一种水处理净化装置及其水处理方法与流程

本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种水处理净化装置及其水处理方法。将纳米碳纤维应用于高寒高海拔地区的水处理。

背景技术：

生物膜技术是人们长期以来根据自然界中水体自净的现象，农田灌溉时土壤对污染物的净化作用以及有机物的腐败过程，总结、模拟而发展起来的一种污水处理技术。它使微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状，通过与污水接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养吸收并加以同化，从而使污水得到净化。该方法自1893年第一个生物膜处理设施(生物滤池)试验成功以来，因其降解能力强、接触时间短、占地面积小以及投资少等特点而得到了长足的发展与应用。近年来，由于城市周围中小河流污染事故的不断发生，生物膜技术又有了新的应用领域。当前国外特别是日本在利用生物膜技术净化河流方面发展较快，已达到了工程化程度。我国对该法在河流治理中的应用研究还处于起步阶段。

生物膜法净化河流的实质是对天然河流中所发生的生物过程的一种强化，把天然过程变为了天然过程和人工过程的结合体。它拫据天然河床上附着的生物膜的净化作用及过滤作用，人工填充滤料或载体供细菌絮凝生长，形成生物膜。当污染的河水经过生物膜时，污水和滤料或载体上附着生长的菌胶团开始接触，菌胶团表面由于细菌和胞外聚合物的作用，絮凝或吸附了水中的有机物，与介质中的有机物浓度形成一种动态的平衡，使菌胶团表面既附有大量的活性细菌，又有较高浓度的有机物，成为细菌繁殖活动的适宜场所。由于这种有利条件，菌胶团表层的细菌迅速繁殖，很快消耗水中有机物，这时污染河水中的有机物大部分被去除，水质也得到了改善。生物膜降解污染物质的具体过程主要分为四个阶段：(1)污染物质向生物膜表面扩敢；(2)污染物在生物膜内部扩散；(3)微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应；(4)代谢生成物排出生物膜。生物膜由于固着在滤料或载体上，因此能在其中生长世代时间较长的细菌和较高级的微生物，如硝化菌的繁殖速度要比一般的假单胞菌慢40～50倍，这就使生物膜法在去除有机物的同时具有脱氮除磷的作用，尤其是对受有机物及氨氮污染的河流有明显的净化效果。另外，在生物膜上还可能大量出现丝状菌、轮虫、线虫等，从而使生物膜净化能力大大增强。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷和不足，提供一种水处理净化装置及其水处理方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种水处理净化装置，包括用于固定生物膜组件的框架，所述框架内安装有生物膜组件；所述生物膜组件包括纳米碳纤维挂膜载体，所述纳米碳纤维挂膜载体上挂载有细菌或/和微生物膜。

作为对上述技术方案的改进，一个所述框架内的生物膜组件为若干个，以线型或U形布置方式设置于框架内。

作为对上述技术方案的改进，所述细菌为硝化菌、丝状菌等；所述微生物为轮虫或线虫等。

作为对上述技术方案的改进，所述带固定生物膜组件的框架为若干个，以并行的方式设置于待净化的水体中。

本发明并提供了一种利用上述装置进行水处理净化的处理方法，该方法的步骤是：

S1、制成用于固定生物膜组件的框架，将纳米碳纤维挂膜载体以线型的方式垂直挂设在框架内，或以U形的方式挂设在框架内；

S2、将细菌或/和微生物固着在滤料或载体，并使细菌或/和微生物繁殖形成生物膜；

S3、在需净化的水体中设置围堰，围堰之间形成处理池，采用人工堰坝切断河流，然后利用河水的自然落差或采用水泵将水引入建设在水体中的处理池中；

S4、将带有生物膜组件的框架布置于处理池中。

碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维各层面间的间距约为3.39到3.42A，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。

纳米碳纤维材料是具有良好生物相容性的纤维状的碳材料，其在宿主与生物反应上具有优异的生物相容性、电、机械等综合特性被人们所注目。纳米碳纤维是在生物碳纤维基础上，对其进行表面处理，增强生物相容性。碳纤维表面能低，与水的润湿性差，表面呈现出疏水性，经表面修饰处理后，碳纤维表面含氧官能团增加，表面能增加，与水的润湿性得到改善，接触角变小，表面呈现出亲水性。在污水处理过程中对污染物的吸附以及生物膜的负载都与生物碳纤维表面官能团的结构与组成密切相关，通过调整表面修饰方法和工艺参数，可以制备出润湿性好和微生物相容性高的生物碳纤维。

纳米碳纤维材料是一种比表面积大、吸附和脱附性能强、与生物有良好兼容性的新型填料，由腈纶、丙纶和表面修饰后的活性碳纤维复合而成。它具有丰富的微孔结构，孔径分布范围广；比表面积很大，一般都在1000m²/g以上，具有较大的吸附容量；其微孔直接分布于纤维的表面，因而吸附质扩散的路径短、时间短，其吸附和再生的速率快，可在较温和条件下再生。针对其吸附容量大、吸附速率快、脱附速度快、灰分少、处理量大且使用时间长等优点，本装置用于水处理领域，其操作安全、由于体积密度小和吸脱层薄，不会造成蓄热和过热现象，也不易发生事故，且节能和经济，可用于大型上水、净水处理，不仅净化效率高，而且处理量大，装置紧凑，占地面积小，设备投资小和效益高。

纳米碳纤维材料应用在水处理领域中的特点：

1、挂膜时间短；2、对微生物活性化而分解处理速度加快；3、剩余污泥少；4、脱氮效果好；5、悬浮污染物效果好；6、耗能少，对环境负荷小。

生物膜法净化河流的实质是对天然河流中所发生的生物过程的一种强化，把天然过程变为了天然过程和人工过程的结合体。它拫据天然河床上附着的生物膜的净化作用及过滤作用，人工填充滤料或载体供细菌絮凝生长，形成生物膜。当污染的河水经过生物膜时，污水和滤料或载体上附着生长的菌胶团开始接触，菌胶团表面由于细菌和胞外聚合物的作用，絮凝或吸附了水中的有机物，与介质中的有机物浓度形成一种动态的平衡，使菌胶团表面既附有大量的活性细菌，又有较高浓度的有机物，成为细菌繁殖活动的适宜场所。由于这种有利条件，菌胶团表层的细菌迅速繁殖，很快消耗水中有机物，这时污染河水中的有机物大部分被去除，水质也得到了改善。

生物膜降解污染物质的具体过程主要分为四个阶段：

1)污染物质向生物膜表面扩敢；

2)污染物在生物膜内部扩散；

3)微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应；

4)代谢生成物排出生物膜。

生物膜由于固着在滤料或载体上，因此能在其中生长世代时间较长的细菌和较高级的微生物，如硝化菌的繁殖速度要比一般的假单胞菌慢40～50倍，这就使生物膜法在去除有机物的同时具有脱氮除磷的作用，尤其是对受有机物及氨氮污染的河流有明显的净化效果。另外，在生物膜上还可能大量出现丝状菌、轮虫、线虫等，从而使生物膜净化能力大大增强。

生物膜规格及安装方式：

生物膜填料选用碳纤维纳米材料，布置在围水堰内。首次投放的生物膜填料可先行挂膜再投放到河道中，以保证形成的生物膜中的占优势地位的是我们所需要的优势菌群；亦可将未挂膜的碳纤维纳米材料直接投放到河道中，自然形成生物膜。

1、单组规格：框架规格为L×B×H＝1000mm×1000mm×1200mm。

2、设置方式：采用人工堰坝切断河流，然后利用河水的自然落差或采用水泵将水引入建设在河岸边的河水处理设施中，采用与污水处理厂相类似的处理方法，把河流水全量处理后再放回河流的下游。

3、生物膜填料安装方式

将碳纤维纳米填料垂直固定在1000mm×1000mm×1200mm的框架内

本装置适应于自然环境水、城市废水、工业废水等。

在河流生态修复工程采用碳纤维可以吸附很多微生物，这些微生物会分解污水中有机物，能有效改善水质。

首次投放的生物膜填料需先行挂膜再投放到河道中，以保证形成的生物膜中的占优势地位的是我们所需要的优势菌群。亦可将未挂膜的碳纤维纳米材料直接投放到河道中，自然形成生物膜。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明中的水处理净化装置，用于水处理领域，其操作安全，其水处理方法不仅净化效率高，而且处理量大，装置紧凑，占地面积小，设备投资小和效益高。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的带有生物膜组件的框架的结构示意图；

图2为本发明的框架在水体内的布置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1和2的所示，本发明的水处理净化装置，包括用于固定生物膜组件的框架1，所述框架1内安装有生物膜组件2；所述生物膜组件2包括纳米碳纤维挂膜载体，所述纳米碳纤维挂膜载体上挂载有细菌或/和微生物膜。

作为对上述技术方案的改进，一个所述框架1内的生物膜组件2为若干个，以线型或U形布置方式设置于框架1内。

作为对上述技术方案的改进，所述细菌为硝化菌、丝状菌；所述微生物为轮虫或线虫。

作为对上述技术方案的改进，所述带固定生物膜组件的框架1为若干个，以并行的方式设置于待净化的水体中。

本发明并提供了一种利用上述装置进行水处理净化的处理方法，该方法的步骤是：

S1、制成用于固定生物膜组件的框架1，将纳米碳纤维挂膜载体以线型的方式垂直挂设在框架内，或以U形的方式挂设在框架内；

S2、将细菌或/和微生物固着在滤料或载体，并使细菌或/和微生物繁殖形成生物膜；

S3、在需净化的水体中设置围堰，围堰之间形成处理池，采用人工堰坝切断河流，然后利用河水的自然落差或采用水泵将水引入建设在水体中的处理池中；

S4、将带有生物膜组件的框架布置于处理池中。

碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维各层面间的间距约为3.39到3.42A，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。

纳米碳纤维材料是具有良好生物相容性的纤维状的碳材料，其在宿主与生物反应上具有优异的生物相容性、电、机械等综合特性被人们所注目。纳米碳纤维是在生物碳纤维基础上，对其进行表面处理，增强生物相容性。碳纤维表面能低，与水的润湿性差，表面呈现出疏水性，经表面修饰处理后，碳纤维表面含氧官能团增加，表面能增加，与水的润湿性得到改善，接触角变小，表面呈现出亲水性。在污水处理过程中对污染物的吸附以及生物膜的负载都与生物碳纤维表面官能团的结构与组成密切相关，通过调整表面修饰方法和工艺参数，可以制备出润湿性好和微生物相容性高的生物碳纤维。

纳米碳纤维材料是一种比表面积大、吸附和脱附性能强、与生物有良好兼容性的新型填料，由腈纶、丙纶和表面修饰后的活性碳纤维复合而成。它具有丰富的微孔结构，孔径分布范围广；比表面积很大，一般都在1000m²/g以上，具有较大的吸附容量；其微孔直接分布于纤维的表面，因而吸附质扩散的路径短、时间短，其吸附和再生的速率快，可在较温和条件下再生。针对其吸附容量大、吸附速率快、脱附速度快、灰分少、处理量大且使用时间长等优点，本装置用于水处理领域，其操作安全、由于体积密度小和吸脱层薄，不会造成蓄热和过热现象，也不易发生事故，且节能和经济，可用于大型上水、净水处理，不仅净化效率高，而且处理量大，装置紧凑，占地面积小，设备投资小和效益高。

纳米碳纤维材料应用在水处理领域中的特点：

1、挂膜时间短；2、对微生物活性化而分解处理速度加快；3、剩余污泥少；4、脱氮效果好；5、悬浮污染物效果好；6、耗能少，对环境负荷小。

生物膜法净化河流的实质是对天然河流中所发生的生物过程的一种强化，把天然过程变为了天然过程和人工过程的结合体。它拫据天然河床上附着的生物膜的净化作用及过滤作用，人工填充滤料或载体供细菌絮凝生长，形成生物膜。当污染的河水经过生物膜时，污水和滤料或载体上附着生长的菌胶团开始接触，菌胶团表面由于细菌和胞外聚合物的作用，絮凝或吸附了水中的有机物，与介质中的有机物浓度形成一种动态的平衡，使菌胶团表面既附有大量的活性细菌，又有较高浓度的有机物，成为细菌繁殖活动的适宜场所。由于这种有利条件，菌胶团表层的细菌迅速繁殖，很快消耗水中有机物，这时污染河水中的有机物大部分被去除，水质也得到了改善。

生物膜降解污染物质的具体过程主要分为四个阶段：

1)污染物质向生物膜表面扩敢；

2)污染物在生物膜内部扩散；

3)微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应；

4)代谢生成物排出生物膜。

生物膜由于固着在滤料或载体上，因此能在其中生长世代时间较长的细菌和较高级的微生物，如硝化菌的繁殖速度要比一般的假单胞菌慢40～50倍，这就使生物膜法在去除有机物的同时具有脱氮除磷的作用，尤其是对受有机物及氨氮污染的河流有明显的净化效果。另外，在生物膜上还可能大量出现丝状菌、轮虫、线虫等，从而使生物膜净化能力大大增强。

生物膜规格及安装方式：

生物膜填料选用碳纤维纳米材料，布置在围水堰内。首次投放的生物膜填料可先行挂膜再投放到河道中，以保证形成的生物膜中的占优势地位的是我们所需要的优势菌群；亦可将未挂膜的碳纤维纳米材料直接投放到河道中，自然形成生物膜。

1、单组规格：框架规格为L×B×H＝1000mm×1000mm×1200mm。

2、设置方式：采用人工堰坝切断河流，然后利用河水的自然落差或采用水泵将水引入建设在河岸边的河水处理设施中，采用与污水处理厂相类似的处理方法，把河流水全量处理后再放回河流的下游。

3、生物膜填料安装方式

将碳纤维纳米填料垂直固定在1000mm×1000mm×1200mm的框架内

本装置适应于自然环境水、城市废水、工业废水等。

在河流生态修复工程采用碳纤维可以吸附很多微生物，这些微生物会分解污水中有机物，能有效改善水质。

首次投放的生物膜填料需先行挂膜再投放到河道中，以保证形成的生物膜中的占优势地位的是我们所需要的优势菌群。亦可将未挂膜的碳纤维纳米材料直接投放到河道中，自然形成生物膜。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明中的水处理净化装置，用于水处理领域，其操作安全，其水处理方法不仅净化效率高，而且处理量大，装置紧凑，占地面积小，设备投资小和效益高。