CN103058362A - 一种水处理悬浮填料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水处理悬浮填料，包括支撑架以及两端均固定于支撑架上的碳纤维束，碳纤维束包括内层碳纤维束和外层碳纤维束，支撑架包括第一环形架、第二环形架和第三环形架，第一环形架、第二环形架和第三环形架两两相交设置。内层碳纤维束在支撑架内部大幅飘摆，外层碳纤维束微幅飘摆，废水中的微生物和污浊物质能够附着、吸附在该悬浮填料上；该水处理悬浮填料采用第一环形架、第二环形架和第三环形架组成支撑架，能充分利用水流与气流的动力产生浮力运动，因此该水处理悬浮填料结合了碳纤维材料的高吸附性能和高生物亲和性等优异的材料性能，以及支撑架和内层碳纤维束和外层碳纤维束结构的优化设计，得到一种综合性能较好的悬浮填料。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种具有挂膜快、污染物去除效率高、抗污染负荷强、耐毒性好等优良综合性能的水处理悬浮填料。
背景技术
随着社会经济的不断发展，工农业生产过程中产生的废水和城镇生活污水越来越多，而随着我国环保要求的不断严格，对上述废水进行处理和达标排放与回收利用已经成为减少环境污染、降低生产成本的重要手段。在众多水处理方法中，生物膜法以其高效率、污泥量少、不会产生污泥膨胀、对废水水质水量的变动具有较好的适应能力以及运行管理简单等优点，已成为目前较为普遍使用的水处理方法。
生物膜法是利用附着生长于介质表面的微生物（即生物膜）进行有机废水处理的方法，上述介质称为生物膜载体，也称填料，其在生物膜的附着以及固定过程中具有重要作用。优良的填料不仅给微生物提供栖息的场所，还有截留污染物的作用。填料的机械强度、化学稳定性、物理性状和表面电荷性等因素都会影响生物膜法的处理性能。目前普遍使用的填料可分为有机填料和无机填料，两者的特点如下：无机填料主要有沙子、玻璃材料、陶瓷、矿渣等，无机填料具有机械强度高和化学性质稳定等优点，但无机填料的密度较大，不适用于悬浮态生物反应器工艺的应用；有机填料主要有PP（聚丙烯，polypropylene）、PVC（聚氯乙烯，polyvinylchloride）、PS（聚苯乙烯，polystyrene）、PE（聚乙烯，polyethylene）以及各种塑料、聚酯、明胶和纤维等，通常这些有机填料均需进行适当的改性，从而使其亲水性和生物亲和性达到更高的水平，这些有机填料适用于悬浮态生物反应器，如生物流化床，曝气生物滤池等。
通过上述分析可见，无机填料的机械性能较好，但其密度过大，不适于作悬浮填料，而有机填料适于作悬浮填料，但其机械性能较差。
综上所述，如何提供一种综合性能较好的悬浮填料，已成为本领域技术人员亟待解决的重大难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种水处理悬浮填料，该悬浮填料具有耐酸碱腐蚀、机械强度高等无机填料性能，又具有吸附性强、生物亲和性高等有机填料性能，其综合性能较好。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水处理悬浮填料，包括支撑架以及两端均固定于所述支撑架上的碳纤维束，所述碳纤维束包括内层碳纤维束和外层碳纤维束，所述支撑架包括第一环形架、第二环形架和第三环形架，所述第一环形架、所述第二环形架和所述第三环形架两两相交设置。
优选地，在上述水处理悬浮填料中，所述第一环形架、所述第二环形架和所述第三环形架两两垂直设置。
优选地，所述第一环形架、所述第二环形架和所述第三环形架上均具有多个用于固定所述碳纤维束的连接孔。
优选地，在上述水处理悬浮填料中，所述碳纤维束的比表面积和材料直径分别为1000m2/g-3000m2/g和6μm-8μm。
优选地，在上述水处理悬浮填料中，所述第一环形架、所述第二环形架和所述第三环形架均为圆形支撑板。
优选地，在上述水处理悬浮填料中，所述第一环形架、所述第二环形架和/或所述第三环形架的外半径和厚度分别为2cm-20cm和3mm-6mm。
优选地，在上述水处理悬浮填料中，所述第一环形架、所述第二环形架和/或所述第三环形架为塑料架。
优选地，在上述水处理悬浮填料中，所述内层碳纤维束的长度为所述支撑架的内圈半径的2-3倍。
优选地，在上述水处理悬浮填料中，所述外层碳纤维束为网状结构，且所述网状结构的相邻节点之间的纤维幅长为所述支撑架的内圈半径的0.2-0.6倍。
在上述技术方案中，本发明提供的水处理悬浮填料包括支撑架以及两端均固定于支撑架上的碳纤维束，该碳纤维束包括内层碳纤维束和外层碳纤维束，支撑架包括第一环形架、第二环形架和第三环形架，第一环形架、第二环形架和第三环形架两两相交设置。上述内层碳纤维束固定在支撑架内部，其弧长较长，可以在支撑架内部大幅飘摆，外层碳纤维束固定于支撑架外部，碳纤维束缠结成网状，其弧长较短，能微幅飘摆。该水处理悬浮填料投入使用后，碳纤维束所具有的高吸附性能和高生物亲和性等优异的性能，使得废水中的微生物和污浊物质能够附着、吸附在该悬浮填料上，进而对废水中的污染物进行吸附和降解，达到净化水质的作用。并且，本发明提供的水处理悬浮填料采用第一环形架、第二环形架和第三环形架组成支撑架，该支撑架能充分利用水流与气流的动力产生浮力运动，内外不同弧长的碳纤维束能更有效地实现三相传质作用，继而提高该悬浮填料的处理效果，因此该水处理悬浮填料结合了碳纤维材料的高吸附性能和高亲和性等优异的材料性能，以及支撑架和内层碳纤维束和外层碳纤维束结构的优化设计，得到一种具有挂膜快、污染物去除效率高、抗污染负荷强、耐毒性好等优良综合性能的悬浮填料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水处理悬浮填料的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种支撑架的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的内层碳纤维束的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的外层碳纤维束的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的内层碳纤维束的安装结构示意图；
图6为本发明实施例提供的水处理悬浮填料应用于生物流化床时的工艺流程示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种水处理悬浮填料，该悬浮填料的综合性能较好。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-5所示，本发明实施例提供的水处理悬浮填料包括支撑架以及两端均固定于支撑架上的碳纤维束，该碳纤维束包括内层碳纤维束21和外层碳纤维束22，支撑架包括第一环形架11、第二环形架12和第三环架13，第一环形架11、第二环形架12和第三环架13两两相交固定成支撑架，第一环形架11、第二环形架12和第三环架13可为扁平状。具体地，第一环形架11、第二环形架12和第三环架13可由轻质金属加工而成，三者采用焊接、螺栓连接、铆接或其他方式固定即可，而碳纤维束可通过螺钉裹系、嵌夹、绑结以及缠绕的方式与第一环形架11、第二环形架12和第三环架13连接。
具体实施过程中，上述碳纤维束可由聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂基碳纤维或沥青基碳纤维等制成，在一般情况下，其相对密度为0.8-1.2，优选为0.9-1.1；其比表面积为1000m2/g-3000m2/g，优选为2000m2/g-3000m2/g；其材料直径为5μm-12μm，优选为6μm-8μm；其长度为2r-πr（r为支撑架的内圈半径）；其旋转体积占整个填料体积的1/3-2/3；内层碳纤维束21的长度为支撑架的内圈半径的2-3倍；外层碳纤维束22为网状结构，且该网状结构的相邻节点之间的纤维幅长为支撑架的内圈半径的0.2-0.6倍。上述碳纤维束和支撑架的尺寸参数范围能够使两者的性能达到最佳状态，在不同的应用场合，上述参数并不局限于此。
碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）是一种碳含量超过90%的无机高分子纤维，其以聚丙烯腈基（PAN）纤维、粘胶纤维、沥青纤维、酚醛纤维等原丝经过预氧化、碳化、石墨化等高温固相反应制备而成，由于其具有石墨微晶结构，因而具有低密度、高强度、耐高温、抗腐蚀以及柔韧性较好等优点，在机械、建筑、材料领域应用相当广泛。最重要的是，碳纤维特有的吸附性、生物亲和性等特点，使其在环境领域的应用越来越被重视。有学者进行了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维和好氧微生物关系的研究，结果发现碳纤维聚集和固定微生物的能力比其它材料(棉花、尼龙、聚乙烯等)高的多，还看到碳纤维上固定的微生物不仅量很大，而且附着强度也很大，形成的生物膜还具有一定的弹性。与粒状活性炭填料和高分子填料相比，碳纤维(CF)相对来说是一种优异的生物膜填料。它兼具了无机填料与有机填料的优点。由此得出，碳纤维所具有的高吸附性能和生物亲和性，有利于微生物的栖居繁殖以及形成复杂的微生物膜系统，能够提高生物活性，高效地去除有机物、氨氮、总氮和总磷等污染物，同时碳纤维的高吸附性能以及表面官能团所具有的氧化还原能力，对于含低浓度有毒废水、低浓度难降解废水能够起到一定的解毒、缓释有毒或难降解污染物的作用，以此增强微生物的抗负荷与降解能力。
在本发明实施例提供的水处理悬浮填料中，碳纤维束的两端均固定在支撑架上，在所述支撑架的内部，内层碳纤维束21的两端固定在支撑架上以后，能够形成较长的弧形，且没有缠结和织网，从而使得内部碳纤维束21能够自由地分散，且在水体中能够自由的飘动，有利于其捕捉和吸附污浊物质与活性微生物，并且由于碳纤维束具有较高的吸附性能和生物亲和性，有利于微生物的聚集繁殖和形成复杂的碳纤维生物膜，而且增强了碳纤维束与废水、氧气接触所进行的物质和能量交换，提高了三相传质效果，有利于微生物膜的高效分离；
在支撑架的内部，第一环形架、第二环形架和第三环形架两两相交固定组成支撑架，该支撑架能充分利用水流与气流的动力产生浮力运动，达到上浮或反转的效果，从而使该水处理悬浮填料具有较好的节能效果；内外不同弧长的碳纤维束更能有效的实现三相传质作用，由于支撑架能够与水、气充分接触，表面受水力扰动大，形成的生物膜较薄，其主要为好氧生物膜；
在所述支撑架的外部，所述碳纤维束的两端固定在所述支撑架上以后，在碳纤维束与碳纤维束交叉的部分优选采用绑结或镶嵌的方式将碳纤维束和碳纤维束连接，该部分碳纤维束形成的弧较短，在本发明实施例中，将其定义为微幅纤维，虽然其扩散和飘动的范围较小，但是其仍保留了较高的吸附性能，使得该水处理悬浮填料内形成的微生物膜不易脱落，容易形成兼氧和厌氧环境；
而且本发明实施例提供的悬浮填料中，水体中的污染物被吸附在碳纤维束形成的微生物膜的表面，使碳纤维束表面形成局部污染物浓缩区域，可以将有毒物质和难降解物质富集到纤维微孔内部再缓释分解，减少了对生物膜的毒害与负荷，提高了表面生物膜的抗毒性、耐负荷冲击性以及生物活性，并且，本发明实施例提供的支撑架能够很好的支撑碳纤维生物膜，有效地保护生物膜；通过支撑架利用曝气和水流产生的浮力，降低了填料混合流化的动力消耗从而进一步降低了本发明提供的水处理悬浮填料的运行能耗与运行成本；
同时，碳纤维束也为微生物的繁殖提供了特殊的表面，其多孔的表面吸附了大量微生物菌群，促进了微生物膜的形成，缩短了微生物膜的启动周期，而且由于碳纤维具有较高的生物亲和能力，使得到的微生物膜中的微生物具有较高的活性，有利于对污染物的清除。
因此，本发明实施例提供的悬浮填料使用寿命长，能够形成复杂的微生物膜系统，能够加快生物膜启动、提高生物膜的生物活性；同时还具有吸附有毒、有害、难降解污染物，降低生物膜负荷和解毒以及缓释作用，使得本发明实施例提供的悬浮填料可以同时进行硝化、反硝化等各种生化反应；而且得到的微生物膜具有较强的生物活性和良好的处理能力，从而提高了对水体污染物的降解效果。
本发明实施例提供的水处理悬浮填料能够应用于好氧流化床、厌氧流化床、生物滤池、接触氧化池等生化处理工艺中，对于含低浓度的有毒废水、含低浓度的难降解有机废水、生活污水、工业污水等中的有机物、氮、磷、重金属等污染物都有较好的去除效果。
进一步的技术方案中，第一环形架11、第二环形架12和第三环形架13两两垂直设置。此时，固定于第一环形架11、第二环形架12和第三环形架13上的碳纤维束的长度相对比较均匀，不会出现分别连接于第一环形架11、第二环形架12和第三环形架13两端之间的碳纤维束的长度存在较大差异，而致使该水处理生物填料内部出现受力失衡的现象，以此进一步提高该填料的性能。
为了便于碳纤维束与支撑架之间的连接，本发明实施例提供的第一环形架11、第二环形架12和第三环形架13上均具有多个用于固定碳纤维束的连接孔。操作时直接将碳纤维束穿过上述连接孔后绑结即可，操作较为方便，且连接强度的高低容易控制。
优选的技术方案中，上述各方案中的第一环形架11、第二环形架12和第三环形架13均为圆形支撑板，使得支撑架为球形结构，此时，内层碳纤维束21的两端位于支撑架的直径方向上。相对于椭圆形或其他不规则形状的支撑架，圆形支撑板更有利于碳纤维束的固定，且其在使用过程不易变形，不会对碳纤维束施加额外的拉力，保证碳纤维束的使用寿命。同时，圆形支撑板所具有的对称结构使其在废水中更稳定的上浮和翻转，便于形成生物膜。进一步地，第一环形架11、第二环形架12和第三环形架13的外半径为1cm-20cm，优选为6cm-12cm；其环径比为1.2-2，优选为1.5；其厚度为1mm-10mm，优选为3mm-6mm。
更优选的技术方案中，上述各方案中的第一环形架11、第二环形架12和第三环形架13为塑料架。上述三者采用塑料制成，塑料的密度接近水的密度，因此可以有效减少上述填料悬浮所需要的动力消耗。另外，根据不同的使用场合，第一环形架11、第二环形架12和第三环形架13的数量可以进行调整，以满足不同水质、不同用途等要求。
如图6所示，将上述水处理悬浮填料应用于生物流化床中，该生物流化床主要包括玻璃反应器31、设置于玻璃反应器31底部的布气板32和沉淀池33，将水处理悬浮填料30置于玻璃反应器31内，将气体通过布气板32通入玻璃反应器31内，即可对玻璃反应器31内的废水进行处理，由沉淀池33进行排泥。
下面提供几组实际处理过程中的试验数据以说明本发明实施例所提供的水处理悬浮填料的处理效果：
实施例1
将比表面积为1000m2/g、直径为7μm的聚丙烯腈基碳纤维束剪成长度约为5cm、6cm、7cm的小段碳纤维束各一束（一束约1000根纤维丝），通过粘结剂将三束碳纤维束固定在直径为5cm的第一环形架11上。然后将长50cm的碳纤维束缠绕在第一环形架11和第二环形架12上，并用细绳结合固定成网状填料。将30个本发明实施例提供通过上述方式制备的水处理悬浮填料30（约150g）置于5L的玻璃反应器31中，填料填充率约为60%。
取河水为处理对象，将水处理悬浮填料30置于玻璃反应器31中后，通过玻璃反应器31上的空气进口对水处理悬浮填料30进行曝气，保持水体溶解氧的浓度为3mg/L～5mg/L，此时填料处于悬浮流动状态。设置水力停留8小时，温度为15-25℃，利用河水土著微生物直接挂膜，连续运行三十天完成对废水的处理。
比较例1
将外购市场常用的内置（维纶）纤维悬浮球填料（约120g）置于实施例1中所述的玻璃反应器31中，填充率约70%。所用的水质、处理条件与实施例1相同，完成对污水的处理。
实验结果表明，外购的多孔悬浮填料纤维球纤维分散性差，曝气阻力大，9天后生物膜形成，后期CODMn的去除率为45%～76%，对总氮的去除率为15%～32％，对总磷的去除率为3%～16％，对氨氮的去除率为65%～92%，而本发明实施例提供的水处理悬浮填料在废水中5天后生物膜形成，后期CODMn的去除率为55%～87%，对总氮的去除率为25%～38%，对总磷的去除率为5%～22%，对氨氮的去除率为60%～90%，这表明，上述水处理悬浮填料挂膜启动快且对污染物具有良好的脱除效果，且通过对曝气量的统计分析，发现本发明实施例提供的水处理悬浮填料能够节约电耗约6%。
实施例2
同上制备的水处理悬浮填料30和生物流化床，反应条件一致，处理对象为纸浆厂的漂白废水，其废水为含氯有毒废水，加入少量经过该废水驯化的活性污泥，反应温度为18～25℃。
比较例2
生物流化床同上比较例1，条件一致，处理对象同样为纸浆厂的漂白废水，其废水为含氯有毒废水，同样加入少量经过该废水驯化的活性污泥，反应温度为18～25℃。
实验结果表明，本比较例提供的外购内置（维纶）纤维悬浮球填料对含氯废水处理，挂膜启动期为16天，CODCr的去除率为20%～43%，难降解物质的转化率为15%～38％，而本发明实施例提供的水处理悬浮填料30对含氯废水处理，挂膜启动期为7天，后期CODCr的去除率为64%～71%，难降解物质的转化率为42%～68%，这表明，上述水处理悬浮填料30对于难降解有毒废水具有解毒和提高难降解物质降解量的能力。
实施例3
同实施例1所用的生物流化床，设备条件一致，处理对象为选矿厂浮选废水，其废水含Pb2+0.02～0.42mg/L、Zn2+0.02～1.27mg/L、As+0.05～0.16mg/L、Cu2+0.02～0.30mg/L、总铬0.05～0.44mg/L、CODCr120～285mg/L，加入少量经过该废水驯化的活性污泥，反应温度为18～25℃。
比较例3
同比较例1所用的生物流化床，设备条件一致，处理对象同样为选矿厂含重金属浮选废水，加入少量经过该废水驯化的活性污泥，反应温度为18～25℃。
实验结果表明，本比较例提供的外购内置（维纶）纤维悬浮球填料对含重金属废水处理，挂膜启动期为16天，CODCr的去除率为35%～14%，重金属去除率一直很低，对各重金属去除率均低于30%，且后期运行7天后生物膜开始受抑制脱落，此时需要新增营养源维持运行，而本发明实施例提供的水处理悬浮填料30对含重金属废水处理，挂膜启动期为11天，后期CODCr的去除率为59%～27%，对重金属的去除先快后慢，对铅、锌、砷、铜、铬的去除率分别为15%～62%、22%～71%、10%～54%、18%～49%、12%～66%，后期运行二十天后生物膜开始受抑制脱落，此时需要新增营养源维持运行。这表明，市场上维纶纤维悬浮球填料对重金属不能起到吸附、降解、缓释的作用，无法减小重金属对材料表面生物膜的抑制毒害作用，而本发明实施例提供的水处理悬浮填料的生物膜抗毒害能力与降解处理能力明显优于传统的内置纤维悬浮球填料。
由此可见，上述水处理悬浮填料能对污染物同时进行吸附与生物降解，为一种具有显著提高污染物质的吸附去除效果、缩短生物膜启动周期、增强生物活性、提高污染水体与生物膜的传质效果、实现膜的高效分离、耐酸碱腐蚀耐高温等诸多优点的填料。水体中的污浊物质被吸附在碳纤维束表面，使碳纤维束表面形成局部污染物浓缩区域，可以将有毒物质和难降解物质富集到纤维微孔内部再缓释分解，减少对生物膜的毒害与负荷；碳纤维同时也为微生物繁殖提供了特殊的表面，其多孔的表面吸附了大量微生物菌群，特别是以目标污染物为代谢底物的微生物菌群；同时，碳纤维对溶解氧有很强的吸附能力。本发明实施例提供的球内大幅摆动、球外微幅摆动的悬浮填料，其外部的网状口可随填料的浮动压缩变化，能够充分增强水、气、膜的传质效果，当填料在反应器中碰撞时，由于该填料将软、硬填料的优点结合为一体，不仅能很好的支撑碳纤维生物膜而且能有效的保护生物膜的磨损与破坏，由于碳纤维束内部为丝状结构而且分散性好，能使生物膜进行高效快速的更新与脱落。
以上对本发明所提供的水处理悬浮填料进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种水处理悬浮填料，其特征在于，包括支撑架以及两端均固定于所述支撑架上的碳纤维束，所述碳纤维束包括内层碳纤维束（21）和外层碳纤维束（22），所述支撑架包括第一环形架（11）、第二环形架（12）和第三环形架（13），所述第一环形架（11）、所述第二环形架（12）和所述第三环形架（13）两两相交设置。
2.按照权利要求1所述的水处理悬浮填料，其特征在于，所述第一环形架（11）、所述第二环形架（12）和所述第三环形架（13）两两垂直设置。
3.按照权利要求1所述的水处理悬浮填料，其特征在于，所述第一环形架（11）、所述第二环形架（12）和所述第三环形架（13）上均具有多个用于固定所述碳纤维束的连接孔。
4.按照权利要求1所述的水处理悬浮填料，其特征在于，所述碳纤维束的比表面积和材料直径分别为1000m2/g-3000m2/g和6μm-8μm。
5.按照权利要求1所述的水处理悬浮填料，其特征在于，所述第一环形架（11）、所述第二环形架（12）和所述第三环形架（13）均为圆形支撑板。
6.按照权利要求5所述的水处理悬浮填料，其特征在于，所述第一环形架（11）、所述第二环形架（12）和/或所述第三环形架（13）的外半径和厚度分别为2cm-20cm和3mm-6mm。
7.按照权利要求1-6中任一项所述的水处理悬浮填料，其特征在于，所述第一环形架（11）、所述第二环形架（12）和/或所述第三环形架（13）为塑料架。
8.按照权利要求1-6中任一项所述的水处理悬浮填料，其特征在于，所述内层碳纤维束（21）的长度为所述支撑架的内圈半径的2-3倍。
9.按照权利要求1-6中任一项所述的水处理悬浮填料，其特征在于，所述外层碳纤维束（22）为网状结构，且所述网状结构的相邻节点之间的纤维幅长为所述支撑架的内圈半径的0.2-0.6倍。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140618 |