北京市水处理新型材料工程技术研究中心依托北京化工大学环境科学与工程技术中心，由国家碳纤维工程技术研究中心和有机无机复合材料国家重点实验室提供技术支撑，由中国通用机械工程总公司、北京金源新化环境技术有限公司、中科宇图（北京）资源环境科学研究院等共同建立的北京市重点工程技术中心。自中心成立以来，凭借着扎实的专业理论知识和科研攻关能力，通过项目研发的实施、产业化应用，在以学科带头人为核心的组织下，已经开展了多项课题的研究工作，并且取得了卓越的成绩。
针对北京市水产养殖中高密度池塘养殖存在的污染特点，本中心研究人员多次深入养殖企业考察，与公司领导和一线员工深入交谈，对水产养殖中的周期规律以及集约化养殖过程中所遇到的问题进行了了解，并现场考察了污水末端治理设施，对采集的水样进行了检测，从理论的角度分析了养殖水体净化难度的症结所在。
根据池塘养殖水体水质特点，围绕北京池塘养殖水质净化和生物修复问题，在北京市科技计划项目“国家现代农业科技城成果惠民科技示范工程”课题“水产养殖水体修复与净化技术研究与示范”的支持下，本中心提出原位修复与循环净化措施相结合的组合技术，应用组合式生态浮床技术并结合本中心自主研发的新型高效人工介质——新型生态碳纤维材料来实现池塘水体原位修复；在此基础上，在通州区选取水产养殖场，开展新型池塘养殖水体循环净化和原位修复技术的集成示范与应用，从而达到降低水产养殖环境风险和保证水产品质量安全的目标。
二、渔场概况
工程技术中心选取通州张家湾鑫淼水产养殖场为本工程示范的试点，通过对其水体的污染原因及指数分析，曝气方案改造和水体原位修复方案设计，完成了渔场水体修复与净化工程的示范。
鑫淼水产养殖场水质指标为：COD 30mg/L，氨氮1.9mg/L。本工程示范建设处理650m3的池塘养殖水体循环净化水量，通过原位修复体系活性碳纤维载体、多廊道式碳纤维复合生态床系统以及一体化循环净化设施的建设，使池塘水体满足养殖需要。
工程示范共对鑫淼水产养殖场中两个育苗池进行了碳纤
维生态浮岛原位修复。其中，池塘1：长28.2m，宽10.9m，高1.3m，水高1.1m，面积307.38m2，水量350 m3；池塘2：长23.9m，宽10.9m，高1.3m，面积260 m2，水量300m3。
池塘1
池塘2
2013年初，工程技术中心组织专家对所设计的张家湾鑫淼渔场水质净化与修复碳纤维生态浮岛工艺工程实施方案进行了考察与论证。同年3月，鑫淼渔场示范工程开始启动，先后进行了碳纤维填料的更换、碳纤维生态浮床的安装、净化植物的种植、鱼苗的投放、示范启动和一体化膜反应器的调试运行，目前该示范工程各项实验正在顺利进行中。
3.1填料更新
该厂原先采用传统的毛刷填料，该填料质地坚硬，比表面积小，不利于微生物的生长附着；若长期安置于水中，可能存在部分化学物质释放对鱼类造成危害的隐患；毛刷填料虽然价格低廉，但需经常更换，经济性并不明显。因此总体而言，并不适用于养殖水体的修复。
本工程示范中，所用的填料是本中心自主研发的高科技生物碳纤维材料，该材料是具有良好生物相容性的纤维状的碳材料，具有强度高、超轻、耐腐蚀、耐高温、水中不溶解，使用寿命长、维护费用低等特点，且表面具有大量含氧官能团，水润湿性良好，环境安全性与生态亲和性优越，不存在物种侵害之忧。
在水体净化中，生物纤维草能成为鱼类及其他高级水生动物的优良卵床与养育空间。水体中的生物链，生物多样性得以恢复，水体恢复到生机盎然的状态。利用生物纤维草构建水下森林，给水生生物搭建栖息地，以微生物、低等水生动植物、高等水生动物为基础的循环生态链逐步建立。在大量的工程实例中，经过生物碳纤维材料净化之后的水体水质都可明显改善。
更换前毛刷填料
更换后碳纤维填料
生物纤维草工程实例图
3.2水体净化工艺的改进
在养殖水体净化工艺中，常用的为接触氧化、流化床等工艺，即将逐渐被污染的水体从鱼池中抽出，经过多级接触氧化或流化床等工艺的净化，用于水质循环或者排入河道。该类工艺占地面积较广，且需大量的基建和运行费用，对大部分水产养殖公司而言，具有很大的土地及经费方面的困难。这也是造成北京市水产养殖行业污染逐渐增加的关键原因。
在本工程示范中，本中心研究人员通过大量的技术论证和对比试验后，决定采用碳纤维生态浮岛净化工艺对水产养殖水体进行原位修复。该工艺不需要重新建设污水处理站，运行管理费用低，适用于各类水产养殖公司。通过植物与碳纤维材料的多重吸收降解，碳纤维生态浮岛对影响鱼群免疫力的非离子氨等具有明显的去除效果，是养殖水体净化的优选工艺。
本工程示范中，共制作大型浮岛11座，共158 m2，占整个水面面积的27.8%。分为泡沫浮岛和聚丙烯浮岛，其中泡沫浮岛共80平米，每平米16个花盆， 16束生物碳纤维材料；聚丙烯浮岛78平米，每平米9个花盆，12束生物碳纤维材料。浮岛种植植物品种包括小香蒲、紫花梭鱼草、美人蕉、慈姑、狐尾藻、菖蒲、千屈菜、黄花鸢尾等，浮岛按照植物种类进行种植。浮岛完成后总体呈长方形，横放于池子当中，两边用尼龙绳固定在岸边，防止浮岛随着水流移动。种植完毕后将浮岛进行固定，开始放水。
碳纤维浮岛施工现场图
泡沫浮岛
聚丙烯花碟浮岛
经过两周的稳定运行，研究人员往两个大池子中共放入鲤鱼鱼苗四千斤，开曝气和回流，一周后开始喂食和定期检测水质，检测水质主要指标为氨氮和亚硝酸盐，并定期检测池中pH、溶解氧、总磷、COD、总氮等数据。
目前碳纤维生态浮岛已经完成施工，植物生长旺盛，鱼苗生活正常。对池内水质进行定期检测发现，COD、氨氮和亚硝酸盐保持在较理想状态，池内的溶解氧浓度保持在8.0 ppm以上，pH在7.5～8.1的范围内。
3.3运用碳纤维一体化膜反应器实现水循环
现代渔业发展的趋势为工厂化，集约化养殖，这种养殖方式的特点是在有限的空间内大幅度提高鱼的养殖密度，因而对养殖水体提出了更高的要求。
由于膜生物反应器相对于其他的生物处理系统具有占地面积小，水力停留时间短、出水水质好等优点，针对传统MBR膜污染速率快、脱氮除磷效果不理想、曝气能耗较高等缺点，本中心提出了自主创新的生物碳纤维+气升循环一体式MBR组合工艺。该工艺的特点是在原有复合式MBR工艺的基础上，充分利用曝气所产生的推动力，使水在好氧和缺氧条件下循环流动，以强化脱氮的效果。通过采用倾斜曝气和倾斜进水的方式，本工艺可以强化循环的效果，中间隔板不仅将好氧区和缺氧区进行了区分，同时也使好氧区中携带的气泡溢出，使缺氧区维持较低的溶解氧。
水质循环MBR装置示意图
水质循环MBR装置图
2013年初，中心研究人员在鑫淼水产养殖场进行了20m3碳纤维一体化水质循环膜反应器的设计与安装，通过调整MLSS，曝气量，HRT等变量，考察其对COD，NH3-N，NO2-N，膜通量等的研究，目前已建立起最佳的工艺参数，一体化反应器的出水已满足鱼池的用水循环的水质要求，下一步将通过工程化的示范以确定该工艺用于水产养殖水质循环的可靠性。
3.4解决难题
在水产养殖八大要素中，水的重要性处于第一位。本课题组的调研结果表明，北京市的多个淡水养殖场中，水质均不达标，存在COD，氨氮及亚硝酸盐等浓度超标问题。尤其是非离子氨氮的浓度过高的话，会导致鱼类的鳃部受伤而影响其自然生长甚至窒息死亡。本示范中，经过生态碳纤维浮岛的原位处理，养殖水体中的COD由初始的30 mg/L降低到了10 mg/L，与鱼的健康密切相关的氨氮浓度由1.9 mg/L降低到了0.3 mg/L以下，亚硝酸盐氮浓度由0.3 mg/L降低到了0.1 mg/L左右。示范中碳纤维材料的运用未显示对鱼苗的生长有任何的副作用，并且由于水质的明显提高且持续保持稳定，两个池体已经一个月未进行换水，加之一体化膜反应器能够实现水的循环利用，因此，该示范工程在保证水质安全的基础上节约了大量的水资源。
四、优势分析
通过工程示范稳定之后两个月的观察，碳纤维生态浮岛取得了良好的原位修复效果。其相对于传统的养殖水体修复技术有如下明显的优势。
1.鱼苗成活率高
水质的改善，尤其是能破坏鱼鳃组织，降低血液的载氧能力的非离子氨浓度的大幅度降低，增强了鱼体的免疫力，使鱼苗的成活率有了很大程度的提高。在本工程示范中，鱼苗的成活率达到了99%以上，从而显著提高了渔场的经济效益。
2.养殖密度高
该示范中，由于生态浮岛的运用，为鱼群提供了栖息的场所，因此示范中鱼苗的投放密度在渔场的原养殖密度上由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。工程示范证明，在利用碳纤维生态浮岛原位修复技术提高渔场水质的情况下，可稳定提高鱼苗的养殖密度，带来可观的经济效益。
图5 池内喂鱼现场图
3.处理成本低
示范工程采用原位修复，无任何浮岛外的基建费用。示范中浮岛面积占整个水面面积的27.8%，小于普通浮岛需占水面面积的30%～50%左右这一标准。示范工程共花费9万元，平均每方水所需的浮岛建设成本仅为140元左右，建成后的浮岛运行和维护方便、简易，运行费用低，经济性良好。考虑到碳纤维浮岛的使用节约了大量的循环用水，碳纤维材料的高氧气利用率减少了曝气量，则经济性能更加显著。
4.环境效益好，附有经济价值
与其它水处理工艺相比，浮岛属于自然处理工艺，具有更好的经济效益。浮岛上栽种的植物美化了环境，和周围环境融为一体，成为新的景观亮点。本示范工程中，利用浮岛种植了部分经济作物，在净化水体的同时可以带来一定的经济收益。（来源：北京市水处理新型材料工程技术研究中心）
