一种基于空心圆锥形活性炭纤维填料的生物膜反应器的制作方法

本发明属于水处理技术领域，涉及生物膜反应器，具体涉及一种基于空心圆锥形活性炭纤维填料的生物膜反应器。

背景技术：

生物膜反应器的填料是微生物附着生长的载体，是生物膜法工艺的核心。研究者在生物填料方面的研究取得了较多成果，用研发的生物填料处理污水也取得了较好的污染物去除效果，这些成果对于生物膜反应器填料的发展影响重大。但是有些填料还存在一定的缺陷，如以聚乙烯和聚丙烯为代表的有机载体及以陶粒为代表的无机载体在使用过程中常存在微生物附着性能差、容易造成堵塞和易缠结等问题。基于此，一些研究者开始尝试用可降解材料制作填料作为生物膜载体，然而，这类填料也存在一些缺点，如稳定性差、使用时间短等问题，而且由于在使用初期有机物即被迅速分解释放，这反而影响了处理系统的出水水质。因此，研发性能良好且经济的环境友好型填料，是今后生物填料研究的发展方向，对于防治水污染以及实现水处理行业的可持续发展具有重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的生物膜反应器填料的缺点，本发明开发了一种空心圆锥形磁性活性炭纤维填料，并在此基础上提供了一种基于空心圆锥形活性炭纤维填料的生物膜反应器，解决了传统填料的缺点，同时使用含该填料的生物膜反应器对污水中污染物的去除效率高。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的：

一种基于空心圆锥形活性炭纤维填料的生物膜反应器，包括中空圆柱状反应器外壳、中心支撑轴线、空心圆锥形磁性活性炭纤维填料和填料支架；

所述中心支撑轴线位于中空圆柱状反应器外壳内部的中心轴线上，中心支撑轴线穿过空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的中心，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的轴线与中心支撑轴线重合，所述中心支撑轴线的两端分别固定在反应器两端的端盖上；所述空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的空隙含有磁性颗粒；所述填料支架安装在空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的内部；所述填料支架包括多个长度相同的支撑棒，每一根支撑棒一端垂直固定在中心支撑轴线上，支撑棒的另一端均接触空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的内壁；每个填料支架的支撑棒在同一个与中心支撑轴线垂直的平面内，且支撑棒之间的夹角相同。

上述方案中，所述的中空圆柱状反应器外壳材质为不锈钢或有机玻璃，保证反应器的强度。所述的中空圆柱状反应器外壳的圆柱长度与圆直径的比值为10:1～12:1，所述的中空圆柱状反应器外壳的壁厚为1～4mm，保证反应器外壳的强度。

上述方案中，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料是将扇形磁性活性炭纤维的两个直线边缘缝合在一起制成的，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料圆锥底面直径与中空圆柱状反应器外壳的内径相当，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料圆锥的高与底面直径的比值为1:1～1.2:1，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的壁厚为1～3mm，保证反应器的处理效果。空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的个数取决于进水水质和对出水水质的要求。

上述方案中，所述的中心支撑轴线材质为不锈钢或其他金属，直径为1～2mm，保证中心支撑轴线的强度。中心支撑轴线的两端分别固定在反应器两端的端盖上，并位于中空圆柱状反应器外壳的中心位置。

上述方案中，所述的填料支架在空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的内部，每一根支撑棒均接触空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的内壁。支撑棒材质为不锈钢或有机玻璃，长度比空心圆锥形磁性活性炭纤维填料底面半径略小；支撑棒在中心支撑轴线的固定方式为焊接或胶粘。填料支架的个数与空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的个数相同。组成每个填料支架的支撑棒的个数至少为4，这样可以得到好的支撑效果，且空心圆锥不会变形，空心圆锥对污水的过滤效果好。

上述方案中，所述空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的磁性颗粒为铁氧体颗粒。铁氧体颗粒在生成时吸附在活性炭纤维表面，在活性炭纤维表面的附着更均匀、更稳定。

所述扇形磁性活性炭纤维为采用如下方法制备得到的扇形磁性活性炭纤维，所述方法包括以下步骤：

(1)裁剪扇形活性炭纤维；

(2)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的二价铁离子的摩尔浓度比为0.9:1～1.2:1；

(3)将扇形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扇形活性炭纤维；

(4)将吸附铁离子的扇形活性炭纤维浸没于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，得扇形磁性活性炭纤维。

上述步骤(4)中，所述的强碱为氢氧化钠或氢氧化钾，干燥的温度为50～70℃。

上述制备方法中使铁氧体颗粒吸附在活性炭纤维表面，颗粒分布更均匀，对污水的处理效果更好。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用活性炭纤维制备填料，并将填料设计成空心圆锥形，解决了微生物附着性能差、易缠结等问题。

2.本发明空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的孔隙中含有稳定的磁性颗粒，可以增强生物膜反应器中微生物的活性，使微生物降解污染物的能力提高，从而提高生物膜反应器对污染物的降解效率。

3.本发明基于空心圆锥形活性炭纤维填料的生物膜反应器工作时，污水从空心圆锥形磁性活性炭纤维填料的开口端进入；在填料表面微生物的生物降解、空心圆锥形活性炭纤维填料的过滤等综合作用下，污水中污染物被去除，污水得以净化。

附图说明

图1为基于空心圆锥形活性炭纤维填料的生物膜反应器结构示意图；

图2为填料支架示意图。

图中：1.中空圆柱状反应器外壳；2.中心支撑轴线；3.空心圆锥形磁性活性炭纤维填料；4.填料支架；5.支撑棒。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

如图1和图2所示，基于空心圆锥形活性炭纤维填料的生物膜反应器包括中空圆柱状反应器外壳1、空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3、中心支撑轴线2和填料支架4等。所述的中空圆柱状反应器外壳1在最外面；中心支撑轴线2在中空圆柱状反应器外壳1内部的中心轴线上，并穿过空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的中心，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的轴线与中心支撑轴线2重合；填料支架4在空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的内部；多个长度相同的支撑棒5垂直固定在中心支撑轴线2上，形成所述的填料支架4，每个填料支架4的支撑棒5在同一个与中心支撑轴线2垂直的平面内，且支撑棒5之间的夹角相同。

所述的中空圆柱状反应器外壳1材质为不锈钢，中空圆柱状反应器外壳1的圆柱长度与圆直径的比值为10:1，中空圆柱状反应器外壳1的壁厚为1mm。

所述空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3是将扇形磁性活性炭纤维的两个直线边缘缝合在一起制成的，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的圆锥底面直径与中空圆柱状反应器外壳1的内径相当，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3圆锥的高与底面直径的比值为1:1，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的壁厚为1mm。空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的个数取决于进水水质和对出水水质的要求。

所述的中心支撑轴线2材质为不锈钢，直径为1mm，中心支撑轴线2的两端分别固定在反应器两端的端盖上，并位于中空圆柱状反应器外壳1的中心位置。

所述的填料支架4在空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的内部，每一根支撑棒5的的一端垂直固定在中心支撑轴线上，另一端均接触空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的内壁。支撑棒5材质为不锈钢，长度比空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3底面半径略小；支撑棒5在中心支撑轴线2的固定方式为焊接。填料支架4的个数与空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的个数相同。组成每个填料支架4的支撑棒5的个数为4。

所述扇形磁性活性炭纤维的制备采用如下步骤：

(1)裁剪扇形活性炭纤维；

(2)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的二价铁离子的摩尔浓度比为0.9:1；

(3)将扇形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10min，取出得吸附铁离子的扇形活性炭纤维；

(4)将吸附铁离子的扇形活性炭纤维浸没于ph为10的强碱溶液中，搅拌均匀后常温反应10min，固液分离、洗涤、干燥，得扇形磁性活性炭纤维。

上述步骤(4)中，所述的强碱为氢氧化钠，干燥的温度为50℃。

实施例2

如图1和图2所示，基于空心圆锥形活性炭纤维填料的生物膜反应器包括中空圆柱状反应器外壳1、空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3、中心支撑轴线2和填料支架4等。所述的中空圆柱状反应器外壳1在最外面；中心支撑轴线2在中空圆柱状反应器外壳1内部中心的轴线上，并穿过空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的中心，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的轴线与中心支撑轴线2重合；填料支架4在空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的内部；多个长度相同的支撑棒5垂直固定在中心支撑轴线2上，形成所述的填料支架4，每个填料支架4的支撑棒5在同一个与中心支撑轴线2垂直的平面内，且支撑棒5之间的夹角相同。

所述的中空圆柱状反应器外壳1材质为有机玻璃，圆柱长度与圆直径的比值为12:1，中空圆柱的壁厚为4mm。

空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3是将扇形磁性活性炭纤维的两个直线边缘缝合在一起制成的，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3圆锥底面直径与中空圆柱状反应器外壳1的内径相当，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3圆锥的高与底面直径的比值为1.2:1，空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的壁厚为3mm。空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的个数取决于进水水质和对出水水质的要求。

所述的中心支撑轴线2材质为除不锈钢外的其他金属，直径为2mm，固定在反应器两端的端盖上，并位于中空圆柱状反应器外壳1的中心位置。

所述的填料支架4安装在空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的内部，每一根支撑棒5的的一端垂直固定在中心支撑轴线上，另一端均接触空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的内壁。支撑棒5材质为有机玻璃，支撑棒5的长度比空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3底面半径略小；支撑棒5在中心支撑轴线2的固定方式为胶粘。填料支架4的个数与空心圆锥形磁性活性炭纤维填料3的个数相同。组成每个填料支架4的支撑棒5的个数为8。

所述扇形磁性活性炭纤维的制备采用如下步骤：

(1)裁剪扇形活性炭纤维；

(2)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的二价铁离子的摩尔浓度比为1.2:1；

(3)将扇形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20min，取出得吸附铁离子的扇形活性炭纤维；

(4)将吸附铁离子的扇形活性炭纤维浸没于ph为12的强碱溶液中，搅拌均匀后常温反应20min，固液分离、洗涤、干燥，得扇形磁性活性炭纤维。

上述步骤(4)中，所述的强碱为氢氧化钾，干燥的温度为70℃。

采用实施例1和实施例2所制的基于空心圆锥形活性炭纤维填料的生物膜反应器处理城市生活污水，其中两生物膜反应器的容积和实验条件相同，曝气量0.1m³/h，进水ph＝7.7，温度25℃，水力停留时间8.5h。挂膜并稳定运行一个月后，实施例1所制生物膜反应器中cod的去除率能达到91.3％，nh⁴⁺-n的去除率能达到85.7％；实施例2所制生物膜反应器中cod的去除率能达到95.1％，nh⁴⁺-n的去除率能达到88.5％；处理效果良好。

所述实施例为本发明优选的实施方式，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。