專利名稱：生物碳纖維平板膜組件及污水處理反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及污水處理領(lǐng)域，具體而言涉及一種生物碳纖維平板膜組件以及包括其的污水處理反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
MBR工藝又稱膜生物反應(yīng)器(Membrane Bio-reactor)，是一種現(xiàn)代膜分離技術(shù)與生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型的水處理技術(shù)，它利用膜分離設(shè)備將生化反應(yīng)池中的活性污泥和大分子有機(jī)物截留住，達(dá)到水凈化的目的。膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor,MBR)是高效膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)活性污泥法的結(jié)合，幾乎能將所有的微生物截留在生物反應(yīng)器中，這使反應(yīng)器中的生物污泥濃度提高， 理論上污泥泥齡可以無限長，使出水的有機(jī)污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，對難降解的工業(yè)廢水也非常有效。與傳統(tǒng)生物處理工藝相比具有出水水質(zhì)好，占地面積少，設(shè)備集中，模塊化，并且具有升級改造的潛力，是一項很有發(fā)展前景的工藝。1969年，美國的Smith首次報道了美國Dorr-Oliver公司把活性污泥法和超濾工藝結(jié)合處理城市污水的方法。1970年，美國的Dorr-Ol iver公司和日本的Sanki Engineering有限責(zé)任公司達(dá)成協(xié)議，使得該工藝進(jìn)入日本市場。目前在世界范圍內(nèi)，實際應(yīng)用的MBR系統(tǒng)已經(jīng)超過500套，同時許多工程在計劃或者建設(shè)中。MBR在日本的商業(yè)應(yīng)用發(fā)展的很快，世界上約有66%的工程在日本，其余的MBR工程主要在北美和歐洲。我國對膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)的研究較晚，但發(fā)展迅速，近年來，MBR工藝已有實際應(yīng)用實例，并保持著良好的發(fā)展勢頭。2002年，膜生物反應(yīng)器的研發(fā)又被列為“863” 重大科技項目，推進(jìn)膜生物反應(yīng)器在污水處理及回收中的應(yīng)用，有研究者在研究膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)活性污泥工藝進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，在運行條件一致的情況下，膜生物反應(yīng)器有更強(qiáng)的去除能力。通過研究膜生物反應(yīng)器對各分子質(zhì)量區(qū)間內(nèi)有機(jī)物的去除規(guī)律發(fā)現(xiàn)，物理截留作用可完全截留粒徑> 0. 22 μ m的有機(jī)物，而活性污泥的降解作用以及膜表面濾餅層和凝膠層的共同作用可去除大部分0. 22 μ m以下的有機(jī)物。MBR的主要特點第一，污泥負(fù)荷率高，去除率高，抗污泥膨脹能力較強(qiáng)；第二，出水水質(zhì)良好且穩(wěn)定可靠，懸浮物幾乎為0，可直接回用；第三，反應(yīng)器運行靈活穩(wěn)定；第四， 污泥停留時問較長，剩余污泥大大減少；第五，占地面積較少，易于自動化控制管理；第六， 脫氮脫磷效果較好；第七，處理后的水細(xì)菌總數(shù)比較少，達(dá)飲用水標(biāo)準(zhǔn)，無須進(jìn)行紫外線、臭氧消毒即可直接飲用。然而，在實際運行過程當(dāng)中，研究人員發(fā)現(xiàn)有機(jī)膜具有易污染、堵塞，耗能大，只能在低溫低壓下操作等缺點。其中，膜污染是指MBR反應(yīng)器內(nèi)混合液中的懸浮顆粒、膠體粒子或溶解性大分子有機(jī)物在膜表面和膜孔內(nèi)吸附沉積，造成膜孔徑減小或堵塞，使膜通量下降的現(xiàn)象。其污染的影響因素主要有膜本身所具有的性質(zhì)、污水的水質(zhì)、水力特性以及 MBR運行的技術(shù)操作條件。膜污染已經(jīng)成為影響處理水效果的一個重要因素，已經(jīng)成為阻礙 MBR工藝快速發(fā)展的制約因素，同時膜污染處理成本的提高，也造成了 MBR工藝運行成本的增加。隨著社會的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)廢水的凈化逐漸成為人類關(guān)注的重點，如何能改善膜生物反應(yīng)器污水處理技術(shù)中膜污染現(xiàn)狀，并將其應(yīng)用到各種各類工業(yè)廢水的處理中，已經(jīng)成為了研究人員的新課題，并越來越受到重視。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種生物碳纖維平板膜組件以及包括其的污水處理反應(yīng)器，以改善膜污染現(xiàn)狀。為此，在本發(fā)明的一個方面提供了一種生物碳纖維平板膜組件，包括襯板；生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，設(shè)置在襯板上；過濾膜，設(shè)置在生態(tài)碳纖維復(fù)合材料上的遠(yuǎn)離襯板的一側(cè)。進(jìn)一步地，上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料包括比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維。進(jìn)一步地，上述生物活性碳纖維是以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或浙青纖維作為碳纖維原料，在3 5°C /分鐘的速率下逐漸升溫至200 300°C，進(jìn)行50 150分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；并在氮氣氣氛下，以10 30°C /分鐘的速率逐漸升溫至700 800°C， 以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行30 90分鐘的炭化及活化處理制備而成。進(jìn)一步地，上述生物活性碳纖維在使用前進(jìn)一步經(jīng)過表面活性處理，表面活性處理的步驟包括在濃度為30%以下的過氧化氫溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理，然后在濃度為25 觀％的氨水溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理。進(jìn)一步地，上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料還包括丙綸纖維網(wǎng)眼布，所述丙綸纖維網(wǎng)眼布包裹在所述生物活性碳纖維的外周。進(jìn)一步地，上述丙綸纖維網(wǎng)眼布由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。在本發(fā)明的另一個方面還包括一種污水處理反應(yīng)器，包括膜生物反應(yīng)池，膜生物反應(yīng)池中包括平板膜組件，平板膜組件為上述的生物碳纖維平板膜組件。進(jìn)一步地，上述污水處理反應(yīng)器，還包括接觸氧化池；在線監(jiān)測裝置，設(shè)置在所述接觸氧化池和膜生物反應(yīng)池的進(jìn)水前端，用以監(jiān)測所述污水的進(jìn)水水質(zhì)，且所述在線監(jiān)測裝置、所述接觸氧化池和膜生物反應(yīng)池依序相連；控制系統(tǒng)，根據(jù)所述在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測結(jié)果，控制與所述生物碳纖維平板膜組件相連的吸收泵的開啟與關(guān)閉。進(jìn)一步地，上述接觸氧化池中包括水處理填料，所述水處理填料為生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，進(jìn)一步地，上述作為水處理填料的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料包括芯層，由比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維構(gòu)成；外層，由丙綸纖維網(wǎng)眼布構(gòu)成，所述外層包裹在芯層的外周。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所提供的生物碳纖維平板膜組件，將過濾膜與生態(tài)碳纖維復(fù)合材料合理地結(jié)合在一起，對污水先經(jīng)過濾膜過濾，再經(jīng)生態(tài)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)一步吸附凈化，提高了清水的純度和潔凈度并提高了平板膜組件的耐污性和膜通量及使用壽命。 本發(fā)明所提供的生物碳纖維平板膜組件中，采用的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料通過將比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維作為芯層，使這種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料在具有比表面積大、孔徑分布合理，吸附性高，其能夠改善現(xiàn)有膜污染的現(xiàn)狀，同時在芯層外側(cè)設(shè)置丙綸纖維網(wǎng)眼布以起到增強(qiáng)作用，使得該生態(tài)碳纖維復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度，進(jìn)而使得生物碳纖維平板膜組件堅固耐用。本發(fā)明所提供的生物碳纖維平板膜組件中通過采用改良的生物活性碳纖維，使該生物活性碳纖維以及生態(tài)碳纖維復(fù)合材料具有比表面積大、孔徑分布合理，吸附性高，活性碳纖維材料掛膜后對CODcr的去除率在80%以上，氨氮去除率在60%以上的效果。本發(fā)明所提供的生物碳纖維平板膜組件中通過對生物活性碳纖維進(jìn)行表面活性處理，使其具有優(yōu)異生物相容性，不僅通過自身的吸附作用凈化水體，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，這些微生物以有機(jī)污染物為能量來源，通過自身的新陳代謝作用降解水體中的有機(jī)污染物。本發(fā)明所提供的污水處理反應(yīng)器，通過采用上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料作為填料或者采用上述生物碳纖維平板膜組件，大大減少了膜污染的問題。不僅利用自身的吸附能力凈化水質(zhì)，而且它表面所形成生物膜能在很大程度上去除CODcr、氨氮、總磷。


說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的生物碳纖維平板膜組件結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的污水處理反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明的實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，但如下實施例以及附圖僅是用以理解本發(fā)明，而不能限制本發(fā)明，本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。為了改善現(xiàn)有MBR工藝中膜污染問題，提高M(jìn)BR工藝處理效果，研發(fā)人員從膜的材料、預(yù)處理過程、運行條件、操作規(guī)范等幾方面進(jìn)行了改進(jìn)。為了兼顧MBR反應(yīng)器設(shè)備的運行成本，研發(fā)人員對MBR反應(yīng)器中平板膜進(jìn)行了改良，通過采用一些強(qiáng)度高、效果好、耐污染、易分離的膜材料，提高了膜的質(zhì)量，降低了膜的成本。如圖1所示，在本發(fā)明的一種典型的實施方式中，提供了一種生物碳纖維平板膜組件，該生物碳纖維平板膜組件包括襯板131、生態(tài)碳纖維復(fù)合材料132和過濾膜133。生態(tài)碳纖維復(fù)合材料132設(shè)置在襯板131的一側(cè)，過濾膜133設(shè)置在生態(tài)碳纖維復(fù)合材料132 遠(yuǎn)離襯板131的一側(cè)。在本發(fā)明所提供的生物碳纖維平板膜組件中襯板131和過濾膜133都可以采用與現(xiàn)有的平板膜組件中相同的材料及結(jié)構(gòu)。例如，襯板131可以采用聚氨酯、橡膠等材料，過濾膜可以采用聚偏氟乙烯(PVDF)等材料。其中位于襯板131和過濾膜133之間的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料132需要采用生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。在實際應(yīng)用過程中，本發(fā)明所提供的生物碳纖維平板膜組件中設(shè)置有過濾膜的一側(cè)面向污水的進(jìn)水方向設(shè)置，污水先經(jīng)過濾膜進(jìn)行第一層過濾后，形成過濾水，在經(jīng)生態(tài)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)一步對過濾水進(jìn)行吸附凈化，提高清水的純度和潔凈度。本發(fā)明所提供的這種生物碳纖維平板膜組件結(jié)構(gòu)主要是針對現(xiàn)有MBR在污水處理與回用中膜污染導(dǎo)致的膜組件更換和過濾膜通量下降等應(yīng)用現(xiàn)狀及不足，將高強(qiáng)度生物碳纖維和生物活性碳纖維制成平板膜的襯板，制備出基于生物碳纖維的平板膜組件，提高平板膜組件的耐污性和膜通量及使用壽命。在一種具體的方式中，上述生物碳纖維平板膜組件中襯板131的一側(cè)設(shè)有向內(nèi)凹陷的安裝部；生態(tài)碳纖維復(fù)合材料132安裝在襯板131的安裝部內(nèi)；過濾膜133安裝在襯板131的安裝部內(nèi)，且位于生態(tài)碳纖維復(fù)合材料132遠(yuǎn)離襯板131的一側(cè)。且襯板上設(shè)有出水口 134。這種結(jié)構(gòu)能夠形成更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料132包括比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維。這種生物活性碳纖維由于比表面積大、孔徑分布合理，具有較好的親水性以及吸附性，同時這種生物活性碳纖維，不僅通過自身的吸附作用凈化水體，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，掛膜速度快，這些微生物以有機(jī)污染物為能量來源，通過自身的新陳代謝作用降解水體中的有機(jī)污染物。在平板膜組件增加該生物活性碳纖維能夠有效提高CODcr的去除率，氨氮去除率。優(yōu)選地，上述生物活性碳纖維為聚丙烯腈基生物活性碳纖維、粘膠基生物活性碳纖維或浙青基生物活性碳纖維；這些原料具有優(yōu)異的表面能、 與水的潤濕性、以及表面親水性能，更有利于用于污水處理。更優(yōu)選地，上述生物活性碳纖維為厚度為0. 5 5mm的聚丙烯腈基生物活性碳纖維氈；厚度為0. 5 5mm的粘膠基生物活性碳纖維氈；或者由噴吹法制備的浙青基生物活性碳纖維。其中聚丙烯腈纖維氈與粘膠纖維氈可以直接采用市售產(chǎn)品，其能夠增強(qiáng)聚丙烯腈纖維和粘膠纖維的強(qiáng)度，且容易定型。上述生物活性碳纖維可以采用現(xiàn)有的生物活性碳纖維，例如專利申請?zhí)枮?01123491. 1，名稱為“生物活性碳纖維及其制備方法”的專利申請中所提出的生物活性碳纖維。只需將其中生物活性碳纖維的比表面積控制在大于1300m2/g即可。優(yōu)選地，在一種具體的實施方式中，上述生物活性碳纖維是以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或浙青纖維為碳纖維原料，以3 5°C /分鐘的速率逐漸升溫至200 300°C，進(jìn)行 50 150分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；并將預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以10 30°C /分鐘的速率逐漸升溫至700 800°C，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行30 90分鐘的炭化及活化處理制備而成。這種生物活性碳纖維通過在預(yù)氧化處理過程中逐漸升溫，以強(qiáng)化碳纖維原料的結(jié)構(gòu)，使其在高溫炭化活化過程中不熔不燃，并保持纖維形態(tài)，同時通過將炭化處理和活化處理同步進(jìn)行減少了工藝步驟，節(jié)約了工藝成本。同時，這種生物活性碳纖維在預(yù)氧化處理過程中，以3 5°C /分鐘的速率逐漸升溫至200 300°C的過程，有利于保持碳纖維原料的形態(tài)。在炭化及活化過程中以10 300C /分鐘的速率逐漸升溫至700 800°C的過程有利于使預(yù)氧絲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，逐步形成所需生物活性碳纖維，并保持碳纖維的形態(tài)。通過預(yù)氧化處理過程和炭化及活化過程中各種參數(shù)的協(xié)調(diào)作用使得本發(fā)明所提供的碳纖維原料比表面積增大、吸附性和相容性增強(qiáng)。， 并由于比表面積大、孔徑分布合理，具有較高的吸附性，這種生物活性碳纖維，不僅通過自身的吸附作用凈化水體，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，掛膜速度快，這些微生物以有機(jī)污染物為能量來源，通過自身的新陳代謝作用降解水體中的有機(jī)污
6染物，這種活性碳纖維材料掛膜后對CODcr的去除率在80%以上，氨氮去除率在60%以上。優(yōu)選地，在上述生物活性碳纖維在使用前還包括表面活性處理。表面活性處理能夠使得該生物活性碳纖維獲得良好的表面結(jié)構(gòu)，表面粗糙度增加，碳纖維表面含氧官能團(tuán)增加，表面能增加、且能夠改善與水的潤濕性能，使其接觸角變小，表面呈現(xiàn)出親水性。表面改性處理工藝有多種方法和工藝，如硫酸、硝酸、混酸、KOH、NaOH處理等，都可以引入官能團(tuán)，達(dá)到好的生物相容性。在本發(fā)明優(yōu)選采用雙氧水和氨水處理，雙氧水和氨水相對比較溫和，不破壞活性碳纖維的孔結(jié)構(gòu)，氨水處理可以在活性碳纖維表面形成C-N鍵，有利于硝化菌的吸附，經(jīng)過雙氧水和氨水處理的生物活性碳纖維表面親水性更好，潤濕性好和微生物相容性高，在污水處理過程中能夠表現(xiàn)出對污染物的吸附以及生物膜的生成更有利的性能。一種具體地實施方式中，在上述生物活性碳纖維在使用前，先將生物活性碳纖維在濃度為30%以下的過氧化氫溶液和濃度為25 的氨水溶液的混合溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行表面活性處理。在混合溶液中過氧化氫溶液和氨水溶液的體積比優(yōu)選為1 1-2 1。這種表面改性處理方式的步驟簡單，容易實現(xiàn)，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘有利于使處理溶液進(jìn)入活性碳纖維的孔洞中，并在其表面形成活性官能團(tuán)。另一種具體地實施方式中，在上述生物活性碳纖維在使用前，先將生物活性碳纖維在濃度為30%以下的過氧化氫溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理；將完成第一次表面活性處理的生物活性碳纖維在濃度為25 的氨水溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理。這種表面活性處理方式，將生物活性碳纖維相對于過氧化氫溶液和氨水溶液分別進(jìn)行處理，增加了工藝步驟，但是，這種分先后進(jìn)行表面處理的方式能夠更多地在活性碳纖維表面形成氨基基團(tuán)。本發(fā)明所提供的生物活性碳纖維經(jīng)過表面改性處理能夠具有優(yōu)異的生物相容性， 由于活性碳纖維的比表面積很大，對微生物有很強(qiáng)的吸附作用，吸附到活性碳纖維表面后， 由于經(jīng)過表面活性處理，活性碳纖維表面的官能團(tuán)易于微生物附著和生長，所以掛膜快。另外，生物活性碳纖維上的微小孔洞，在曝氣和水的流動作用下可以產(chǎn)生超聲波，生物活性碳纖維不僅微生物掛膜快，而且凋亡的微生物可以快速脫落，促進(jìn)微生物的更新代謝，顯著提高污水處理效果。通過上述方式所制備的生物活性碳纖維，具有表面能較高、與水的潤濕性較好、表面親水性能較好的性能，這些性能都是得該生物活性碳纖維更適于引用與污水處理，以吸附污水中的污染物和形成生物膜。在本發(fā)明一種典型的實施方式中，上述生物碳纖維平板膜組件的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料132還包括丙綸纖維網(wǎng)眼布，丙綸纖維網(wǎng)眼布包裹在生物活性碳纖維的外周。具有這種結(jié)構(gòu)的生物碳纖維平板膜組件的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料通過采用生物活性碳纖維使其具有表面能較高、與水的潤濕性較好、表面親水性能較好的性能，同時，通過在該生物活性碳纖維芯層的外周圍繞一層丙綸纖維網(wǎng)眼布以增強(qiáng)該生物活性碳纖維的強(qiáng)度，能夠適應(yīng)于污水處理過程中的水力沖擊，使得本發(fā)明生物碳纖維平板膜組件更堅固耐用。
優(yōu)選地、上述丙綸纖維網(wǎng)眼布由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。這種丙綸纖維網(wǎng)眼布具有透水性好、耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐老化效果好的優(yōu)勢，使其適用于任何種類的污水處理。將上述丙綸纖維網(wǎng)眼布中丙綸纖維絲的直徑控制為200D 500D能夠保證丙綸纖維網(wǎng)眼布的具有足夠的強(qiáng)度，以起到支撐作用，同時，在該范圍內(nèi)還具有耐用性好的優(yōu)勢，能夠延長使用期限。更為優(yōu)選地，上述丙綸纖維網(wǎng)眼布的網(wǎng)眼孔徑為0. 5-lmm,網(wǎng)眼孔徑不宜過小，網(wǎng)眼孔徑過小會使得微生物和污染物不易通過，不利于位于芯層的生物活性碳纖維對微生物和污染物的吸附與過濾。網(wǎng)眼孔徑也不宜過大，網(wǎng)眼孔徑過大會造成生物活性碳纖維的外漏，進(jìn)而降低污水凈化效果。在一種具體的方式中，上述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料中生物活性碳纖維為厚度為 0. 5 5mm的聚丙烯腈基生物活性碳纖維氈；厚度為0. 5 5mm的粘膠基生物活性碳纖維氈；或者由噴吹法制備的浙青基生物活性碳纖維，丙綸纖維網(wǎng)眼布包括超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布，由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。如圖2所示，基于本發(fā)明所提供的生物碳纖維平板膜組件，本發(fā)明還提供了一種污水處理反應(yīng)器，包括膜生物反應(yīng)池18，膜生物反應(yīng)池中包括平板膜組件，平板膜組件為上述生物碳纖維平板膜組件13。其中，膜生物反應(yīng)池的體積大小以污水處理量及污染物濃度所需膜組件個數(shù)及體積而定。這種污水處理反應(yīng)器，通過將本發(fā)明所提供的生物碳纖維平板膜組件13作為平板膜組件，具有吸附能力強(qiáng)，不易腐蝕，使用壽命長等優(yōu)點，并減少了膜污染的問題。不僅利用自身的吸附能力凈化水質(zhì)，而且它表面所形成生物膜能在很大程度上去除CODcr、氨氮、總磷。優(yōu)選地，如圖2所示，在一種具體的實施方式中，上述污水處理反應(yīng)器包括接觸氧化池6、膜生物反應(yīng)池18、在線監(jiān)測裝置2和控制系統(tǒng)3。在線監(jiān)測裝置2、接觸氧化池6， 以及膜生物反應(yīng)池18依序連接?？刂葡到y(tǒng)3與線監(jiān)測裝置2相連，根據(jù)測量結(jié)果控制膜生物反應(yīng)池18中與生物碳纖維平板膜組件13中出水口 134相連的吸收泵16的開啟與關(guān)閉。 本發(fā)明所提供的這種污水處理反應(yīng)器通過在線監(jiān)測裝置2和控制系統(tǒng)3的協(xié)同作業(yè)，使得工藝參數(shù)易于控制，并可根據(jù)具體水質(zhì)進(jìn)行選擇，節(jié)省不必要的處理步驟。通常情況下，采用生物接觸氧化池對污水進(jìn)行處理即可得到較好的處理效果，因此當(dāng)CODcr濃度不高于300mg/L時，只需接觸氧化池即可達(dá)標(biāo)排放，而當(dāng)CODcr濃度高于 300mg/L時，同時啟動接觸氧化池6和膜生物反應(yīng)池18 (MBR膜池)，亦可實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。一種具體的方式中，采用在線監(jiān)測裝置2對污水中CODcr濃度進(jìn)行測量，設(shè)定一個特定值，例如300mg/L。當(dāng)污水中CODcr濃度不高于特定值時，膜生物反應(yīng)池18的自吸泵 16在控制系統(tǒng)3的控制下關(guān)閉，污水由接觸氧化池6內(nèi)的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料填料7吸附及填料7的掛膜微生物降解，處理完的水由重力作用流入沉淀池12，沉淀后的上層液體流入到膜生物反應(yīng)池18，并通過膜生物反應(yīng)池18上的出水口 17流出。當(dāng)污水中的CODcr濃度高于特定值時，膜生物反應(yīng)池18的自吸泵16在控制系統(tǒng) 3的控制下開啟，污水經(jīng)過生物接觸氧化處理后，由重力作用流入沉淀池12，沉淀后的上層液體流入到膜生物反應(yīng)池18，膜生物反應(yīng)池18中生物碳纖維平板膜組件13在吸收泵16的作用下，對污水進(jìn)行進(jìn)一步凈化，凈化后的水從生物碳纖維平板膜組件13中襯板131上的出水口 134流入吸收泵16，并由吸收泵16流出。
本發(fā)明所提供的各種污水處理反應(yīng)器均采用連續(xù)進(jìn)出水方式運行，地下排水口內(nèi)污水由提升泵先提升至調(diào)節(jié)池和初沉池進(jìn)行預(yù)處理，水位超過一定高度時，電子浮閥控制提升泵使其自動斷電停止進(jìn)水。預(yù)處理后，通過可調(diào)節(jié)流量的進(jìn)水泵1控制接觸氧化池6 和/或膜生物反應(yīng)池18進(jìn)水。進(jìn)水泵可以根據(jù)水量的要求調(diào)整，只需保證污水在接觸氧化池中有足夠的停留時間(一般為3到4小時，具體由實驗確定)即可。另外，經(jīng)接觸氧化池 6和/或膜生物反應(yīng)池18凈化后的凈化水出水流至消毒池，經(jīng)紫外消毒后的水可排放及回用。在本發(fā)明所提供的污水處理反應(yīng)器中，接觸氧化池6和膜生物反應(yīng)池18中都設(shè)有曝氣孔9，曝氣孔9與回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)4相連，曝氣采用連續(xù)曝氣法，并通過流量計5控制曝氣量保持接觸氧化池及膜池內(nèi)的溶解氧含量在2. 5mg/L以上。在本發(fā)明所提供的污水處理反應(yīng)器中，曝氣方式由管式曝氣機(jī)改為微孔曝氣機(jī)或者其他類型的曝氣機(jī)都可，只需保證水中溶解氧含量在2. 5mg/L以上即可。在本發(fā)明所提供的污水處理反應(yīng)器中，接觸氧化池6和沉淀池12還分別連接有排空閥10，用以放空接觸氧化池6和沉淀池12中的殘留的水和污泥。膜生物反應(yīng)池18也可以通過排泥管達(dá)到同樣的放空效果。優(yōu)選地，上述污水處理反應(yīng)器中接觸氧化池6中包括污水處理填料7，該污水處理填料7為生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。這種生態(tài)碳纖維復(fù)合材料包括芯層、外層以及環(huán)狀毛圈部，芯層由比表面積大于 1300m2/g的生物活性碳纖維構(gòu)成。其可由上述方法制備。該生態(tài)碳纖維復(fù)合材料是通過外層包裹在芯層的外周形成的。將丙綸纖維網(wǎng)眼布作為外層包裹在芯層的外周形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料的一種方式為將丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在生物活性碳纖維上形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，另一種方式為將丙綸纖維網(wǎng)眼布分為第一塊與第二塊，將生物活性碳纖維放置在第一、第二塊丙綸纖維網(wǎng)眼布之間，并將第一、第二塊丙綸纖維網(wǎng)眼布的外周縫合，形成生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。 在縫合過程中采用丙綸纖維絲即可。在實際應(yīng)用過程中，接觸氧化池中水處理填料通常采用可拆卸的不銹鋼架固定， 以便于填料的清洗。其中水處理填料優(yōu)選為密度為10% 20%的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。密度在該范圍內(nèi)的填料具有掛膜速度快，費用經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。另外，填料的用量根據(jù)具體水質(zhì)而定，正常用量為填料及其表面掛膜的總體積與接觸氧化池的體積比為10%到15%之間，一般不超過體積比的20%。以下將結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料、其制備方法、包括其的生物碳纖維平板膜組件以及污水處理反應(yīng)器的有益效果。實施例1原料厚度為0. 5mm聚丙烯腈纖維氈(問題同P47650)，直徑為200D的丙綸纖維絲，和直徑為150D的丙綸纖維絲和滌綸纖維絲(生產(chǎn)公司常州邦冠化工有限公司)；過濾膜為聚偏氟乙烯(PVDF)制備方法將聚丙烯腈纖維氈以3°C /分鐘的速率逐漸升溫至200°C后，進(jìn)行50分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；將預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以10°c /分鐘的速率逐漸升溫至700°C后，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行30分鐘的炭化及活化處理，形成生物活性碳纖維。將生物活性碳纖維在濃度為30%的過氧化氫溶液和濃度為的氨水溶液按照體積比1 1混合形成的混合溶液中，采用頻率為50KHZ的超聲波下處理10分鐘，進(jìn)行表面活性處理，形成待用生物活性碳纖維。將生物活性碳纖維作為本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，將該生態(tài)碳纖維復(fù)合材料設(shè)置在襯板上，將過濾膜設(shè)置在生態(tài)碳纖維復(fù)合材料上形成生態(tài)碳纖維平板膜組件。污水處理反應(yīng)器包括膜生物反應(yīng)池，膜生物反應(yīng)池中包括上述生態(tài)碳纖維平板膜組件。實施例2原料粘膠纖維，直徑為300D的丙綸纖維絲，和直徑為300D的丙綸纖維絲和滌綸纖維絲(生產(chǎn)公司鞍山塞諾達(dá)碳纖維有限公司)。過濾膜為聚偏氟乙烯(PVDF)。制備方法將粘膠纖維以4°C /分鐘的速率逐漸升溫至250°C后，進(jìn)行100分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；將預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以20°C /分鐘的速率逐漸升溫至750°C后，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行60分鐘的炭化及活化處理，形成生物活性碳纖維。將生物活性碳纖維在濃度為30%的過氧化氫溶液中，采用頻率為SOKHz的超聲波下處理30分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理；將完成第一次表面活性處理的生物活性碳纖維在濃度為25%的氨水溶液中，采用頻率為SOKHz的超聲波下處理30分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理，形成待用生物活性碳纖維。將直徑為300D的丙綸纖維絲編織形成超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布，將丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。將生態(tài)碳纖維復(fù)合材料設(shè)置在襯板上，將過濾膜設(shè)置在生態(tài)碳纖維復(fù)合材料上形成生態(tài)碳纖維平板膜組件。污水處理反應(yīng)器包括膜生物反應(yīng)池，膜生物反應(yīng)池中包括上述生態(tài)碳纖維平板膜組件。實施例3原料噴吹法制備的浙青纖維，直徑為300D的丙綸纖維絲，和直徑為300D的丙綸纖維絲和滌綸纖維絲(生產(chǎn)公司鞍山塞諾達(dá)碳纖維有限公司)。過濾膜為聚偏氟乙烯 (PVDF)。制備方法將浙青纖維以4°C /分鐘的速率逐漸升溫至250°C后，進(jìn)行100分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；將預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以20°C /分鐘的速率逐漸升溫至750°C后，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行60分鐘的炭化及活化處理，形成生物活性碳纖維。將生物活性碳纖維在濃度為30%的過氧化氫溶液中，采用頻率為SOKHz的超聲波下處理30分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理；將完成第一次表面活性處理的生物活性碳纖維在濃度為25%的氨水溶液中，采用頻率為SOKHz的超聲波下處理30分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理，形成待用生物活性碳纖維。將直徑為500D的丙綸纖維絲編織形成超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布；將丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。
將生態(tài)碳纖維復(fù)合材料設(shè)置在襯板上，將過濾膜設(shè)置在生態(tài)碳纖維復(fù)合材料上形成生態(tài)碳纖維平板膜組件。污水處理反應(yīng)器包括膜生物反應(yīng)池和接觸氧化池，膜生物反應(yīng)池和接觸氧化池同時開啟，膜生物反應(yīng)池中包括上述生態(tài)碳纖維平板膜組件，接觸氧化池以上述制備的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料作為水處理填料。實施例4原料選濕法紡制的市售英國courtaulds公司生產(chǎn)的含90%以上的丙烯腈單體組分的聚丙烯腈共聚纖維(其單絲孔數(shù)為3000，纖度1.1旦(1.22dteX)，共聚物組分(按重量比)是丙烯腈96、甲叉丁二酸1、丙烯酸鉀酯3、平均含水率0. 67% )。制備方法將聚丙烯腈共聚纖維在220j80°C，熱處理氣氛為空氣，進(jìn)行不熔化處理，處理時間60分鐘，升溫速度1. O0C /分鐘。纖維形變+10%，得到平衡含水率6. 9%、纖維含氧量 9. 5%的聚丙烯腈不熔化纖維。將纖維在300-800°C下進(jìn)行炭化與活化?？刂铺炕郎厮俾?80°C /分鐘，活化溫度800°C，活化30分鐘，獲得生物活性碳纖維。將直徑為200D的丙綸纖維絲編織形成超細(xì)丙綸纖維網(wǎng)眼布。將丙綸纖維網(wǎng)眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發(fā)明生態(tài)碳纖維復(fù)合材料。將生態(tài)碳纖維復(fù)合材料設(shè)置在襯板上，將過濾膜設(shè)置在生態(tài)碳纖維復(fù)合材料上形成生態(tài)碳纖維平板膜組件。污水處理反應(yīng)器包括膜生物反應(yīng)池和接觸氧化池，膜生物反應(yīng)池和接觸氧化池同時開啟，膜生物反應(yīng)池中包括上述生態(tài)碳纖維平板膜組件，接觸氧化池以碳素纖維生態(tài)草作為水處理填料。對比例1水處理填料原料碳素纖維生態(tài)草，填料密度為20%。平板膜組件原料過濾膜為聚偏氟乙烯(PVDF)。制備方法將過濾膜設(shè)置在襯板上形成平板膜組件。污水處理反應(yīng)器包括膜生物反應(yīng)池和接觸氧化池，膜生物反應(yīng)池和接觸氧化池同時開啟，膜生物反應(yīng)池中包括上述生態(tài)碳纖維平板膜組件，接觸氧化池以上述制備的生態(tài)碳纖維復(fù)合材料作為水處理填料。測試采用實施例1-4所制備的污水處理反應(yīng)器和由對比例1污水處理反應(yīng)器對比樣品1對污水進(jìn)行。1. 1、采用實施例1-4中污水處理反應(yīng)器和對比例1污水處理反應(yīng)器對水產(chǎn)養(yǎng)殖污水進(jìn)行凈化處理，水產(chǎn)養(yǎng)殖污水的水質(zhì)參數(shù)如表1所示，污水處理結(jié)果如表2所示。表 權(quán)利要求
1.一種生物碳纖維平板膜組件，其特征在于，包括襯板(131)；生態(tài)碳纖維復(fù)合材料(132)，設(shè)置在所述襯板(131)上；過濾膜(133)，設(shè)置在所述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料(13 上的遠(yuǎn)離所述襯板(131)的一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物碳纖維平板膜組件，其特征在于，所述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料(13 包括比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物碳纖維平板膜組件，其特征在于，所述生物活性碳纖維是以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或浙青纖維為碳纖維原料，在3 5°C /分鐘的速率下逐漸升溫至200 30(TC，進(jìn)行50 150分鐘的預(yù)氧化處理，形成預(yù)氧絲；并所述預(yù)氧絲在氮氣氣氛下，以10 30°C /分鐘的速率逐漸升溫至700 800°C，以水蒸氣作為活化劑，進(jìn)行30 90分鐘的炭化及活化處理制備而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生物碳纖維平板膜組件，其特征在于，所述生物活性碳纖維在使用前進(jìn)一步經(jīng)過表面活性處理，所述表面活性處理的步驟包括在濃度為30%以下的過氧化氫溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理10 60分鐘，進(jìn)行第一次表面活性處理，然后在濃度為25 的氨水溶液中，采用頻率為50 IOOKHz的超聲波下處理 10 60分鐘，進(jìn)行第二次表面活性處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項所述的生物碳纖維平板膜組件，其特征在于，所述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料(132)還包括丙綸纖維網(wǎng)眼布，所述丙綸纖維網(wǎng)眼布包裹在所述生物活性碳纖維的外周。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物碳纖維平板膜組件，其特征在于，所述丙綸纖維網(wǎng)眼布由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。
7.一種污水處理反應(yīng)器，其特征在于，包括膜生物反應(yīng)池(18)，所述膜生物反應(yīng)池中包括平板膜組件(13)，所述平板膜組件(1 為權(quán)利要求1-6中任一項所述的生物碳纖維平板膜組件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的污水處理反應(yīng)器，其特征在于，還包括接觸氧化池(6)；在線監(jiān)測裝置O)，設(shè)置在所述接觸氧化池(6)和膜生物反應(yīng)池(18)的進(jìn)水前端，用以監(jiān)測所述污水的進(jìn)水水質(zhì)，且所述在線監(jiān)測裝置O)、所述接觸氧化池(6)和膜生物反應(yīng)池 (18)依序相連；控制系統(tǒng)(3)，根據(jù)所述在線監(jiān)測裝置O)的監(jiān)測結(jié)果，控制與所述生物碳纖維平板膜組件(13)相連的吸收泵的開啟與關(guān)閉。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的污水處理反應(yīng)器，其特征在于，所述接觸氧化池(6)中包括水處理填料(7)，所述水處理填料(7)為生態(tài)碳纖維復(fù)合材料
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的污水處理反應(yīng)器，其特征在于，作為水處理填料(7)的所述生態(tài)碳纖維復(fù)合材料包括芯層，由比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維構(gòu)成；外層，由丙綸纖維網(wǎng)眼布構(gòu)成，所述外層包裹在所述芯層的外周。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生物碳纖維平板膜組件及污水處理反應(yīng)器。其中生物碳纖維平板膜組件，包括襯板；生態(tài)碳纖維復(fù)合材料，設(shè)置在襯板上；過濾膜，設(shè)置在生態(tài)碳纖維復(fù)合材料上的遠(yuǎn)離襯板的一側(cè)。該生物碳纖維平板膜組件，將過濾膜與生態(tài)碳纖維復(fù)合材料合理地結(jié)合在一起，對污水先經(jīng)過濾膜過濾，再經(jīng)生態(tài)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)一步吸附凈化，進(jìn)而提高清水的純度和潔凈度，提高平板膜組件的耐污性和膜通量及使用壽命。
文檔編號C02F3/10GK102489156SQ20111042582
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者何一群, 周曉東, 海熱提·吐爾遜, 趙東林 申請人:北京化工大學(xué), 北京賽思騰石油技術(shù)有限公司