一種基於空心圓錐形活性炭纖維填料的生物膜反應器的製作方法

2023-06-11 11:41:41

本發明屬於水處理技術領域，涉及生物膜反應器，具體涉及一種基於空心圓錐形活性炭纖維填料的生物膜反應器。

背景技術：

生物膜反應器的填料是微生物附著生長的載體，是生物膜法工藝的核心。研究者在生物填料方面的研究取得了較多成果，用研發的生物填料處理汙水也取得了較好的汙染物去除效果，這些成果對於生物膜反應器填料的發展影響重大。但是有些填料還存在一定的缺陷，如以聚乙烯和聚丙烯為代表的有機載體及以陶粒為代表的無機載體在使用過程中常存在微生物附著性能差、容易造成堵塞和易纏結等問題。基於此，一些研究者開始嘗試用可降解材料製作填料作為生物膜載體，然而，這類填料也存在一些缺點，如穩定性差、使用時間短等問題，而且由於在使用初期有機物即被迅速分解釋放，這反而影響了處理系統的出水水質。因此，研發性能良好且經濟的環境友好型填料，是今後生物填料研究的發展方向，對於防治水汙染以及實現水處理行業的可持續發展具有重要的意義。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的生物膜反應器填料的缺點，本發明開發了一種空心圓錐形磁性活性炭纖維填料，並在此基礎上提供了一種基於空心圓錐形活性炭纖維填料的生物膜反應器，解決了傳統填料的缺點，同時使用含該填料的生物膜反應器對汙水中汙染物的去除效率高。

本發明是通過以下技術方案實現上述技術目的的：

一種基於空心圓錐形活性炭纖維填料的生物膜反應器，包括中空圓柱狀反應器外殼、中心支撐軸線、空心圓錐形磁性活性炭纖維填料和填料支架；

所述中心支撐軸線位於中空圓柱狀反應器外殼內部的中心軸線上，中心支撐軸線穿過空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的中心，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的軸線與中心支撐軸線重合，所述中心支撐軸線的兩端分別固定在反應器兩端的端蓋上；所述空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的空隙含有磁性顆粒；所述填料支架安裝在空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的內部；所述填料支架包括多個長度相同的支撐棒，每一根支撐棒一端垂直固定在中心支撐軸線上，支撐棒的另一端均接觸空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的內壁；每個填料支架的支撐棒在同一個與中心支撐軸線垂直的平面內，且支撐棒之間的夾角相同。

上述方案中，所述的中空圓柱狀反應器外殼材質為不鏽鋼或有機玻璃，保證反應器的強度。所述的中空圓柱狀反應器外殼的圓柱長度與圓直徑的比值為10:1～12:1，所述的中空圓柱狀反應器外殼的壁厚為1～4mm，保證反應器外殼的強度。

上述方案中，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料是將扇形磁性活性炭纖維的兩個直線邊緣縫合在一起製成的，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料圓錐底面直徑與中空圓柱狀反應器外殼的內徑相當，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料圓錐的高與底面直徑的比值為1:1～1.2:1，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的壁厚為1～3mm，保證反應器的處理效果。空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的個數取決於進水水質和對出水水質的要求。

上述方案中，所述的中心支撐軸線材質為不鏽鋼或其他金屬，直徑為1～2mm，保證中心支撐軸線的強度。中心支撐軸線的兩端分別固定在反應器兩端的端蓋上，並位於中空圓柱狀反應器外殼的中心位置。

上述方案中，所述的填料支架在空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的內部，每一根支撐棒均接觸空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的內壁。支撐棒材質為不鏽鋼或有機玻璃，長度比空心圓錐形磁性活性炭纖維填料底面半徑略小；支撐棒在中心支撐軸線的固定方式為焊接或膠粘。填料支架的個數與空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的個數相同。組成每個填料支架的支撐棒的個數至少為4，這樣可以得到好的支撐效果，且空心圓錐不會變形，空心圓錐對汙水的過濾效果好。

上述方案中，所述空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的磁性顆粒為鐵氧體顆粒。鐵氧體顆粒在生成時吸附在活性炭纖維表面，在活性炭纖維表面的附著更均勻、更穩定。

所述扇形磁性活性炭纖維為採用如下方法製備得到的扇形磁性活性炭纖維，所述方法包括以下步驟：

(1)裁剪扇形活性炭纖維；

(2)向水中加入二價鐵離子鹽和三價鐵離子鹽，製備含有二價鐵離子和三價鐵離子的混合溶液，其中三價鐵離子鹽中的三價鐵離子與二價鐵離子鹽中的二價鐵離子的摩爾濃度比為0.9:1～1.2:1；

(3)將扇形活性炭纖維浸沒於含有二價鐵離子和三價鐵離子的混合溶液中，攪拌均勻後吸附處理10～20min，取出得吸附鐵離子的扇形活性炭纖維；

(4)將吸附鐵離子的扇形活性炭纖維浸沒於ph≥10的強鹼溶液中，攪拌均勻後常溫反應10～20min，固液分離、洗滌、乾燥，得扇形磁性活性炭纖維。

上述步驟(4)中，所述的強鹼為氫氧化鈉或氫氧化鉀，乾燥的溫度為50～70℃。

上述製備方法中使鐵氧體顆粒吸附在活性炭纖維表面，顆粒分布更均勻，對汙水的處理效果更好。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1.本發明採用活性炭纖維製備填料，並將填料設計成空心圓錐形，解決了微生物附著性能差、易纏結等問題。

2.本發明空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的孔隙中含有穩定的磁性顆粒，可以增強生物膜反應器中微生物的活性，使微生物降解汙染物的能力提高，從而提高生物膜反應器對汙染物的降解效率。

3.本發明基於空心圓錐形活性炭纖維填料的生物膜反應器工作時，汙水從空心圓錐形磁性活性炭纖維填料的開口端進入；在填料表面微生物的生物降解、空心圓錐形活性炭纖維填料的過濾等綜合作用下，汙水中汙染物被去除，汙水得以淨化。

附圖說明

圖1為基於空心圓錐形活性炭纖維填料的生物膜反應器結構示意圖；

圖2為填料支架示意圖。

圖中：1.中空圓柱狀反應器外殼；2.中心支撐軸線；3.空心圓錐形磁性活性炭纖維填料；4.填料支架；5.支撐棒。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步描述：

實施例1

如圖1和圖2所示，基於空心圓錐形活性炭纖維填料的生物膜反應器包括中空圓柱狀反應器外殼1、空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3、中心支撐軸線2和填料支架4等。所述的中空圓柱狀反應器外殼1在最外面；中心支撐軸線2在中空圓柱狀反應器外殼1內部的中心軸線上，並穿過空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的中心，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的軸線與中心支撐軸線2重合；填料支架4在空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的內部；多個長度相同的支撐棒5垂直固定在中心支撐軸線2上，形成所述的填料支架4，每個填料支架4的支撐棒5在同一個與中心支撐軸線2垂直的平面內，且支撐棒5之間的夾角相同。

所述的中空圓柱狀反應器外殼1材質為不鏽鋼，中空圓柱狀反應器外殼1的圓柱長度與圓直徑的比值為10:1，中空圓柱狀反應器外殼1的壁厚為1mm。

所述空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3是將扇形磁性活性炭纖維的兩個直線邊緣縫合在一起製成的，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的圓錐底面直徑與中空圓柱狀反應器外殼1的內徑相當，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3圓錐的高與底面直徑的比值為1:1，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的壁厚為1mm。空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的個數取決於進水水質和對出水水質的要求。

所述的中心支撐軸線2材質為不鏽鋼，直徑為1mm，中心支撐軸線2的兩端分別固定在反應器兩端的端蓋上，並位於中空圓柱狀反應器外殼1的中心位置。

所述的填料支架4在空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的內部，每一根支撐棒5的的一端垂直固定在中心支撐軸線上，另一端均接觸空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的內壁。支撐棒5材質為不鏽鋼，長度比空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3底面半徑略小；支撐棒5在中心支撐軸線2的固定方式為焊接。填料支架4的個數與空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的個數相同。組成每個填料支架4的支撐棒5的個數為4。

所述扇形磁性活性炭纖維的製備採用如下步驟：

(1)裁剪扇形活性炭纖維；

(2)向水中加入二價鐵離子鹽和三價鐵離子鹽，製備含有二價鐵離子和三價鐵離子的混合溶液，其中三價鐵離子鹽中的三價鐵離子與二價鐵離子鹽中的二價鐵離子的摩爾濃度比為0.9:1；

(3)將扇形活性炭纖維浸沒於含有二價鐵離子和三價鐵離子的混合溶液中，攪拌均勻後吸附處理10min，取出得吸附鐵離子的扇形活性炭纖維；

(4)將吸附鐵離子的扇形活性炭纖維浸沒於ph為10的強鹼溶液中，攪拌均勻後常溫反應10min，固液分離、洗滌、乾燥，得扇形磁性活性炭纖維。

上述步驟(4)中，所述的強鹼為氫氧化鈉，乾燥的溫度為50℃。

實施例2

如圖1和圖2所示，基於空心圓錐形活性炭纖維填料的生物膜反應器包括中空圓柱狀反應器外殼1、空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3、中心支撐軸線2和填料支架4等。所述的中空圓柱狀反應器外殼1在最外面；中心支撐軸線2在中空圓柱狀反應器外殼1內部中心的軸線上，並穿過空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的中心，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的軸線與中心支撐軸線2重合；填料支架4在空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的內部；多個長度相同的支撐棒5垂直固定在中心支撐軸線2上，形成所述的填料支架4，每個填料支架4的支撐棒5在同一個與中心支撐軸線2垂直的平面內，且支撐棒5之間的夾角相同。

所述的中空圓柱狀反應器外殼1材質為有機玻璃，圓柱長度與圓直徑的比值為12:1，中空圓柱的壁厚為4mm。

空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3是將扇形磁性活性炭纖維的兩個直線邊緣縫合在一起製成的，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3圓錐底面直徑與中空圓柱狀反應器外殼1的內徑相當，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3圓錐的高與底面直徑的比值為1.2:1，空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的壁厚為3mm。空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的個數取決於進水水質和對出水水質的要求。

所述的中心支撐軸線2材質為除不鏽鋼外的其他金屬，直徑為2mm，固定在反應器兩端的端蓋上，並位於中空圓柱狀反應器外殼1的中心位置。

所述的填料支架4安裝在空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的內部，每一根支撐棒5的的一端垂直固定在中心支撐軸線上，另一端均接觸空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的內壁。支撐棒5材質為有機玻璃，支撐棒5的長度比空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3底面半徑略小；支撐棒5在中心支撐軸線2的固定方式為膠粘。填料支架4的個數與空心圓錐形磁性活性炭纖維填料3的個數相同。組成每個填料支架4的支撐棒5的個數為8。

所述扇形磁性活性炭纖維的製備採用如下步驟：

(1)裁剪扇形活性炭纖維；

(2)向水中加入二價鐵離子鹽和三價鐵離子鹽，製備含有二價鐵離子和三價鐵離子的混合溶液，其中三價鐵離子鹽中的三價鐵離子與二價鐵離子鹽中的二價鐵離子的摩爾濃度比為1.2:1；

(3)將扇形活性炭纖維浸沒於含有二價鐵離子和三價鐵離子的混合溶液中，攪拌均勻後吸附處理20min，取出得吸附鐵離子的扇形活性炭纖維；

(4)將吸附鐵離子的扇形活性炭纖維浸沒於ph為12的強鹼溶液中，攪拌均勻後常溫反應20min，固液分離、洗滌、乾燥，得扇形磁性活性炭纖維。

上述步驟(4)中，所述的強鹼為氫氧化鉀，乾燥的溫度為70℃。

採用實施例1和實施例2所制的基於空心圓錐形活性炭纖維填料的生物膜反應器處理城市生活汙水，其中兩生物膜反應器的容積和實驗條件相同，曝氣量0.1m3/h，進水ph＝7.7，溫度25℃，水力停留時間8.5h。掛膜並穩定運行一個月後，實施例1所制生物膜反應器中cod的去除率能達到91.3％，nh4+-n的去除率能達到85.7％；實施例2所制生物膜反應器中cod的去除率能達到95.1％，nh4+-n的去除率能達到88.5％；處理效果良好。

所述實施例為本發明優選的實施方式，但本發明並不限於上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬於本發明的保護範圍。