼龙绳网9固定在湿地槽框架8外，保证湿地填料6能集中在湿地槽3内部，同时增加湿地填料6和植物根系同水体的接触面积。悬挂杆4采用较宽的轻质耐水材料竹片，固定在湿地槽3下方，悬挂杆4上有悬挂孔10，数量由所需要悬挂的填料，即生物碳纤维材料5的密度来确定。每一个悬挂孔10上系有悬挂绳11，用于固定湿地槽3下方的生物碳纤维材料5。本发明中所采用的浮床内部的湿地槽3采用的是轻质耐水材料竹片及尼龙绳网9的网状结构的长方体槽。内部填满轻质的多孔湿地填料6，一方面能截留，富集微生物，从而降解水中污染物。另一方面还起到固定植物的作用。
本发明中所采用的湿地填料6采用轻质的湿地填料，在水中的重量基本可以忽略，该种填料密度小，多空隙，保水性强，具有高生物性能以及大的比表面积，能同时起到吸附及微生物富集以及降解有机物的作用。本发明中所采用的生态碳纤维复合材料包括芯层，由生物活性碳纤维构成，该生物活性碳纤维的比表面积大于1300m2/g ;外层，由丙纶纤维网眼布构成，外层包裹在芯层的外周。进一步地，上述生态碳纤维复合材料还包括均匀地设置在外层上的环状毛圈部，该环状毛圈部由丙纶纤维和涤纶纤维复合而成。进一步地，上述生物活性碳纤维为厚度为O. 5 5mm的聚丙烯腈基生物活性碳纤维毡；厚度为O. 5 5mm的粘胶基生物活性碳纤维毡；或者由喷吹法制备的浙青基生物活性碳纤维，上述丙纶纤维的网眼布由直径为200D 500D的丙纶纤维丝编织而成；以及上述环状毛圈部由直径为150D 600D的丙纶纤维丝和涤纶纤维丝编织而成。本发明中所采用的另一种水处理生物碳纤维材料5，是生物碳纤维水处理填料。优选地，上述生物碳纤维水处理填料所用生物碳纤维要先进行高强度碳纤维表面脱胶处理。以高强度聚丙烯腈基碳纤维(T300、T700)为原料，通过在空气中300-500°C热处理去除碳纤维表面的上胶剂，市售的高强度聚丙烯腈基碳纤维表面都有一层树脂类上胶齐U，这一层上胶剂不利于吸附微生物菌群和有机污染物，所以必须进行脱胶处理。优选地，上述高强度生物碳纤维表面能低，与水的润湿性差，表面呈现出疏水性，经表面修饰处理后，碳纤维表面含氧官能团增加，表面能增加，与水的润湿性得到改善，接触角变小，表面呈现出亲水性。在污水处理过程中对污染物的吸附以及生物膜的负载都与碳纤维表面官能团的结构与组成密切相关，通过调整表面修饰方法和工艺参数，制备出润湿性好和微生物相容性高的生物碳纤维。通过上一步脱胶处理的高强度碳纤维表面的官能团比较少，需要进一步进行表面修饰改性，采用空气氧化法对碳纤维进行表面改性处理，在空气气氛下在400 - 600°C对碳纤维进行氧化处理，在碳纤维表面生成多种活性含氧官能团，制备出具有生物相容性的高强度生物碳纤维。优选地，上述高强度生物碳纤维进行束状或圆盘状高强度生物碳纤维水处理填料的制备。把高强度生物碳纤维截成一定长度，制成束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料，使用时垂直放置在水中，构成水草状仿生结构，随流动的水体飘动，类似水草的飘动，作用范围大，水处理效果明显增强。
PVC泡沫床体2提供整个浮床结构所需要的浮力，经过研发人员的研究，本发明中所采用的Im2的浮床床体能够负重60Kg。完全能够提供整个浮床上的重量。在具体实施时，整个浮床是由单个的床体拼接而成的，所以浮床的实际面积可以根据水质的情况而做相应的改变，另外，生物碳纤维复合材料的长度也是可以根据水源地及水质的情况做相应改变的。在具体实施时，若对见效时间要求不高，也可以在浮床安装完成后让浮床采用自然挂膜的方式完成微生物的挂膜及富集，该过程需要保证水体中的溶解氧在3 — 5mg/L进行挂膜，挂膜成功后能对水体有很好很快的净化作用；若对见效时间要求较高，可以再水体内部投加EM菌粉，同时增加水体中的溶解氧，保证水体中的溶解氧在3 — 5mg/L，较短时间就能让微生物迅速挂膜，快速净化污水。以下将结合具体实施例，进一步说明本发明的湿地结构、生物碳纤维材料5的运用以及包括植物在内的净化系统对污水净化的有益效果。
实施例I湿地结构湿地槽生物碳纤维材料生态碳纤维复合材料浮床植物水葱、千屈菜、黄菖蒲浮床结构PVC泡沫床体2，床体内部布设湿地槽3，床体上种植水生植物，床体2下方悬挂生态碳纤维复合材料。在本实施例中，采用动态连续进出水，水力停留时间为2天，植物种植密度为16棵/m2，在浮床放入水中后按照该发明的实现方式投加微生物菌剂，让填料挂膜一周后开始每天测定水质。实施例2湿地结构湿地槽生物碳纤维材料生物碳纤维水处理填料浮床植物水葱、千屈菜、黄菖蒲浮床结构PVC泡沫床体2，床体2内部布设湿地槽3，床体2上种植水生植物，床体2下方悬挂生物碳纤维水处理填料。在本实施例中，采用动态连续进出水，水力停留时间为2天，植物种植密度为16棵/m2，在浮床放入水中后按照该发明的实现方式投加微生物菌剂，让填料挂膜一周后开始每天测定水质。对比例I湿地结构无生物碳纤维材料无浮床植物水葱、千屈菜、黄菖蒲浮床结构传统生态浮床，PVC泡沫床体，床体上种植水生植物在本对比例中，采用动态连续进出水，水力停留时间为2天，植物种植密度为16棵/m2，一周后开始每天测定水质。采用实施例1-2的碳纤维湿地式浮床和由对比例I的浮床对比对污水进行测试。
采用实施例1-2中浮床和对比例I浮床对水产养殖污水进行净化处理，水产养殖污水的水质参数如表I所示，污水处理结果如表2所示。表I
权利要求
1.一种碳纤维湿地式生态浮床，其特征在于包括床体、生物碳纤维材料、浮床植物以及湿地槽；所述湿地槽设置在床体内部，并凸出于床体底部；所述湿地槽内部填满多孔轻质人工湿地填料；填料中间种植有浮床植物，浮床植物根系布满整个湿地槽内部，形成网状结构；所述生物碳纤维材料悬挂在所述湿地槽底部的悬挂杆上。
2.根据权利要求I所述的碳纤维湿地式生态浮床，其特征在于所述床体为PVC泡沫床体。
3.根据权利要求I所述的碳纤维湿地式生态浮床，其特征在于所述湿地槽包括湿地槽支撑杆、湿地槽框架、尼龙绳网、悬挂杆、悬挂孔以及悬挂绳；所述湿地槽支撑杆、湿地槽框架采用轻质耐水材料竹片,湿地槽支撑杆将整个湿地槽支撑在浮床床体上；所述湿地槽框架与上部的湿地槽支撑杆连接，设置于湿地槽支撑杆下部，所述尼龙绳网固定在湿地槽框架外，湿地槽底部设置有悬挂杆，悬挂杆上设置有悬挂孔，悬挂孔中设置有悬挂绳。
4.根据权利要求I所述的碳纤维湿地式生态浮床，其特征在于所述生物碳纤维材料为生态碳纤维复合材料或生物碳纤维水处理填料。
5.根据权利要求4所述的碳纤维湿地式生态浮床，其特征在于所述生态碳纤维复合材料包括芯层和外层，芯层由比表面积大于1300m2/g的生物活性碳纤维构成，外层由丙纶纤维的网眼布构成，外层包裹在芯层的外周。
6.根据权利要求5所述的碳纤维湿地式生态浮床，其特征在于所述生态碳纤维复合材料还包括均匀设置在外层上的环状毛圈部，所述环状毛圈部由丙纶纤维和涤纶纤维复合。
7.根据权利要求4所述的碳纤维湿地式生态浮床，其特征在于所述生物碳纤维水处理填料具有生物相容性，呈束状或圆盘状，垂直放置在水中，具有水草状生态结构，能随流动的水体飘动。
8.根据权利要求I所述的碳纤维湿地式生态浮床，其特征在于所述湿地槽内部的湿地填料内投加有微生物菌剂，所述微生物菌剂由光合细菌、酵母菌、芽抱杆菌、硝化细菌、反硝化细菌中的多种组成。
9.根据权利要求I所述的碳纤维湿地式生态浮床，其特征在于所述浮床植物为挺水植物，包括黄菖蒲、香蒲、芦苇、水葱或者千屈菜；或者所述浮床植物为经济类蔬菜；或者所述浮床植物为观赏类花草的一种以上的任意组合。
10.根据权利要求1-9中任一项所述碳纤维湿地式生态浮床的设置方法，其特征在于包括如下步骤 步骤一先将湿地槽内部填满多孔轻质的湿地填料，并将所述浮床植物栽培到湿地槽内部的湿地填料中； 步骤二 把所述生物碳纤维材料按需要密度悬挂在湿地槽底部悬挂杆的小孔上； 步骤三在湿地槽内部的湿地填料间投加微生物菌剂； 步骤四将装好湿地填料、浮床植物以及挂好生物碳纤维材料的湿地槽放入PVC泡沫床体内，并将各个浮床之间用绳子或铁丝连接起来； 步骤五将步骤四中连接起来的浮床放到微污染水体中，在浮床周围的水体中投加微生物菌剂。
全文摘要
本发明涉及一种碳纤维湿地式生态浮床及其设置方法，属于污水处理领域。包括床体、生物碳纤维材料、浮床植物以及湿地槽；所述湿地槽设置在床体内部，；所述湿地槽内部填满多孔轻质人工湿地填料；填料中间种植有浮床植物；所述生物碳纤维材料悬挂在所述湿地槽底部的悬挂杆上。本发明将生态浮床、生物接触氧化以及人工湿地工艺合理地结合在一起，使污水先经过生物接触氧化使大部分污染物降解，再经过湿地结构的截留与进一步降解，最后再经过植物根部的吸收作用，最终使污水水质得到很好的改善。同时，植物的合理布置能美化环境，提高生态多样性，促进整个浮床系统对污染物的降解作用。
文档编号C02F3/30GK102826657SQ20121030894
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者海热提·吐尔逊, 杨林燕, 赵东林, 刘燕 申请人:北京化工大学, 北京沃野园林绿化工程有限公司