CN107721072A - 一种基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，包括生物膜反应单元和过滤单元，所述生物膜反应单元包括反应容器和设置于反应容器内的磁性活性炭纤维填料，过滤单元包括过滤容器、刮板、漂浮装置、生物炭容器以及活性炭纤维，生物炭容器通过漂浮装置漂浮于过滤容器内，过滤容器的一侧壁上开口与反应容器连通，另一侧壁上设有多个通孔，并均布有活性碳纤维，刮板固定于生物炭过滤装置上，刮板的一侧与过滤容器的另一侧壁贴合，随着液面变化，漂浮装置带动刮板上下移动，刮除活性炭纤维的污染。本发明结构简单，既可以有效减少出水中的悬浮物，提高出水水质，同时有效解决了活性炭纤维作为过滤材料处理污水时的污染问题。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及生物膜反应器，具体涉及一种基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器。
背景技术
活性炭纤维是一种性能优异的环保功能材料，因其比表面积大、吸附性能好、可塑性较强和良好的生物相容性等特点，正逐渐被应用于环境领域中。目前，活性炭纤维在污水处理领域中有着较广泛的应用，多数是作为一种良好的吸附剂对气体、金属和有机物等污染物质进行去除；也有少量研究将活性炭纤维用于生物膜载体来降解水体中的有机污染物质。
活性炭纤维作为生物膜载体组成生物膜反应器处理污水时，污水中的污染物能得到较大幅度的降解，但出水中含有大量的悬浮物，水质不高。目前将活性炭纤维同时作为微生物载体和过滤材料的研究和应用还很少见。同时，目前过滤材料孔隙堵塞而带来的污染往往是过滤材料使用中常见的问题，对孔隙堵塞的处理会带来污水处理成本的提高。
发明内容
针对现有技术中存在的活性炭纤维应用及过滤材料污染的问题，本发明开发了一种基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，既可以有效减少出水中的悬浮物，提高出水水质，同时有效解决了活性炭纤维作为过滤材料处理污水时的污染问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，包括生物膜反应单元和过滤单元，所述生物膜反应单元包括反应容器和磁性活性炭纤维填料，所述磁性活性炭纤维填料包括块状磁性活性炭纤维填料和多个条状磁性活性炭纤维填料，所述块状磁性活性炭纤维填料均布在反应容器的内壁上，多个所述条状磁性活性炭纤维填料垂直均匀分布于反应容器内，所述条状磁性活性炭纤维填料的长度与反应容器的高度相同；
所述过滤单元包括过滤容器和设置于过滤容器内的刮板、漂浮装置、生物炭容器以及活性碳纤维，所述过滤容器的第一侧壁靠近顶端位置开设通孔，所述反应容器的一侧壁上靠近顶端位置开设通孔，并与所述过滤容器的第一侧壁顶端通孔连通，所述过滤容器的第二侧壁上开设有多个通孔，所述第二侧壁与第一侧壁相对，所述活性碳纤维均布在第二侧壁上；所述生物炭容器内填充生物炭，所述生物炭容器上设有多个直径小于生物炭的直径的通孔，所述漂浮装置安装于所述生物炭容器上，使得生物炭容器在过滤容器内漂浮；
所述刮板安装于所述生物炭容器上，刮板垂直于生物炭容器的轴线，刮板的长度与第二侧壁的长度相等，刮板的一端贴合第二侧壁，以使刮板刮除第二侧壁上的污染物质。
优选地，所述反应容器上方设有支撑杆，多个所述条状磁性活性炭纤维填料悬挂于支撑杆上，所述条状磁性活性炭纤维填料的宽度为1-3cm，厚度为3-7mm，所述反应容器内的条状磁性活性炭纤维填料的填充率为30％～60％。
优选地，所述块状磁性活性炭纤维填料厚度为1-3mm，并通过不锈钢丝网固定于反应容器的内壁上，不锈钢丝网的网孔为方孔或圆孔，网孔的边长或直径为1-3cm。
优选地，所述过滤容器的第二侧壁上的通孔面积占第二侧壁面积的80％-90％，所述活性炭纤维的厚度为2-4mm。
优选地，所述生物炭容器为圆柱状，由不锈钢丝制成，所述生物炭容器上的通孔为正方形或圆形，边长或直径为3-5mm；
所述生物炭容器内的生物炭的直径大于5mm，生物炭的填充率为65％-85％。
优选地，所述漂浮装置包括多个空塑料瓶，多个所述空塑料瓶分别沿生物炭容器的周向固定于生物炭容器的侧面。
优选地，所述空塑料瓶通过固定于生物炭容器上的不锈钢圆环固定于生物炭容器上。
优选地，所述反应容器和过滤容器均由不锈钢或有机玻璃制成。
优选地，所述磁性活性炭纤维填料的制备采用如下步骤。
步骤一：向水中加入二价铁离子盐和三价铁离子盐，制备含有二价铁离子和三价铁离子的混合溶液，其中三价铁离子盐中的三价铁离子与二价铁离子盐中二价铁离子的摩尔浓度比为0.9:1～1.2:1；
步骤二：将裁剪的条状和块状活性炭纤维浸没于含有二价铁离子和三价铁离子的混合溶液中，搅拌均匀后吸附处理10～20min，取出得吸附铁离子的活性炭纤维；
步骤三：将吸附铁离子的活性炭纤维浸没于pH≥10的强碱溶液中，搅拌均匀后常温反应10～20min，固液分离、洗涤、干燥，得条状磁性活性炭纤维填料和块状磁性活性炭纤维填料。
优选地，所述步骤三中，强碱为氢氧化钠或氢氧化钾，干燥的温度为50～70℃。
本发明的有益效果是：
1)将活性炭纤维同时用于生物膜反应装置和过滤装置，出水水质好，可以回用，提高了污水的资源化利用率；
2)基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器制作时，使用了大量的固体废物如生物炭、空塑料瓶等废塑料，装置的制作成本低；
3)本发明设置刮板，刮板在过滤单元中水位和漂浮装置的作用下工作，既有效延缓了活性炭纤维的污染，同时又节省了动力费用，运行成本低。
附图说明
图1为本发明所述一种基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器的俯视结构示意图。
图2为本发明所述漂浮装置的结构示意图。
其中：
1.生物膜反应单元；2.过滤单元；3.块状磁性活性炭纤维填料；4.条状磁性活性炭纤维填料；5.活性碳纤维；6.生物炭容器；7.不锈钢圆环；8.空塑料瓶；9.刮板；10.反应容器；11.过滤容器。
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，本发明所述的一种基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，包括生物膜反应单元1和过滤单元2，生物膜反应单元1由反应容器10和磁性活性炭纤维填料两部分组成，过滤单元2包括过滤容器11、刮板9、设置于过滤容器11内的漂浮装置、生物炭容器6以及活性碳纤维5。反应容器10和过滤容器11大小、厚度均相同，均为上面开口的立方体结构；反应容器10的一个侧面和过滤容器11的第一侧壁紧靠在一起，组成一个长方体；在反应容器10和过滤容器11相互紧靠的侧面上距顶部1cm处开一个直径为1-4cm的圆孔，反应容器10和过滤容器11通过圆孔连通，供污水流通。
反应容器10材质为不锈钢或有机玻璃，壁厚为2-4mm，容积是工作时污水流量的6-10倍。磁性活性炭纤维填料包括块状磁性活性炭纤维填料3和多个条状磁性活性炭纤维填料4，多个条状磁性活性炭纤维填料4垂直均匀分布于反应容器10内，反应容器10的上方设有支撑杆，多个所述条状磁性活性炭纤维填料4悬挂于支撑杆上，所述条状磁性活性炭纤维填料4的宽度为1-3cm，厚度为3-7mm，所述反应容器10内的条状磁性活性炭纤维填料4的填充率为30％～60％。
块状磁性活性炭纤维填料3均布在反应容器10的内壁上，块状磁性活性炭纤维填料3的大小与反应容器10的侧壁面积大小相等，厚度为1-3mm；在每个侧面的块状磁性活性炭纤维填料3的外部均设置与块状磁性活性炭纤维填料3大小相同的方形不锈钢丝网，网孔为方形或圆形，网孔的边长或直径为1-3cm，不锈钢丝网的厚度为0.7-1.5mm，反应容器10四个侧面的不锈钢丝网在相互接触处焊接在一起。
其中，磁性活性炭纤维填料的制备采用如下步骤：
步骤一：向水中加入二价铁离子盐和三价铁离子盐，制备含有二价铁离子和三价铁离子的混合溶液，其中三价铁离子盐中的三价铁离子与二价铁离子盐中二价铁离子的摩尔浓度比为0.9:1～1.2:1；
步骤二：将裁剪的条状和块状活性炭纤维浸没于含有二价铁离子和三价铁离子的混合溶液中，搅拌均匀后吸附处理10～20min，取出得吸附铁离子的活性炭纤维；
步骤三：将吸附铁离子的活性炭纤维浸没于pH≥10的强碱溶液中，搅拌均匀后常温反应10～20min，固液分离、洗涤、干燥，得条状磁性活性炭纤维填料4和块状磁性活性炭纤维填料3。
上述步骤三中，所述的强碱为氢氧化钠或氢氧化钾，干燥的温度为50-70℃。
过滤容器11的材质为不锈钢或有机玻璃，过滤容器11的第二侧壁与第一侧壁相对，第二侧壁上开设有多个圆孔，多个圆孔的面积占第二侧壁的面积的80％-90％，在第二侧壁的内壁上通过胶粘固定活性炭纤维5，活性炭纤维5的面积与第二侧壁的面积相等，厚度为2-4mm。
生物炭容器6内填充生物炭，生物炭容器6为圆柱状，由不锈钢丝制成，生物炭容器6的端面直径为过滤容器11底面边长的2/3-3/4，高度为直径的1/4-1/3；生物炭容器6上的通孔为正方形或圆形，边长或直径为3-5mm，用于编织生物炭容器6的不锈钢丝直径为0.5-1mm，在生物炭容器6内填充直径大于5mm的生物炭，生物炭的填充率为65％-85％。
如图2所示，漂浮装置包括多个空塑料瓶8，在生物炭容器6侧壁上与生物炭容器6的上、下端面距离相等的中间位置均匀焊接若干个不锈钢圆环7，不锈钢圆环7所在平面与生物炭容器6的上端面和下端面平行，不锈钢圆环7的直径与空塑料瓶8的直径相当，制作不锈钢圆环7的不锈钢丝直径为1-2mm。每一个不锈钢圆环7中均固定一个空塑料瓶8；固定时，先将空塑料瓶8放入不锈钢圆环7中，并收紧不锈钢圆环7，使空塑料瓶8固定；同时固定后每一个不锈钢圆环7均位于空塑料瓶8的中部位置。不锈钢圆环7或空塑料瓶8的个数通过以下方式确定：当过滤容器中充满水，使漂浮装置漂浮在水面的最少个数。
刮板9为方形塑料板，安装于所述生物炭容器6上，刮板9垂直于生物炭容器6的轴线，刮板9的外边长与过滤容器11底部的内边长相同，厚度为1-1.5mm，刮板9的制作采用如下步骤：
步骤一：裁剪边长与过滤容器底部内边长相同的方形塑料，将焊接不锈钢圆环7的生物炭容器6放在方形塑料的上面，并使生物炭容器6的中心与方形塑料的中心重合；
步骤二：沿着生物炭容器6在方形塑料上的投影外边缘开孔，孔直径与生物炭容器6的直径相同；
步骤三：然后再沿着不锈钢圆环7在方形塑料上的投影外边缘开孔，形成刮板9。
安装时，将刮板9穿过生物炭容器6和空塑料瓶8的下部，用直径为1-2mm的铁丝固定在生物炭容器6的中部位置，并使刮板9所在平面与生物炭容器6的上下底面平行。
工作时，污水先进入生物膜反应单元，在生物膜反应单元中磁性活性炭纤维填料上的微生物降解作用下，污水中的污染物被降解；然后污水经由生物膜反应单元和过滤单元侧壁上的圆孔进入过滤单元，在第二侧壁上活性炭纤维的过滤作用下出水，出水水质良好。刮板9在漂浮装置的作用下，随着过滤单元2中水位的变化，上下移动，吸附在过滤单元活性炭纤维上5的污染物质在刮板9的刮除作用下被去除，从而延缓了过滤单元2中活性炭纤维的污染。
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)
1.一种基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，包括生物膜反应单元(1)和过滤单元(2)，所述生物膜反应单元(1)包括反应容器(10)和磁性活性炭纤维填料，所述磁性活性炭纤维填料包括块状磁性活性炭纤维填料(3)和多个条状磁性活性炭纤维填料(4)，所述块状磁性活性炭纤维填料(3)均布在反应容器(10)的内壁上，多个所述条状磁性活性炭纤维填料(4)垂直均匀分布于反应容器(10)内，所述条状磁性活性炭纤维填料(4)的长度与反应容器(10)的高度相同；
所述过滤单元(2)包括过滤容器(11)和设置于过滤容器(11)内的刮板(9)、漂浮装置、生物炭容器(6)以及活性碳纤维(5)，所述过滤容器(11)的第一侧壁靠近顶端位置开设通孔，所述反应容器(10)的一侧壁上靠近顶端位置开设通孔，并与所述过滤容器(11)的第一侧壁顶端通孔连通，所述过滤容器(11)的第二侧壁上开设有多个通孔，所述第二侧壁与第一侧壁相对，所述活性碳纤维(5)均布在第二侧壁上；所述生物炭容器(6)内填充生物炭，所述生物炭容器(6)上设有多个直径小于生物炭的直径的通孔，所述漂浮装置安装于所述生物炭容器(6)上，使得生物炭容器(6)在过滤容器(11)内漂浮；
所述刮板(9)安装于所述生物炭容器(6)上，刮板(9)垂直于生物炭容器(6)的轴线，刮板(9)的长度与第二侧壁的长度相等，刮板(9)的一端贴合第二侧壁，以使刮板(9)刮除第二侧壁上的污染物质。
2.根据权利要求1所述的基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，所述反应容器(10)上方设有支撑杆，多个所述条状磁性活性炭纤维填料(4)悬挂于支撑杆上，所述条状磁性活性炭纤维填料(4)的宽度为1-3cm，厚度为3-7mm，所述反应容器(10)内的条状磁性活性炭纤维填料(4)的填充率为30％～60％。
3.根据权利要求1所述的基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，所述块状磁性活性炭纤维填料(3)厚度为1-3mm，并通过不锈钢丝网固定于反应容器(10)的内壁上，不锈钢丝网的网孔为方孔或圆孔，网孔的边长或直径为1-3cm。
4.根据权利要求1所述的基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，所述过滤容器(11)的第二侧壁上的通孔面积占第二侧壁面积的80％-90％，所述活性炭纤维(5)的厚度为2-4mm。
5.根据权利要求1所述的基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，所述生物炭容器(6)为圆柱状，由不锈钢丝制成，所述生物炭容器(6)上的通孔为正方形或圆形，边长或直径为3-5mm；
所述生物炭容器(6)内的生物炭的直径大于5mm，生物炭的填充率为65％-85％。
6.根据权利要求5所述的基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，所述漂浮装置包括多个空塑料瓶(8)，多个所述空塑料瓶(8)分别沿生物炭容器(6)的周向固定于生物炭容器(6)的侧面。
7.根据权利要求6所述的基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，所述空塑料瓶(8)通过固定于生物炭容器(6)上的不锈钢圆环(7)固定于生物炭容器(6)上。
8.根据权利要求1所述的基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，所述反应容器(10)和过滤容器(11)均由不锈钢或有机玻璃制成。
9.根据权利要求1所述的基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，所述磁性活性炭纤维填料的制备采用如下步骤。
步骤一：向水中加入二价铁离子盐和三价铁离子盐，制备含有二价铁离子和三价铁离子的混合溶液，其中三价铁离子盐中的三价铁离子与二价铁离子盐中二价铁离子的摩尔浓度比为0.9:1～1.2:1；
步骤二：将裁剪的条状和块状活性炭纤维浸没于含有二价铁离子和三价铁离子的混合溶液中，搅拌均匀后吸附处理10～20min，取出得吸附铁离子的活性炭纤维；
步骤三：将吸附铁离子的活性炭纤维浸没于pH≥10的强碱溶液中，搅拌均匀后常温反应10～20min，固液分离、洗涤、干燥，得条状磁性活性炭纤维填料(4)和块状磁性活性炭纤维填料(3)。
10.根据权利要求9所述的基于磁性活性炭纤维的生物膜反应器，其特征在于，所述步骤三中，强碱为氢氧化钠或氢氧化钾，干燥的温度为50～70℃。
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