CN105692871B - 一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器及其制备方法 - Google Patents

一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器及其制备方法，该反应器包括外管、支架、多条磁性棉绳和多片改性废塑料片；外管为两端开口的圆柱体；支架包括中心圆盘和多个分支；中心圆盘上开有中心孔，分支上径向开有多个第一孔；磁性棉绳为废棉布经过磁性铁氧体粉末改性制得；改性废塑料片为废塑料片经过低温等离子体技术处理制得；支架固定于外管的两端；多片改性废塑料片彼此平行布置在外管的内部，且均与外管轴线垂直；磁性棉绳穿插于改性废塑料片的中孔和第二孔、支架的中心孔和第一孔内，连接改性废塑料片的磁性棉绳均与外管轴线平行。本发明利用固体废物处理污水，降低了填料的成本和污水处理的成本。

Description

一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器及其制备方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器及其制备方法。
背景技术
随着经济的快速发展，塑料的产量和使用量都不断增加。因此产生了大量的塑料废物。目前针对废塑料的处理方法主要有焚烧、热解等技术，而这些技术往往耗能高，且易对环境产生二次污染。同时对于污水中常用的接触氧化法或生物膜法，填料的选择对于污水处理效果和成本是非常关键的。而且接触氧化法或生物膜法中的填料成本往往占有一定的比重。
发明内容
针对现有技术中存在塑料废物利用率不足、生物膜法填料成本较高的不足，本发明提供了一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器及其制备方法，能够利用固体废物处理污水，使污水在管道流动过程中进行生物处理，同时降低了填料的成本和污水处理的成本。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器，包括外管、支架、多条磁性棉绳和多片改性废塑料片；所述外管为两端开口的圆柱体；所述支架包括中心圆盘和多个分支，多个分支周向布置于中心圆盘的外边缘；中心圆盘上开有中心孔，每个分支上径向开有多个第一孔；所述支架的直径与外管内径相同；所述磁性棉绳为废棉布经过磁性铁氧体粉末改性制得；所述改性废塑料片为废塑料片经过低温等离子体技术处理制得；所述支架固定于外管的两端；多片改性废塑料片彼此平行布置在外管的内部，且均与外管轴线垂直；所述改性废塑料片上开有与中心孔、第一孔相对应的中孔和第二孔；所述磁性棉绳穿插于改性废塑料片的中孔和第二孔、支架的中心孔和第一孔内，连接改性废塑料片的磁性棉绳均与外管轴线平行。
进一步的，每一片改性废塑料片两侧的磁性棉绳在紧靠改性废塑料片处均打有结，所述结的尺寸大于中孔和第二孔的孔径。
进一步的，所述外管为PE材质，内径为100-600mm、厚度为5-20mm。
进一步的，所述支架的材料为PE板，厚度为2-5mm；所述中心孔和第一孔的孔径均比磁性棉绳的直径大0.5-1mm；中心圆盘的半径为5-8mm，分支的宽度为20-25mm，相邻分支中心线间的角度为30゜-60゜。
进一步的，所述磁性棉绳的棉布为废旧棉被套、床单或窗帘布；所述磁性棉绳的长度与外管长度相同，直径为4-6mm。
进一步的，所述改性废塑料片的废塑料来自矿泉水瓶或果汁瓶；所述改性废塑料片的直径与外管内径相同，厚度小于2mm；所述中孔和第二孔的孔径比磁性棉绳的直径大0.5-1mm。
一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器的制备方法，包括如下步骤：
S1：支架的制备：
将PE板制成圆盘，在圆盘上保留中间圆盘，且中间圆盘的中间开设中心孔；将圆盘上位于中间圆盘外的部分切割成矩形状的分支，然后沿径向开设多个第一孔；
S2：磁性棉绳的制备；
先将废棉布裁剪成矩形块状；在矩形块状棉布上沿长度方向涂抹玻璃胶，再在玻璃胶上均匀分布磁性铁氧体粉末；待玻璃胶干化后，沿着棉布宽度方向，将棉布卷动，最后一圈用玻璃胶密封固定，形成所述磁性棉绳；
S3：改性废塑料片的制备：
将废塑料片切割成直径与外管内径相当的圆形，然后采用介质阻挡放电反应器产生低温等离子体，对圆形废塑料片进行表面改性；最后在经过处理的圆形废塑料片表面开设与支架的中心孔和第一孔对应的中孔和第二孔；
S4：磁性管状生物膜反应器的制备：
将步骤S3中得到的多片改性废塑料片用磁性棉绳穿过中孔或第二孔串联起来，且每一片改性废塑料片两边的磁性棉绳在紧靠改性废塑料片处均打结；串联改性废塑料片的磁性棉绳均相互平行；在外管的一端先固定一个支架，再在支架的中心孔和第一孔上分别固定穿过改性废塑料片的磁性棉绳的一端；最后在外管另一端固定支架，然后固定穿过改性废塑料片的磁性棉绳的另一端；即可得到所述磁性管状生物膜反应器。
进一步的，步骤S2中所述玻璃胶的用量至少能粘住磁性铁氧体粉末，所述磁性铁氧体粉末的用量至少能盖住玻璃胶；涂玻璃胶的棉布长度等于整块棉布的长度，宽度为整块棉布宽度的1/3-1/2。
进一步的，步骤S2中所述磁性铁氧体粉末的制备过程如下：
①向重金属离子废水中添加二价铁离子和三价铁离子，所述二价铁离子与废水中其他二价金属离子的摩尔比大于2，所述三价铁离子与废水中其他三价金属离子的摩尔比大于7.5，废水中总的三价金属离子与总的二价金属离子摩尔比的范围为1.3-1.8，得处理后废水；
②在不断搅拌下，向步骤①中所述处理后废水中加入强碱，调节溶液的pH值至10以上，常温下反应6-8min，停止搅拌，至混合液中形成沉渣；
③陈化反应30-60min，步骤②中所述沉渣转化为黑色的磁性铁氧体，倒出上清液，固液分离；
④将分离后的磁性铁氧体在40-60℃的环境中干燥，研磨至磁性铁氧体的颗粒粒度在0.1mm以下，并在强度大于300kA/m的磁场中预磁化10min以上，即得所述磁性铁氧体粉末。
进一步的，步骤S3中所述圆形废塑料片进行表面改性的参数选择如下：改性时间为2-5min；不锈钢材料中心电极直径为13-18mm，与高压电源的高压端相连；介质为石英玻璃管，管壁厚1.3-1.8mm；外壳金属电极与高压电源的地端相连；放电区长度为200-220mm；工作气体为空气或氧气，工作气体流量为0.1-0.14；高压电源电压为16-30kV、频率为30-60kHz。
本发明的有益效果：
(1)本发明所述的基于固体废物的磁性管状生物膜反应器的原料为废塑料、废棉布、重金属离子废水处理产物磁性铁氧体粉末，实现了固体废物的再利用；减少了环境污染，为固体废物的处理提供一种新的思路。
(2)本发明所述基于固体废物的磁性管状生物膜反应器，制备工艺简单，操作方便；在污水进入管道即可进行生物处理，且再利用过程中消耗能源少，成本低，适宜产业化。
(3)本发明所述基于固体废物的磁性管状生物膜反应器中低温等离子体改性废塑料片经过低温等离子体改性后，亲水性增强，其生物挂膜效果好，此外，低温等离子体技术具有易操作、处理效率高、环境污染小、成本低等优点，易于推广应用。
(4)本发明所述基于固体废物的磁性管状生物膜反应器的磁性棉绳对微生物具有磁催化作用，可以增强生物反应器内微生物的活性，使微生物降解污染物的能力和生物反应器的降解效率得到提高，生物挂膜效果好。
附图说明
图1为本发明所述基于固体废物的磁性管状生物膜反应器的主视图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为本发明支架示意图。
图4为本发明的改性废塑料片示意图。
附图标记说明如下：
1-外管，2-支架，3-磁性棉绳，4-改性废塑料片，201-中心圆盘，202-分支。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器，包括外管1、支架2、至少两条磁性棉绳3和多片改性废塑料片4；所述外管1为两端开口的圆柱体；如图3所示，所述支架2的直径与外管1内径相同，包括中心圆盘201和多个分支202，多个分支202周向布置于中心圆盘201的外边缘；中心圆盘201上开有中心孔，每个分支202上径向开有多个第一孔；相邻分支202中心线间的角度为30゜-60゜；所述磁性棉绳3为废棉布经过磁性铁氧体粉末改性制得；其原料废棉布为废旧棉被套、床单或窗帘布，磁性棉绳3的长度与外管1长度相同；所述改性废塑料片4为废塑料片经过低温等离子体技术处理制得，其原料废塑料来自矿泉水瓶或果汁瓶，改性废塑料片4的直径与外管1内径相同。
如图2所示，所述支架2固定于外管1的两端；多片改性废塑料片4彼此平行布置在外管1的内部，且均与外管1轴线垂直；如图4所示，所述改性废塑料片4上开有与中心孔、第一孔相对应的中孔和第二孔；中孔和第二孔的孔径比磁性棉绳3的直径大；所述磁性棉绳3穿插于改性废塑料片4的中孔、第二孔、支架2的中心孔和第一孔内，连接改性废塑料片4的磁性棉绳3均与外管1轴线平行。
实施例1
S1：外管1的制备：
将PE材质做成内径为100mm、厚度为5mm、两端开口的圆柱体管道；
S2：支架2的制备：
先通过机械切割PE板制成厚度为2mm的圆盘，在圆盘上保留半径为5mm的中间圆盘201，中间圆盘201的中间开设中心孔；将圆盘上位于中间圆盘201外的部分切割成宽为20mm的矩形状分支202，然后沿径向开设多个第一孔；中心孔和第一孔的孔径比磁性棉绳3直径大0.5mm；相邻分支中心线间的角度为30゜。
S3：磁性棉绳3的制备；
a)先用人工裁剪将旧棉被套裁剪成宽度为80mm的矩形块状；
b)制备磁性铁氧体粉末
①向重金属离子废水中添加二价铁离子和三价铁离子，所述二价铁离子与废水中其他二价金属离子的摩尔比为2.1，所述三价铁离子与废水中其他三价金属离子的摩尔比为7.6，废水中总的三价金属离子与总的二价金属离子摩尔比为1.3，得处理后废水；
②在不断搅拌下，向步骤①中所述处理后废水中加入强碱，调节溶液的pH值至10.5，常温下反应6min，停止搅拌，至混合液中形成沉渣；
③陈化反应30min，步骤②中所述沉渣转化为黑色的磁性铁氧体，倒出上清液，固液分离；
④将分离后的磁性铁氧体在40℃的环境中干燥，研磨至磁性铁氧体的颗粒粒度在0.1mm以下，并在强度为310kA/m的磁场中预磁化11min，即得所述磁性铁氧体粉末。
c)在矩形块状棉布上沿长度方向涂抹玻璃胶，再在玻璃胶上均匀分布磁性铁氧体粉末；所述玻璃胶的用量至少能粘住磁性铁氧体粉末，所述磁性铁氧体粉末的用量至少能盖住玻璃胶；涂玻璃胶的棉布长度等于整块棉布的长度，宽度为整块棉布宽度的1/3；待玻璃胶干化后，沿着棉布宽度方向，将棉布卷动，最后一圈用玻璃胶密封固定，形成所述直径为4mm磁性棉绳；
S4：改性废塑料片4的制备：
先用刀片手工切割矿泉水瓶废塑料片成直径与外管1内径相当的圆形，然后采用介质阻挡放电反应器产生低温等离子体，对圆形废塑料片进行表面改性；介质阻挡放电反应器中，改性时间为2min，不锈钢材料中心电极直径为13mm，与高压电源的高压端相连；介质为石英玻璃管，管壁厚1.3mm；外壳金属电极与高压电源的地端相连，放电区长度为200mm；工作气体为空气，工作气体流量为0.1m3/h；高压电源电压为16kV、频率为30kHz；改性时用强气流将介质阻挡放电等离子体从放电空间吹出到圆形废塑料片表面进行处理；最后在经过处理的圆形废塑料片表面开设与支架2的中心孔和第一孔对应的中孔和第二孔；
S5：磁性管状生物膜反应器的制备：
将步骤S4中得到的多片改性废塑料片4用磁性棉绳3穿过中孔或第二孔串联起来，且每一片改性废塑料片4两边的磁性棉绳3在紧靠改性废塑料片4处均打结；串联改性废塑料片4的磁性棉绳3均相互平行，保持相连两者之间的间距为40mm；在外管1的一端先固定一个支架2，再在支架2的中心孔和第一孔上分别固定穿过改性废塑料片4的磁性棉绳3的一端；最后在外管1另一端固定支架2，然后固定穿过改性废塑料片4的磁性棉绳3的另一端；即可得到所述磁性管状生物膜反应器。支架2在外管1一端或另一端固定时，先在支架2和外管1端部打孔，然后通过金属丝固定，磁性棉绳3在支架2上的固定通过在支架2外侧的棉绳打结固定，结的尺寸大于支架2的中心孔和第一孔尺寸。
实施例2
S1：外管1的制备：
将PE材质做成内径为600mm、厚度为20mm、两端开口的圆柱体管道；
S2：支架2的制备：
先通过机械切割PE板制成厚度为5mm的圆盘，在圆盘上保留半径为8mm的中间圆盘201，中间圆盘201的中间开设中心孔；将圆盘上位于中间圆盘201外的部分切割成宽为25mm的矩形状分支202，然后沿径向开设多个第一孔；中心孔和第一孔的孔径比磁性棉绳3直径大0.5mm；相邻分支中心线间的角度为60゜。
S3：磁性棉绳3的制备；
a)先用机器裁剪将床单被套裁剪成宽度为120mm的矩形块状；
b)制备磁性铁氧体粉末
①向重金属离子废水中添加二价铁离子和三价铁离子，所述二价铁离子与废水中其他二价金属离子的摩尔比为3，所述三价铁离子与废水中其他三价金属离子的摩尔比为10，废水中总的三价金属离子与总的二价金属离子摩尔比为1.8，得处理后废水；
②在不断搅拌下，向步骤①中所述处理后废水中加入强碱，调节溶液的pH值至12，常温下反应8min，停止搅拌，至混合液中形成沉渣；
③陈化反应60min，步骤②中所述沉渣转化为黑色的磁性铁氧体，倒出上清液，固液分离；
④将分离后的磁性铁氧体在60℃的环境中干燥，研磨至磁性铁氧体的颗粒粒度在0.1mm以下，并在强度为400kA/m的磁场中预磁化20min，即得所述磁性铁氧体粉末。
c)在矩形块状棉布上沿长度方向涂抹玻璃胶，再在玻璃胶上均匀分布磁性铁氧体粉末；所述玻璃胶的用量至少能粘住磁性铁氧体粉末，所述磁性铁氧体粉末的用量至少能盖住玻璃胶；涂玻璃胶的棉布长度等于整块棉布的长度，宽度为整块棉布宽度的1/2；待玻璃胶干化后，沿着棉布宽度方向，将棉布卷动，最后一圈用玻璃胶密封固定，形成所述直径为6mm磁性棉绳；
S4：改性废塑料片4的制备：
先用刀片手工切割果汁塑料片成直径与外管1内径相当的圆形，然后采用介质阻挡放电反应器产生低温等离子体，对圆形废塑料片进行表面改性；介质阻挡放电反应器中，改性时间为5min，不锈钢材料中心电极直径为18mm，与高压电源的高压端相连；介质为石英玻璃管，管壁厚1.8mm；外壳金属电极与高压电源的地端相连，放电区长度为220mm；工作气体为氧气，工作气体流量为0.14m3/h；高压电源电压为30kV、频率为60kHz；改性时用强气流将介质阻挡放电等离子体从放电空间吹出到圆形废塑料片表面进行处理；最后在经过处理的圆形废塑料片表面开设与支架2的中心孔和第一孔对应的中孔和第二孔；
S5：磁性管状生物膜反应器的制备：
将步骤S4中得到的多片改性废塑料片4用磁性棉绳3穿过中孔或第二孔串联起来，且每一片改性废塑料片4两边的磁性棉绳3在紧靠改性废塑料片4处均打结；串联改性废塑料片4的磁性棉绳3均相互平行，保持相连两者之间的间距为60mm；在外管1的一端先固定一个支架2，再在支架2的中心孔和第一孔上分别固定穿过改性废塑料片4的磁性棉绳3的一端；最后在外管1另一端固定支架2，然后固定穿过改性废塑料片4的磁性棉绳3的另一端；即可得到所述磁性管状生物膜反应器。支架2在外管1一端或另一端固定时，先在支架2和外管1端部打孔，然后通过金属丝固定，磁性棉绳3在支架2上的固定通过在支架2外侧的棉绳打结固定，结的尺寸大于支架2的中心孔和第一孔尺寸。
采用实施例1和实施例2所制的磁性管状生物膜反应器处理城市生活污水，其中两磁性管状生物膜反应器的实验条件相同，曝气量0.1m3/h，进水pH 7.7，温度25℃，水力停留时间8h。挂膜一个月后，实施例1所制磁性管状生物膜反应器中COD的去除率能达到91.6％，氨氮的去除率能达到83.7％；实施例2所制磁性管状生物膜反应器中COD的去除率能达到92.5％，氨氮的去除率能达到81.7％；处理效果较好。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器，其特征在于，包括外管(1)、支架(2)、多条磁性棉绳(3)和多片改性废塑料片(4)；所述外管(1)为两端开口的圆柱体；所述支架(2)包括中心圆盘(201)和多个分支(202)，多个分支(202)周向布置于中心圆盘(201)的外边缘；中心圆盘(201)上开有中心孔，每个分支(202)上径向开有多个第一孔；所述支架(2)的直径与外管(1)内径相同；所述磁性棉绳(3)为废棉布经过磁性铁氧体粉末改性制得；所述改性废塑料片(4)为废塑料片经过低温等离子体技术处理制得；所述支架(2)固定于外管(1)的两端；多片改性废塑料片(4)彼此平行布置在外管(1)的内部，且均与外管(1)轴线垂直；所述改性废塑料片(4)上开有与中心孔、第一孔相对应的中孔和第二孔；所述磁性棉绳(3)穿插于改性废塑料片(4)的中孔和第二孔、支架(2)的中心孔和第一孔内，连接改性废塑料片(4)的磁性棉绳(3)均与外管(1)轴线平行。
2.根据权利要求1所述的一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器，其特征在于，每一片改性废塑料片(4)两侧的磁性棉绳(3)在紧靠改性废塑料片(4)处均打有结，所述结的尺寸大于中孔和第二孔的孔径。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器，其特征在于，所述外管(1)为PE材质，内径为100-600mm、厚度为5-20mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器，其特征在于，所述支架(2)的材料为PE板，厚度为2-5mm；所述中心孔和第一孔的孔径均比磁性棉绳(3)的直径大0.5-1mm；中心圆盘(201)的半径为5-8mm，分支(202)的宽度为20-25mm，相邻分支(202)中心线间的角度为30゜-60゜。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器，其特征在于，所述磁性棉绳(3)的棉布为废旧棉被套、床单或窗帘布；所述磁性棉绳(3)的长度与外管(1)长度相同，直径为4-6mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器，其特征在于，所述改性废塑料片(4)的废塑料来自矿泉水瓶或果汁瓶；所述改性废塑料片(4)的直径与外管(1)内径相同，厚度小于2mm；所述中孔和第二孔的孔径比磁性棉绳(3)的直径大0.5-1mm。
7.一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：支架(2)的制备：
将PE板制成圆盘，在圆盘上保留中心圆盘(201)，且中心圆盘(201)的中间开设中心孔；将圆盘上位于中心圆盘(201)外的部分切割成矩形状的分支(202)，然后沿径向开设多个第一孔；
S2：磁性棉绳(3)的制备；
先将废棉布裁剪成矩形块状；在矩形块状棉布上沿长度方向涂抹玻璃胶，再在玻璃胶上均匀分布磁性铁氧体粉末；待玻璃胶干化后，沿着棉布宽度方向，将棉布卷动，最后一圈用玻璃胶密封固定，形成所述磁性棉绳(3)；
S3：改性废塑料片(4)的制备：
将废塑料片切割成直径与外管(1)内径相当的圆形，然后采用介质阻挡放电反应器产生低温等离子体，对圆形废塑料片进行表面改性；最后在经过处理的圆形废塑料片表面开设与支架(2)的中心孔和第一孔对应的中孔和第二孔；
S4：磁性管状生物膜反应器的制备：
将步骤S3中得到的多片改性废塑料片(4)用磁性棉绳(3)穿过中孔或第二孔串联起来，且每一片改性废塑料片(4)两边的磁性棉绳(3)在紧靠改性废塑料片(4)处均打结；串联改性废塑料片(4)的磁性棉绳(3)均相互平行；在外管(1)的一端先固定一个支架(2)，再在支架(2)的中心孔和第一孔上分别固定穿过改性废塑料片(4)的磁性棉绳(3)的一端；最后在外管(1)另一端固定支架(2)，然后固定穿过改性废塑料片(4)的磁性棉绳(3)的另一端；即可得到所述磁性管状生物膜反应器。
8.根据权利要求7所述的一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述玻璃胶的用量至少能粘住磁性铁氧体粉末，所述磁性铁氧体粉末的用量至少能盖住玻璃胶；涂玻璃胶的棉布长度等于整块棉布的长度，宽度为整块棉布宽度的1/3-1/2。
9.根据权利要求8所述的一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器的制备方法，其特征在于，所述磁性铁氧体粉末的制备过程如下：
①向重金属离子废水中添加二价铁离子和三价铁离子，所述二价铁离子与废水中其他二价金属离子的摩尔比大于2，所述三价铁离子与废水中其他三价金属离子的摩尔比大于7.5，废水中总的三价金属离子与总的二价金属离子摩尔比的范围为1.3-1.8，得处理后废水；
②在不断搅拌下，向步骤①中所述处理后废水中加入强碱，调节溶液的pH值至10以上，常温下反应6-8min，停止搅拌，至混合液中形成沉渣；
③陈化反应30-60min，步骤②中所述沉渣转化为黑色的磁性铁氧体，倒出上清液，固液分离；
④将分离后的磁性铁氧体在40-60℃的环境中干燥，研磨至磁性铁氧体的颗粒粒度在0.1mm以下，并在强度大于300kA/m的磁场中预磁化10min以上，即得所述磁性铁氧体粉末。
10.根据权利要求7所述的一种基于固体废物的磁性管状生物膜反应器的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述圆形塑料片进行表面改性的参数选择如下：改性时间为2-5min；不锈钢材料中心电极直径为13-18mm，与高压电源的高压端相连；介质为石英玻璃管，管壁厚1.3-1.8mm；外壳金属电极与高压电源的地端相连；放电区长度为200-220mm；工作气体为空气或氧气，工作气体流量为0.1-0.14m3/h；高压电源电压为16-30kV、频率为30-60kHz。
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