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

針對北京市水產養殖中高密度池塘養殖存在的污染特點，本中心研究人員多次深入養殖企業考察，與公司領導和一線員工深入交談，對水產養殖中的周期規律以及集約化養殖過程中所遇到的問題進行了了解，并現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殖水體凈化難度的癥結所在。
根據池塘養殖水體水質特點，圍繞北京池塘養殖水質凈化和生物修復問題，在北京市科技計劃項目“國家現代農業科技城成果惠民科技示范工程”課題“水產養殖水體修復與凈化技術研究與示范”的支持下，本中心提出原位修復與循環凈化措施相結合的組合技術，應用組合式生態浮床技術并結合本中心自主研發的新型高效人工介質——新型生態碳纖維材料來實現池塘水體原位修復；在此基礎上，在通州區選取水產養殖場，開展新型池塘養殖水體循環凈化和原位修復技術的集成示范與應用，從而達到降低水產養殖環境風險和保證水產品質量安全的目標。

二、漁場概況

工程技術中心選取通州張家灣鑫淼水產養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。

鑫淼水產養殖場水質指標為：COD 30mg/L，氨氮1.9mg/L。本工程示范建設處理650m3的池塘養殖水體循環凈化水量，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床系統以及一體化循環凈化設施的建設，使池塘水體滿足養殖需要。
工程示范共對鑫淼水產養殖場中兩個育苗池進行了碳纖

維生態浮島原位修復。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，工程技術中心組織專家對所設計的張家灣鑫淼漁場水質凈化與修復碳纖維生態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

該廠原先采用傳統的毛刷填料，該填料質地堅硬，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，但需經常更換，經濟性并不明顯。因此總體而言，并不適用于養殖水體的修復。

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，環境安全性與生態親和性優越，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良卵床與養育空間。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。利用生物纖維草構建水下森林，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生態鏈逐步建立。在大量的工程實例中，經過生物碳纖維材料凈化之后的水體水質都可明顯改善。

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，經過多級接觸氧化或流化床等工藝的凈化，用于水質循環或者排入河道。該類工藝占地面積較廣，且需大量的基建和運行費用，對大部分水產養殖公司而言，具有很大的土地及經費方面的困難。這也是造成北京市水產養殖行業污染逐漸增加的關鍵原因。

在本工程示范中，本中心研究人員通過大量的技術論證和對比試驗后，決定采用碳纖維生態浮島凈化工藝對水產養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，適用于各類水產養殖公司。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，是養殖水體凈化的優選工藝。

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。

碳纖維浮島施工現場圖

泡沫浮島

聚丙烯花碟浮島

經過兩周的穩定運行，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，檢測水質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、總氮等數據。

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

3.3運用碳纖維一體化膜反應器實現水循環

現代漁業發展的趨勢為工廠化，集約化養殖，這種養殖方式的特點是在有限的空間內大幅度提高魚的養殖密度，因而對養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具有占地面積小，水力停留時間短、出水水質好等優點，針對傳統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新的生物碳纖維+氣升循環一體式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，充分利用曝氣所產生的推動力，使水在好氧和缺氧條件下循環流動，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的效果，中間隔板不僅將好氧區和缺氧區進行了區分，同時也使好氧區中攜帶的氣泡溢出，使缺氧區維持較低的溶解氧。

水質循環MBR裝置示意圖



水質循環MBR裝置圖

2013年初，中心研究人員在鑫淼水產養殖場進行了20m3碳纖維一體化水質循環膜反應器的設計與安裝，通過調整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，一體化反應器的出水已滿足魚池的用水循環的水質要求，下一步將通過工程化的示范以確定該工藝用于水產養殖水質循環的可靠性。

3.4解決難題

在水產養殖八大要素中，水的重要性處于第一位。本課題組的調研結果表明，北京市的多個淡水養殖場中，水質均不達標，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，經過生態碳纖維浮島的原位處理，養殖水體中的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，并且由于水質的明顯提高且持續保持穩定，兩個池體已經一個月未進行換水，加之一體化膜反應器能夠實現水的循環利用，因此，該示范工程在保證水質安全的基礎上節約了大量的水資源。

四、優勢分析

通過工程示范穩定之后兩個月的觀察，碳纖維生態浮島取得了良好的原位修復效果。其相對于傳統的養殖水體修復技術有如下明顯的優勢。

1.魚苗成活率高

水質的改善，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濟效益。

2.養殖密度高

該示范中，由于生態浮島的運用，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，在利用碳纖維生態浮島原位修復技術提高漁場水質的情況下，可穩定提高魚苗的養殖密度，帶來可觀的經濟效益。

圖5 池內喂魚現場圖

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，經濟性良好。考慮到碳纖維浮島的使用節約了大量的循環用水，碳纖維材料的高氧氣利用率減少了曝氣量，則經濟性能更加顯著。

4.環境效益好，附有經濟價值

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