一种基于石墨烯叠层填料的污水处理生物膜的制作方法

本实用新型涉及一种基于石墨烯叠层填料的污水处理生物膜，属于环境工程技术领域及碳材料领域。

背景技术：
：

城镇生活污水及工业污水是造成水污染的主要原因，全球超过80％的废水未获得有效处理，导致人类用水安全及水生态环境的严重破坏。因此，如何通过污水处理手段，去除废水中的有害物质，变废为益，是适应性强当前社会面对的亟待解决的共同课题。生物膜法污水处理技术以其制作工艺简单、除污效率高的优势在治理点源污染和面源污染方面具有重要应用价值。生物膜方法主要是利用附着于挂膜填料之上的生物膜对污水中的有害元素进行生物有效分解，使废水中的氮、磷等元素恢复到正常浓度。生物膜包含好氧菌、兼性好氧菌、厌氧菌、真菌、藻类等微生物构成微型生态系统。挂膜填料的选择与设计是生物膜处理方法的关键，根据挂膜填料在污水反应器中的运动状态可分移动式填料与固定式填料。挂膜填料选择的优劣将影响是否造成生物膜过厚、结球、堵塞填料床。目前常用的移动式填料主要包括石英砂、天然沸石、活性炭及其改性材料、聚氨酯泡沫体等，大多数是比表面积大、疏水性好填料，通常为多孔球状、蜂窝状、圆筒状或粒状。石墨烯材料是一种二维碳材料，具有极大的比表面积大(2630m²/g)和较高的疏水性。如果将六边形网状晶胞结构的石墨烯薄膜作为挂膜填料，生物膜中的微生物将更多更容易附着在上面，与无机、有机污染物更充分的作用。此外，石墨烯叠层法向机械强度有限，当生物膜反应时间过长积累过厚时，将自行断裂进入回收器，不会造成调料器堵塞的现象。

本实用新型提出利用石墨烯叠层作为生物膜挂膜填料与常见挂膜填料相比，具有制备简单、成本低、易回收的特点，在环保应用及理论方面具有重要价值。

技术实现要素：
：

本实用新型将石墨烯叠层作为生物膜方法的挂膜填料，生物膜附着在石墨烯薄膜上面形成微型生态系统，通过对石墨烯叠层厚度的控制可以实现对附着力的调节。石墨烯叠层是中间层，石墨烯叠层通过表面范德华力吸附好氧菌类形成的好氧层，然后通过附着力在好氧层表面吸附兼性好氧层，兼性好氧层通过附着力与厌氧层吸附，厌氧层表面形成一种高亲水表面层即附着水层，由附着水层首先吸附污水中的有机物，当吸附的污染物达到一定厚度时，流动水层通过冲刷力使生物膜更新脱落。污水与生物膜接触后，微生物与无机、有机污染物发生生化反应，达到水体生态平衡，实现本实用新型的目的。

本实用新型提出的一种基于石墨烯叠层填料的污水处理生物膜，工作步骤如下：

(1)、确定反应池：模拟生活污水，用自来水配制反应池,溶解氧为8～10mg/L、 PH值为6～8、氮为2～7mg/L、磷为0.5～1.2mg/L、BOD 6～70mg/L、CODMn为 10～12mg/L、CODcr30～40mg/L、Ca²⁺为0.05mg/L、Fe³⁺为0.02mg/L、Mg2+为 0.015mg/L。

(2)、确定石墨烯叠层填充料参数：采用的石墨烯叠层面积为 10mm×10mm，厚度为0.5～1um。叠层之间通过范德华力连接，叠层越厚表面吸附力越弱，可根据污水中氮、磷元素的浓度调节石墨烯叠层厚度，以满足要求。

(3)、确定生物膜组成成分：生物膜包含厌氧层(0.05mm厚度)、兼性好氧层(0.05mm厚度)、好氧层(0.05mm厚度)、附着水层(0.1mm厚度) 和流动水层(0.2mm厚度)。

(4)、放料：采用水泵(功率35W，扬程1.6m，流量1000L/小时)将放料器中的生物膜冲入反应池，采用机械搅拌使生物膜与污水充分混合反应。

(5)、回收：生物膜长时间反应后密度增加，下沉部分可采用刮板机构打捞，悬浮部分可采用滤网过滤。

附图说明

图1为石墨烯叠层的结构示意图；

图2为本实用新型中基于石墨烯叠层填料的生物膜示组成示意图；

图3为本实用新型中基于石墨烯叠层填料的生物膜污水处理系统示意图；

具体实施方式

在下文中，将参照附图更充分地描述本实用新型，在附图中示出了各种实施例。然而，本实用新型可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本实用新型的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。

参考图1～2，本实用新型涉及的一种基于石墨烯叠层填料的污水处理生物膜，它由六部分组成，分别是石墨烯叠层1、好氧层2、兼性好氧层3、厌氧层4、附着水层5、流动水层6。生物膜附着在石墨烯叠层表面与污水流动接触，过滤掉污染物，使污水获得净化，生物膜随附着的污染物的增加随水流自行脱落更新。石墨烯叠层：石墨烯是一种由碳原子构成的蜂窝状平面薄膜，只有一个原子层厚度的准二维材料，100～1000层石墨烯叠加组成的超薄石墨片构成石墨烯叠层，厚度远小于石墨片。

生物膜：由高度密集的好氧菌、兼性好氧菌、厌氧菌、真菌、原生动物、后生动物以及藻类组成的微生态系统。生物膜中的各种微生物直接或间接地利用水中的无机、有机污染物作为碳源和繁殖代谢的能源，并通过共生、互生、捕食的关系达到生态动态平衡。

好氧层：在提供游离氧的条件下，主要依赖于好氧菌降解有机物。本实施采用的好氧菌是放线菌与真菌，将有机物降解为二氧化碳和水。

兼性好氧层：在有氧或无氧环境中均能生长繁殖的微生物，主要由兼性好氧菌组成，兼有需氧呼吸和无氧发酵两种功能。本实施采用地衣芽孢杆菌与酿酒酵母作为兼性好氧菌。

厌氧层：是一类在无氧条件下比在有氧环境中生长好的细菌，而不能在空气(18％氧气)和10％二氧化碳浓度下的固体培养基表面生长的细菌。当生物膜达到一定厚度时，氧气无法向生物膜内部扩散，好氧菌死亡，而兼性细菌和厌氧菌开始大量繁殖，形成厌氧层，利用死亡的好氧菌为基质，并在此基础上不断繁殖厌氧菌，经过一段时间后在数量上开始下降，加上代谢气体的逸出，使生物膜大块脱落。本实施采用的厌氧菌是产酸菌与甲烷菌。

附着水层：是附着在挂膜填料表面的微生物形成的一种高亲水性表面层，是生物膜首先吸附污水中有机物的部分，在污水不断流动的条件下，其外侧总是存在着一层附着水层，本实施的附着水层控制在0.8～1.0mm。

流动水层：将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的。

参考图3，本实用新型涉及的一种基于石墨烯叠层填料的污水处理生物膜，它由十六部分组成，分别是初沉池进水管1、初沉池2、阀门3、进水管4、第一过滤池5、生物膜填料6、进水管7、第二过滤池8、气泵9、污泥排放漏斗 10、污泥排放漏斗11、污泥排放漏斗12、气泵13、污泥排放阀14、污泥排放管15、出水口16。

初沉池7：污水由进水管1进入初沉池，经沉淀后有污泥排放漏斗12 排出。

进水管4：采用防腐PVC管(直径为30mm)连接初沉池7与第一过滤池5，由阀门3控制流量。

第一过滤池5：通过生物膜填料6实现第一次污水过滤，过滤过程沉积的污泥通过污泥排放漏斗11排出到第二过滤池8。

第二过滤池8：通过进水管7、污泥排放管15和污泥排放阀14分别接收第一过滤池5处理过的污水及污泥，进行第二次过滤。

污泥排放漏斗10：经过第二过滤池8的过滤与沉淀，污水由出水口16 排出，污泥由污泥排放漏斗10排出。

气泵9：采用功率采用700W，流量为15L/min的小型气泵，一方面为第一过滤池5提供氧气，另一方面提高污水均匀度。

气泵13：采用功率采用700W，流量为15L/min的小型气泵，一方面为第二过滤池8提供氧气，另一方面提高污水均匀度。

以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型。本实用新型可以有各种合适的更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。