CN102849845A - 一种生物碳纤维水处理填料的制备方法及应用 - Google Patents

一种生物碳纤维水处理填料的制备方法及应用 Download PDF

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赵东林
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Abstract

本发明涉及一种生物碳纤维水处理填料的制备方法及应用，属于环境工程水处理领域。其是在高强度生物碳纤维的基础上利用索氏提取器用丙酮进行表面脱胶处理得到的具有良好生物相容性的高强度碳纤维，再将脱胶处理后的高强度碳纤维制备成束状或圆盘状，并将其应用于淡水水产养殖水、印染废水、含油废水、制药废水和污水处理厂出水的净化处理，使其产生良好的经济效益、社会效益和环境效益。

Description

一种生物碳纤维水处理填料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种生物碳纤维水处理填料的制备方法及应用，属于环境工程水处理领域。
背景技术
当前，国内外对填料的研究大多集中在填料的材质、形状、表面性质等方面，主要从提高生物量、强化生物反应效率的角度人手，而从填料的空间结构、安装方式和装填密度上，即在加强传质效率、改善流体的流态方面进行的研究还很少，相关文献和报道也不多。因此，以多相流体力学物系传质机理为理论基础，从强化传质效率的角度出发，进行高传质生物载体填料的研究开发，不仅在环境工程领域属于国际前沿课题，也是填料的发展趋势。新型的高强度生物碳纤维填料应该在提供较大生物量的同时，还能够依靠填料自身的空间结构形式，为生物反应创造良好的传质扩散条件，从而大幅度提高处理效率和有机底物的利用率，减少反应装置的体积，节省基建投资和运行费用，同时拓展接触氧化技术在污水处理领域的应用范围，使其达到一个更高更新的水平。
现有技术中的传统填料具有如下缺点：
1、传统填料制作成本高，性能低；
2、传统填料比表面积低，吸附能力差；
3、传统填料表面生物相容性差，易腐烂、易藏纳污泥、生物膜挂膜速度慢；
4、传统填料水力冲刷力小，耐负荷小，生物膜只能自行脱落；
5、传统填料不易清洗再生、使用寿命短；
6、传统填料污染物降解能力差，生物相不稳定，微生物种类单一。
生物碳纤维（Biological Carbon Fiber:BCF）是一种具有良好生物相容性的纤维状的碳材料，由其用途可进一步划分为生物医学材料与生物环境材料，在生物环境材料领域，生物碳纤维分为高强度生物碳纤维及生物活性碳纤维两类，因其在宿主与生物反应上具有优异的生物相容性、电、机械等综合特性被人们所注目。
发明内容
基于上述特点，本发明提出了一种生物碳纤维水处理填料的制备方法及应用，其将具有良好生物相容性的高强度碳纤维，制备成束状或圆盘状的新型水处理填料，应用于淡水水产养殖水、印染废水和污水处理厂出水的净化处理，取代原有的条状结构，增大了微生物与有机物接触的机会，以使其产生良好的经济效益、社会效益和环境效益。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种生物碳纤维水处理填料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：将碳纤维缠绕成束状结构后放入索氏提取器内并用丙酮进行10小时表面脱胶处理；
步骤二：将脱胶处理后的碳纤维用去离子水冲洗去除表面的丙酮及残余在碳纤维表面的碳纤维胶，制得生物碳纤维；
步骤三：将步骤二所得生物碳纤维截成数段，制得束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料；
步骤四：将制得的束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料垂直放置在水中，构成水草状仿生结构，随流动的水体飘动。
进一步地，所述束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料中的生物碳纤维拉伸强度为3.5－4.9GPa，拉伸模量为220－240GPa。
进一步地，所述截成后的每段生物碳纤维长度为40cm。
进一步地，所述圆盘状生物碳纤维水处理填料的具体制作方法为：将截成数段后的生物碳纤维分成6份，对折并均匀盘绕在塑料圆盘上，即做好一个圆盘状的生物碳纤维水处理填料单元，将10个上述所得的圆盘状的生物碳纤维水处理填料单元固定绑在一条无纺布绳上，使其上下串联成串，即做好成型的圆盘状生物碳纤维水处理填料。
进一步地，所述塑料圆盘的直径为7cm。
进一步地，无纺布绳底部设置一负重物。
进一步地，所述束状生物碳纤维水处理填料的具体制作方法为：将截成数段后的生物碳纤维的对称中心横向粘贴在无纺布上，将无纺布作为固定碳纤维的基准，即制得束状生物碳纤维水处理填料。
进一步地，所述无纺布长64cm、宽4cm，且其上总共粘帖55份截段后的生物碳纤维。
上述制备的生物碳纤维水处理填料可应用于采用厌氧生物反应器、水解酸化池、接触氧化池、生物曝气池、氧化塘或SBR生物反应器工艺的淡水水产养殖水、印染废水或污水处理厂出水的净化处理中。
本发明与现有技术相比有如下有益效果：
（1）本发明的新型高强度生物碳纤维具有较大的比表面积，较高的吸附性，孔径分布窄，有效吸附微孔多。高强度生物碳纤维水处理填料在用于水处理、污水、废水治理过程中，与生物的相容性好，形成良好的生态环境，对环境没有污染。
（2）新型高强度生物碳纤维有较好的生物亲和性，亲水亲油，它用很大的表面积来捕捉污物，因高弹性而具有的形状维持能力和由于碳在水中摆动而形成的很强的污物捕捉和分解效果。
（3）新型高强度生物碳纤维制作成本低，性能高，生物相容性好。
（4）新型高强度生物碳纤维易成型，不易粉化，在振动条件下不会变松动或过分密实;再生容易且速度快，不易藏纳污泥，便于清洗维护，使用寿命长。
（5）新型高强度生物碳纤维和气流的冲动，耐负荷，填料上的生物膜能不断更新，生物活性高，传质效率高。
（6）新型高强度生物碳纤维的束状及圆盘状的特殊形态，使得挂膜速度更快，微生物能够有效的利用空间更多更好的附着在填料上。
（7）挂膜后的新型高强度生物碳纤维微生物种类繁多，生物相稳定，填料不仅靠自身的过滤吸附作用，同时依靠微生物菌群以水中的有机物为来源，处理效果更好，有更高的环境效益、经济效益以及社会效益。
（8）挂膜后的新型生物碳纤维对CODcr的去除率在80%以上，氨氮去除率在70%以上。
附图说明
图1为本发明的圆盘状生物碳纤维水处理填料设置方式。
图中，1、无纺布绳，2、圆盘状生物碳纤维填料，3、负重物。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本发明的一种圆盘状生物碳纤维水处理填料的制备步骤如下：
步骤一：将碳纤维缠绕成束状结构后放入索氏提取器内并用丙酮进行10小时表面脱胶处理；
步骤二：将脱胶处理后的碳纤维用去离子水冲洗去除表面的丙酮及残余在碳纤维表面的碳纤维胶，制得生物碳纤维；
步骤三：将步骤二所得生物碳纤维截成长度为40cm的数段，制得圆盘状生物碳纤维水处理填料2；
步骤四：将制得的圆盘状生物碳纤维水处理填料2垂直放置在水中，构成水草状仿生结构，随流动的水体飘动。
其中，圆盘状生物碳纤维水处理填料2的具体制作方法为：将截成数段后的生物碳纤维分成6份，对折并均匀盘绕在直径为7cm的塑料圆盘上，即做好一个圆盘状的生物碳纤维水处理填料单元，将10个上述所得的圆盘状的生物碳纤维水处理填料单元固定绑在一条无纺布绳1上，使其上下串联成串，即做好成型的圆盘状生物碳纤维水处理填料2，并在无纺布绳1底部设置一负重物3。
上述制备的圆盘状生物碳纤维填料2中的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，更换次数少，使用寿命长。特别是安装非常方便，不需要支架，寿命在3-6年。
上述制备的生物碳纤维水处理填料可具体应用于采用厌氧生物反应器、水解酸化池、接触氧化池、生物曝气池、氧化塘或SBR生物反应器工艺的淡水水产养殖水、印染废水或污水处理厂出水的净化处理中。
采用此实施例对一含油废水进行生化处理，其中，表1为进水数据，表2为出水数据，结果如下：
表1
  COD   氨氮   总磷
  1248mg/L   18.35mg/L   2.41mg/L
表2
Figure BDA00002061771500051
由此可见，本实施例的生物碳纤维水处理填料相比于传统生物碳纤维材料而言，具有更好的亲水性、生物相容性以及吸附性，是良好的微生物挂膜填料，在生物法污水处理领域具有明显的竞争优势。
实施例2：
本发明生物碳纤维水处理填料的另一制备方法（图中未画出），其中，采用束状生物碳纤维填料替代实施例1中的圆盘状生物碳纤维填料，而束状生物碳纤维水处理填料的具体制作方法为：将截成数段后的生物碳纤维的对称中心横向粘贴在64cm、宽4cm的无纺布上，将无纺布作为固定碳纤维的基准，即制得束状生物碳纤维水处理填料，且其上总共粘帖55份截段后的生物碳纤维。其它制备方法同实施例1步骤一至四，此处不再详述。
本发明制备的上述两种生物碳纤维水处理填料，具有更好的亲水性、生物相容性以及吸附性，是良好的微生物挂膜填料，在生物法污水处理领域具有明显的竞争优势。挂膜后的生物碳纤维对CODCr的去除率在80%以上，氨氮去除率在70%以上，且挂膜后的生物碳纤维上附着的微生物种类繁多，排列密实。

Claims (9)

1.一种生物碳纤维水处理填料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：将碳纤维缠绕成束状结构后放入索氏提取器内并用丙酮进行10小时表面脱胶处理；
步骤二：将脱胶处理后的碳纤维用去离子水冲洗去除表面的丙酮及残余在碳纤维表面的碳纤维胶，制得生物碳纤维；
步骤三：将步骤二所得生物碳纤维截成数段，制得束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料；
步骤四：将制得的束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料垂直放置在水中，构成水草状仿生结构，随流动的水体飘动。
2.根据权利要求1所述的一种生物碳纤维水处理填料的制备方法，其特征在于：所述束状或圆盘状生物碳纤维水处理填料中的生物碳纤维拉伸强度为3.5－4.9GPa，拉伸模量为220－240GPa。
3.根据权利要求1所述的一种生物碳纤维水处理填料的制备方法，其特征在于：截成后的每段生物碳纤维长度为40cm。
4.根据权利要求1或3所述的一种生物碳纤维水处理填料的制备方法，其特征在于：所述圆盘状生物碳纤维水处理填料的具体制作方法为：将截成数段后的生物碳纤维分成6份，对折并均匀盘绕在塑料圆盘上，即做好一个圆盘状的生物碳纤维水处理填料单元，将10个上述所得的圆盘状的生物碳纤维水处理填料单元固定绑在一条无纺布绳上，使其上下串联成串，即做好成型的圆盘状生物碳纤维水处理填料。
5.根据权利要求4所述的一种生物碳纤维水处理填料的制备方法，其特征在于：所述塑料圆盘的直径为7cm。
6.根据权利要求4所述的一种生物碳纤维水处理填料的制备方法，其特征在于：无纺布绳底部设置一负重物。
7.根据权利要求1或3所述的一种生物碳纤维水处理填料的制备方法，其特征在于：所述束状生物碳纤维水处理填料的具体制作方法为：将截成数段后的生物碳纤维的对称中心横向粘贴在无纺布上，将无纺布作为固定碳纤维的基准，即制得束状生物碳纤维水处理填料。
8.根据权利要求7所述的一种生物碳纤维水处理填料的制备方法，其特征在于：所述无纺布长64cm、宽4cm，且其上总共粘帖55份截段后的生物碳纤维。
9.一种生物碳纤维水处理填料的应用，其特征在于：将权利要求1-8中任一所述制备方法制得的生物碳纤维水处理填料应用于采用厌氧生物反应器、水解酸化池、接触氧化池、生物曝气池、氧化塘或SBR生物反应器工艺的淡水水产养殖水、印染废水或污水处理厂出水的净化处理中。
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