CN101948174A

CN101948174A - 一种无机纤维在水质净化中的应用

Info

Publication number: CN101948174A
Application number: CN2010102795838A
Authority: CN
Inventors: 吴智仁; 徐畅; 蒋素英; 陈兴芬; 高卫民; 徐岗
Original assignee: Jiangsu Atk Environmental Engineering Design & Research Institute Co Ltd; Southeast University; JCK CO Ltd
Current assignee: Jiangsu Atk Environmental Engineering Design & Research Institute Co Ltd; Southeast University; JCK CO Ltd
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2011-01-19

Abstract

本发明公开了一种无机纤维在水质净化中的应用。所述的无机纤维是改性玄武岩纤维或改性玻璃纤维；改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维的结构为组合式或飘带式；改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维最佳是每束含2000根以上单丝的纤维束。本发明的改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维的耐腐蚀、吸湿低、生物亲和性好、生物膜再生容易，成本低，耐久性高，不给环境带来负荷。

Description

一种无机纤维在水质净化中的应用

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体说是一种无机纤维在水质净化中的应用。

背景技术

现在生物接触氧化池内作为微生物的载体材料一般都为合成树脂，其亲水性能(即材料表面吸附水分的能力)和生物亲和性(生物相容性与生物活性)较差，导致生物填料表面润湿、传质性能和微生物附着生长特性欠佳，在微生物挂膜启动速度、挂膜量、膜与填料的紧密度及微生物细胞活性和氧利用率等方面存在不足。而且大量放置后会形成产业废弃物，会给环境带来负荷，引起二次污染。根据日本专利特许厅2954509记载，PAN系碳纤维具有高的生物亲和性和比表面积，具有能快速吸附大量微生物或活性污泥等机能。同时激活微生物的活性，使其分解污染物，作为水质净化效果极好的载体材料倍受瞩目。但碳纤维加工难，制造成本高，作为一种一次性使用的生物膜载体材料，再循环利用困难，无法燃烧处理，使用过后的碳纤维以一种难分解物质形式存在于自然界中，给环境带来负荷。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无机纤维在水质净化中的应用，其制造成本低、对环境无害。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种无机纤维在水质净化中的应用。

所述的无机纤维是改性玄武岩纤维或改性玻璃纤维；改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维的结构为组合式或飘带式；改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维最佳是每束含2000根以上单丝的纤维束。

玄武岩纤维、玻璃纤维具有高强度、高模量、耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高，是纯天然的无机非金属材料。作为水质净化材使用的是经过改性的亲水性玄武岩纤维和亲水性的玻璃纤维。亲水性玄武岩纤维和亲水性玻璃纤维是指在玄武岩纤维、玻璃纤维面涂覆亲水性的表面处理剂。亲水性玄武岩纤维(改性玄武岩纤维)和由亲水性玻璃纤维(改性玻璃纤维)的主要化学成分为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等，作为水质净化接触材具有高度的生物亲和性，原因是它们富含微生物生长需要的生物活性物质，能够激发微生物活性；同时由于玄武岩纤维、玻璃纤维表面涂覆了亲水性表面处理剂，纤维表面含氧官能团增多，提高了纤维表面的润湿性，亲水性的微生物容易扩散到纤维表面，维持适当的厚度。

通过用水溶胶粘结剂进行表面特殊改性处理后的改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维，使得纤维束单丝数量达到2000根以上，保证其具有巨大的比表面积和高的空隙率。能快速将水中的有机污染物、溶解氧以及微生物富集在其表面上，气、液、固三相在空隙中进行高效传质，好氧、兼氧和厌氧状态同时存在，为微生物的生理活动创造出非常适宜的环境条件，改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维的巨大的比表面积能生长出各种碳化菌、氨化菌和硝化菌为组成的高活性生物膜，具有优良的氧化降解和吸附水中污染物的功能，使污染物得到迅速的降解。

不同结构的改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维，具有不同的净化效果。针对不同的污染水域，设置不同结构的改性玄武岩纤维或玻璃纤维净化系统，保证污水、空气和生物膜得到充分掺混接触交换，达到净化效果快、成本低、施工和维护方便的目的。

有益效果：改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维的耐腐蚀、吸湿低、生物亲和性好、生物膜再生容易，成本低，耐久性高，不给环境带来负荷。

附图说明

图1为组合式改性玄武岩纤维的俯视图。

图2为组合式改性玄武岩纤维的整体图。

图3为飘带式改性玻璃纤维的俯视图。

具体实施方式：

根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本发明是将无机纤维应用在水质净化中；所述的无机纤维是改性玄武岩纤维或改性玻璃纤维；改性玄武岩纤维或改性玻璃纤维即亲水性的玄武岩纤维或玻璃纤维，改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维的结构最佳为组合式或飘带式；改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维最佳是每束含有2000根以上单丝的纤维束。

实施例1：

在3个5L的烧杯中，分别加入800ml活性污泥，加入3L水(含有葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾、氯化钠、硫酸镁、氯化钾的有机废水，CODcr约为1000ppm，氨氮约为50ppm，磷约为10ppm)，进行曝气2min，停曝后自然静沉30min，测定每个烧杯的污泥沉降体积(即开始时的沉淀污泥量)。在3个烧杯中分别加入组合形式的改性玄武岩纤维填料，体积相同，一个为200根/束；一个为1000根/束；还有一个为2000根/束；运行条件一致，进行进水水质净化效果的比较。曝气1天后，进行30min自然沉降，进行对沉降污泥进行测量。然后测定上清液的COD，观察不同单丝数量的改性玄武岩纤维组合填料水质净化效果。COD的去除效果如表1(a)所示。

表1(a) (CODcr mg/L)

名称	0h	24h	去除率％
				200根/束	986	456	53.8％
1000根/束	986	400	59.4％
				2000根/束	986	233	76.4％

可以看出：2000根/束的改性玄武岩纤维有机物的去除效果比1000根/束、200根/束的要好，1000根/束和200根/束效果基本相当，说明含单丝2000根以上的改性玄武岩纤维束对COD的去除率有着很好的效果，去除率达到76％以上。

表1(b)为1天后烧杯中污泥的自然沉降体积。

表1(b) 单位：(ml/L)

名称	0h SV₃₀	24h SV₃₀
			200根/束	48	32
1000根/束、	48	30
			2000根/束	48	21

从表1(b)可以看出，2000根/束的改性玄武岩纤维吸附生物量明显比1000根/束、200根/束的要多，1000根/束和200根/束吸附效果基本相当。

实施例2：

其他实验条件同实施例1，唯一不同的是将改性玄武岩纤维改为改性玻璃纤维，实验结果如下：

表2(a) (CODcr mg/L)

名称	0h	24h	去除率％
				200根/束	986	458	53.8％
1000根/束	986	423	59.4％
				2000根/束	986	240	76.4％

可以看出：2000根/束的改性玻璃纤维有机物的去除效果比1000根/束、200根/束的要好，1000根/束和200根/束效果基本相当，说明含2000根以上单丝的改性玻璃纤维束对COD的去除率有着很好的效果，去除率达到76％以上。

2(b)为1天后烧杯中污泥的自然沉降体积。

2(b)单位：(ml/L)

名称	0h SV₃₀	24h SV₃₀
			200根/束	48	35

1000根/束、	48	33
			2000根/束	48	22

从2(b)可以看出，2000根/束的改性玻璃纤维吸附生物量明显比1000根/束、200根/束的要多，1000根/束和200根/束吸附效果基本相当。

实施例3：

柠檬酸厂污水处理站在不改变工艺和不添加设备的条件下，通过加入生物膜载体填料，提高活性污泥池处理能力。因污水中含有2000ppm的钙离子，在本实施例中考核各种生物膜载体填料表面积程度、生物挂膜速度、生物膜再生速率、生物膜处理有机物能力等指标。设置7个体积都为90m³、运行条件一致的活性污泥池，为期2个月。1#池：改性性玄武岩纤维、组合式；2#池：玻璃纤维、组合式；3#池：碳纤维、组合式；4#池：尼龙纤维、组合式；5#池：涤纶纤维、组合式；6#池：聚丙烯弹性填料；7#池：聚乙烯弹性填料、；8#池：对照活性污泥池。生物载体填料设置量统一为池容积的30％。每根填料控制的生物膜载体材料净重量为一致。

表3(a)为7天后各生物载体材料的重量变化，各取2根。

表3(a)

表3(b)为7天后各活性污泥池中污泥沉降30分钟后的测定体积(填料上生物附着量)。

表3(b)

改性玄武岩纤维	1#	720	380	340
					改性玻璃纤维	2#	716	406	310
碳纤维	3#	721	289	432
					尼龙纤维	4#	718	340	378
涤纶纤维	5#	720	422	298
					聚丙烯	6#	718	807	89
聚乙烯	7#	725	827	102
					无	8#	721	721	0

表3(c)为7天后活性污泥池中生物处理有机物(COD)的效果。

表3(c)

从表3(a)、3(b)的数据分析上可以看出：

一个星期后，改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维组合填料、碳纤维组合填料、尼龙纤维组合填料和涤纶纤维组合填料1个星期已经挂膜成功，菌膜厚度达到300-400um；而聚丙烯弹性填料、聚乙烯弹性填料一个星期后发现其表面生物膜附着量非常少，而且易脱落，膜与载体表面的紧密度不高，生物亲和性差。生物附着量从大到小排列依次为：碳纤维组合式、尼龙纤维组合式、改性玄武岩纤维组合式、改性玻璃纤维组合式、涤纶纤维组合式、聚丙烯弹性填料、聚乙烯弹性填料。

从表3(c)CODcr处理效果得出载体上生物膜附着量大，处理效果高的结论。所有加生物载体填料的处理效果明显高于不加生物载体填料的活性污泥池。

表4为运行1个月后测定的活性污泥池中生物降解有机物(CODcr)的数据。

表4

从表4可以看出：1个月后3#池碳纤维组合式载体上，发现大量微生物尸体和未处理的污染物质附着在碳纤维表面，而且不能剥离，出现堵塞现象，水质净化效果降低；4#池尼龙纤维组合式、5#池涤纶纤维组合式出现严重结球现象，载体表面积减少，发生堵塞，造成传质效率下降，水处理能力下降。6#池聚丙烯弹性填料、7#池聚乙烯弹性填料表面结钙，阻碍了生物膜的生长，生物膜失去活性，水质净化效果也明显下降。1#池改性玄武岩纤维组合式、2#池改性玻璃纤维组合式填料表面生物膜生长良好，保持较好的处理能力，1#池和2#池出水有机物含量明显低于其它几个池。可以确定，改性玄武岩纤维和改性玻璃纤维作为生物载体性能明显优于其他材质的填料。

表5为运行2个月后测定的活性污泥池中生物降解有机物(CODcr)的数据。

表5

聚丙烯	6#	987	356.1	表面积钙
					聚乙烯	7#	987	347.8	表面积钙
无	8#	987	404.9

从表5可以看出，2个月后，改性玄武岩纤维和改性玻璃纤维表面生物膜生长分布均匀，使表面积得以充分有效利用。填料上生物膜活性好，水质净化效果始终维持在好的状态，处理效果稳定。

通过以上实验，发现改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维挂膜速度好于聚丙烯、聚乙烯填料，生物膜再生方面效果明显优于碳纤维载体材料。

实施例4

在50m²的景观水域中，用不透水布隔成面积相同的两个水块：1#池、2#池。在1#池中放置总水面积60％的组合式改性玄武岩纤维填料，即用框架将改性玄武岩纤维的上下端固定，填料不能在水中像水草一样晃动；在2#池中放置总水面积60％的飘带式改性玄武岩纤维生物带(表面呈毡状的带式填料)，即改性玄武岩纤维的下端用框架固定，上端系浮球，在水中能像水草一样摆动。2块水域中无动力充氧，靠水中自有的溶解氧进行生物氧化作用。中试进行20天后，观察飘带式改性玄武岩纤维生物带上有明显的菌膜，膜呈深褐色；组合式改性玄武岩纤维上仅有很少量的菌膜，其生物量明显少于飘带式改性玄武岩纤维。对2块水域中的水质进行测定，从数据显示飘带式改性玄武岩纤维对非流动性景观水的净化效果明显好于组合式改性玄武岩纤维填料。表6为水质分析数据。

表6

水域编号	PH	COD(ppm)	T-N(ppm)	T-P(ppm)	SS(ppm)	浊度(NTU)
							对照区	8.34	22.6	5.3	0.15	32	122
1#组合式	8.14	18.3	3.2	0.10	26	98
							2#飘带式	8.05	17.5	2.4	0.09	19	89

实验2个月后对2块水域进行水质比较和水环境观察，如表7所示。

表7

结论：用改性玄武岩纤维水质净化接触材料，进行非流动性景观水体的净化，发现飘带式的效果比组合式的好。原因是，飘带式的改性玄武岩纤维表面是多孔毡，具有较大的比表面积，同时它在水中能柔软的晃动，增加了与水的接触率，同时提高了气、水传质效率，促进了生物的氧化分解作用。

实施例5：

所有试验条件同实施例4，不同的是将改性玄武岩纤维改成改性玻璃纤维。即将改性玻璃纤维分别制成组合式、飘带式进行试验。

中试进行20天后，观察飘带式改性玻璃纤维生物带上有明显的菌膜，膜呈深褐色；组合式改性玻璃纤维上仅有很少量的菌膜，其生物量明显少于飘带式改性玻璃纤维。对2块水域中的水质进行测定，从数据显示飘带式改性玻璃纤维对非流动性景观水的净化效果明显好于组合式改性玻璃纤维填料。表8为水质分析数据。

表8

水域编号	PH	COD(ppm)	T-N(ppm)	T-P(ppm)	SS(ppm)	浊度(NTU)
							对照区	8.34	22.6	5.3	0.15	32	122
1#组合式	8.10	17.3	2.8	0.09	24	96
							2#飘带式	7.92	16.5	2.0	0.08	18	87

实验2个月后对2块水域进行水质比较和水环境观察，如表9所示。

表9

结论：用改性玻璃纤维水质净化接触材料，进行非流动性景观水体的净化，发现飘带式的效果比组合式的好。原因是，飘带式的改性玻璃纤维表面是多孔毡，具有较大的比表面积，同时它在水中能柔软的晃动，增加了与水的接触率，同时提高了气、水传质效率，促进了生物的氧化分解作用。

实施例6

填料的湿润性能与填料的挂膜量、挂膜时间密切相关，湿润性采用吸水率法测定，将每种干填料丝先在水中浸泡一定时间，取出后称重，所增加的质量与干填料质量之比即为填料的吸收率。

将重量都为30g的改性玄武岩纤维毡、改性玻璃纤维毡、聚丙烯纤维毡、尼龙生物带分别浸入水中一段时间后取出观察，发现改性玄武岩纤维毡、改性玻璃纤维毡表面有很明显的连续水膜，置于空气中，水膜缓慢退却并蒸发消失。而聚丙烯纤维毡的表面则挂有一些不连续的水珠，且较易滑落。应用称重法每隔一段时间测定填料的含水率发现，玄武岩纤维毡具有较高的含水率，而相同的条件下，尼龙生物带含水率一般，聚丙烯含水率较低。

表10不同纤维含水率测定(％)

纤维种类	30min	1h	2h
				改性玄武岩纤维毡	25％	38％	42％
改性玻璃纤维毡	28％	42％	46％
				聚丙烯纤维毡	5％	12％	15％
尼龙生物带	12％	17％	31％

由表10可以看出，改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维的湿润性能优越，从而说明其具有优异的挂膜能力，适宜应用在水处理领域做水质净化材。

实施例7

通过对改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、尼龙纤维进行生物挂膜试验，测定水中溶解氧来比较每种纤维上的生物膜活性。

硝化菌(购自无锡市微生物研究所W-12)的培养基组成为：(NH₄)₂SO₄ 500ppm，适量Na₂CO₃，适量铁、钙、镁等微量元素。分相同的4份放入4个5L的烧杯中，在相同条件下，重量都为0.2g的改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、尼龙纤维作为生物膜载体，挂膜同样时间，通过溶解氧仪测量生物膜的呼吸活性；将不同载体投放入菌液中，在设定时段测定菌液中微生物的呼吸活性随放入时间的变化；将几种纤维载体投放入菌液中，通过分光光度计测量容器中菌液浊度随时间的变化。取0.2g改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、尼龙纤维挂膜时间分别为1天、2天、3天、4天、5天将取出载体放入人工配制氨氮浓度为58.3ppm工业废水(0.2L)，测其表面生物膜的呼吸活性，并对不同载体上固着的微生物的呼吸活性进行比较。表11为不同纤维载体上生物膜活性与时间的变化。

表11(单位：ppm)

种类	1天	2天	3天	4天	5天
						改性玄武岩纤维	4.2	3.3	3.0	2.3	2.1
改性玻璃纤维	4.6	3.5	3.2	2.6	2.4
						碳纤维	3.8	3.1	2.8	2.3	2.0
尼龙纤维	5.1	4.8	4.7	4.6	3.8
						聚丙烯纤维	6	5.9	5.9	5.9	5.9

实验中发现聚丙烯纤维上挂膜稀少，生物膜呼由吸活性接近于零。由表9可以看出不同生物膜载体表面的生物活性是不同的。改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维与碳纤维活性相当，尼龙纤维、聚丙烯纤维依次减小。

Claims

1.一种无机纤维在水质净化中的应用。

2.根据权利要求1所述的一种无机纤维在水质净化中的应用，其特征在于：所述的无机纤维是改性玄武岩纤维或改性玻璃纤维。

3.根据权利要求2所述的一种无机纤维在水质净化中的应用，其特征在于：所述的改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维的结构为组合式或飘带式。

4.根据权利要求2或3所述的一种无机纤维在水质净化中的应用，其特征在于：所述的改性玄武岩纤维、改性玻璃纤维是每束含2000根以上单丝的纤维束。