基于三维立体结构的纳米炭纤维固着基水处理填料制造技术

基于三维立体结构的纳米炭纤维固着基水处理填料，属于污、废水处理领域。该填料整体为三维立体结构，是由多条弯曲的丝状结构交叉堆积粘结在一起的三维立体结构，丝与丝之间形成空隙，弯曲的丝状结构为波浪线状结构；丝的主体材料为高分子聚合物如聚乙烯或聚丙烯等与石灰石粉，丝主体材料质量组成为高分子聚合物70‑80％，石灰石粉末20‑30％；在丝外表面生长固定有一层炭纳米纤维膜，炭纳米纤维膜是炭纳米纤维以阵列的形式垂直或竖直固定在丝的外表面。使填料具有了易细菌附着性、生物膜高负载性能和挂膜后生物膜极佳的稳定性，从而带来的是优良的生化性能。

Nano carbon fiber fixing base water treatment filler based on three-dimensional structure

Carbon fiber fixing base water treatment filler based on three-dimensional structure belongs to the field of sewage and wastewater treatment. The overall packing is a three-dimensional structure, is composed of a plurality of curved filaments in the three-dimensional structure of the overlapping bonded together, a gap is formed between the wire and the wire, filamentous structure bending is a wavy structure; silk as the main material of polymers such as polyethylene or polypropylene and limestone powder, the main composition of silk material quality as the polymer 70 80%, 20 30% limestone powder; growth in surface wire external fixation with a layer of carbon nanofibers, carbon nano fiber membrane is carbon nano fiber array to form a vertical or vertical fixed on the outer surface of the wire. The filler has the advantages of easy adhesion to bacteria, high load performance of biofilm and excellent stability of biofilm after biofilm formation, which leads to excellent biochemical properties.

【技术实现步骤摘要】
基于三维立体结构的纳米炭纤维固着基水处理填料
：本专利技术属于污、废水处理领域，特别涉及一种基于三维立体结构炭纤维固着基水处理填料。
技术介绍
：目前在污、废水处理领域所使用的生物填料主要分为两大类，一类是软性填料，包括软性组合及固定式，另一类为硬性或半软性填料，本专利技术主要针对硬性或半软性填料所存在的问题而专利技术的。目前这些填料主要产品种类包括：鲍尔环、多面空心球、海尔环、阶梯环、泰勒花环、共轭环、拉西环等。这些填料在设计上主要追求材料的比表面积和生物膜的更新，以及填料在反应池中水力冲击下的悬浮流动状态，认为细菌会在材料表面形成很好的生物膜。实际应用结果是，上述填料在厌氧池中挂膜效果还可以，但是在好氧池中在较强的水力剪切力和较强曝气强度下，这些填料挂膜效果极差，尤其是初期生物膜形成极其困难。通过应用调查，有些产品在反应池中投加3年的时间，填料表面肉眼看不出明显的生物膜存在。那么造成该结果的原因是，目前设计的填料形式不适应好氧池的水力和曝气条件，所以需要在整体结构上创造出更为适合好氧反应池条件的填料。
技术实现思路
：针对上述存在的问题，我们经过大量实验，从填料整体结构，尤其是填料本身亲水性、填料表面状态、生物膜成膜条件进行了系统研究，形成了以由丝状材料交错堆积形成的三维立体结构为基本特征，在丝条表面利用炭纤维处理形成纤维固着基的适合于污、废水处理的填料。一种基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料，其特征在于，该填料整体为三维立体结构，是由多条弯曲的丝状结构交叉堆积粘结在一起的三维立体结构，丝与丝之间形成空隙，弯曲的丝状结构为波浪线状结构；丝的主体材料为高分子聚合物如聚乙烯或聚丙烯等与石灰石粉，丝主体材料质量组成为高分子聚合物70-80％，石灰石粉末20-30％；在丝外表面生长固定有一层炭纳米纤维膜，炭纳米纤维膜是炭纳米纤维以阵列的形式垂直或竖直固定在丝的外表面。丝与丝之间交叉堆积的方式为纵横交叉堆积。炭纳米纤维膜表面即炭纳米纤维阵列的顶端具有高低不平的结构。石灰石粉末作为比重与表面亲水性调节剂；石灰石粉末为150-200目。整体形成的结构呈三维立体结构状(见附图1)，丝直径为0.5-1.0mm；丝交织熔融粘接形成三维立体结构，体积尺寸：50mm×50mm×50mm至1000mm×1000mm×1000mm，这些三维立体块状结构物直接投放处理装置中，或堆置在处理装置中。三维立体结构中的丝与丝之间形成的空隙孔径要保持在5mm-10mm(附图1中(3))，过大空隙承载生物量偏少，过小空隙容易被所形成的生物膜的堵塞)。填料载体丝表面结构是以纳米炭纤维为材料的纤维生物膜固着基层结构，该表面是由大量的垂直于载体丝表面排列的纳米炭纤维组成，炭纤维长度<100um，炭纤维直径<50nm，由于炭纤维是未经改性纤维材料中唯一带正电荷材料，因此形成的填料表面固着基层整体带正电荷，该结构特性非常有利于带负电荷的细菌菌体和活性污泥絮体附着，附着所形成的生物膜稳定性好。载体丝表面形成生物膜后生物膜环抱载体丝有利于生物膜的稳定，形成的生物膜中因为有炭纤维丝的存在极大地增强了生物膜结构的稳定性，以及形成整体生物膜后水处理系统运行过程中，在强大的气、水冲击下生物膜脱落更新时基础生物膜部分的保留。一种基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料的制作方法，包括以下步骤：(1)采用聚乙烯或聚丙烯等高分子聚合物质量分数70-80％和150-200目的石灰石粉末20-30％进行混合造粒；(2)采用热熔挤出形式进行载体丝条制作：通过热熔挤出机挤出单条丝，在彻底冷却之前利用正方型模具，堆积成三维立体结构，同时使丝与丝之间形成空隙间距，通过水冷进行定形；(3)定型后的三维立体结构，利用高压静电技术进行炭纳米纤维种植；(4)用曝气方式进行气、水混合清洗，除掉没有固定在丝表面的炭纳米纤维；(5)风干成品。基于上述基本组成和制作方法，赋予了该填料如下特点：(1)采用带正电荷炭纤维材料，形成的填料表面固着基层整体带正电荷，非常有利于带负电荷的细菌菌体和活性污泥絮体附着，使生物膜初期形成条件更好生物膜形成快，附着所形成的生物膜稳定性好，(2)在整体结构上，载体丝表面由碳纤维形成的特殊结构更有利于初期生物膜的形成，同时载体丝表面形成生物膜后生物膜环抱载体丝有利于生物膜稳定，另外，形成的生物膜中因为有炭纤维丝的存在极大地增强了生物膜结构的稳定性，以及形成整体生物膜后水处理系统运行过程，在强大的气、水冲击下生物膜脱落更新时基础生物膜部分的保留。(3)由于主材料聚乙烯或聚丙烯材料中参杂了石灰石能够在调节填料比重的同时部分改善了主填料表面的亲水性。该填料由于整体结构和材料表面结构的特殊设计，使填料具有了易细菌附着性、生物膜高负载性能和挂膜后生物膜极佳的稳定性，从而带来的是优良的生化性能。该填料的广泛应用将极大地提高现有活性污泥法反应池的生化性能，为现有污水厂提标改造创造较好的技术途径，为新水厂建设提供较好的技术条件。附图说明图1本专利技术基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料结构示意图。图2局部放大图；1载体丝、2丝与丝之间的空隙、3炭纳米纤维。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料(见附图1及局部放大附图2)制备：(1)采用主材料聚乙烯或聚丙烯等高分子聚合物质量分数70-80％和150-200目的石灰石粉末20-30％进行混合造粒；(2)采用热熔挤出形式进行载体丝制作：通过热熔挤出机挤出单条载体丝，在彻底冷却之前利用正方型模具，堆积成三维立体结构，并形成恰当的空隙间距。通过水冷进行定形；(3)定型后的大型三维立体结构，利用高压静电技术进行纳米炭纤维种植；(4)用强曝气方式进行气、水混合清洗；(5)风干成品。利用污水厂活性较好的硝化活性污泥(硝化速率为20mg/L.h)，MLSS：4000mg/L，原水COD：420mg/L，NH4+-N：55mg/L；反应条件(微孔曝气)DO：1.5mg/L，pH：7.0-7.5，HRT：6h，温度T：25℃；反应器容积：200L，填料添加率(堆积体积30％)；运行方式混合液在反应池经过6h停留后，混合液出流至沉淀池，沉淀后污泥经回流(回流比100％)。填料规格：50mm×50mm×50mm，空隙5-8mm。挂膜培养运行15天，填料载体丝被生物膜包裹；结果硝化速率由最初的15mg/L.h增加至45mg/L.h，表现出明显的高速率硝化效果。经过45d稳定运行后，接下来进行低温试验(采用冰水混合，交换器换热方法)，在25℃前提下，利用15d时间，持续降温，最终控制反应器温度为16℃进行稳定运行，在16℃条件下连续运行30天，该填料能够保持硝化率在40mg/L.h偏差在2mg/L.h范围内。由此证明该填料优异的生物膜保持性能。经过前后近100天连续运行，所形成的生物膜稳定。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料，其特征在于，该填料整体为三维立体结构，是由多条弯曲的丝状结构交叉堆积粘结在一起的三维立体结构，丝与丝之间形成空隙，弯曲的丝状结构为波浪线状结构；丝的主体材料为高分子聚合物如聚乙烯或聚丙烯等与石灰石粉，丝主体材料质量组成为高分子聚合物70‑80％，石灰石粉末20‑30％；在丝外表面生长固定有一层炭纳米纤维膜，炭纳米纤维膜是炭纳米纤维以阵列的形式垂直或竖直固定在丝的外表面。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料，其特征在于，该填料整体为三维立体结构，是由多条弯曲的丝状结构交叉堆积粘结在一起的三维立体结构，丝与丝之间形成空隙，弯曲的丝状结构为波浪线状结构；丝的主体材料为高分子聚合物如聚乙烯或聚丙烯等与石灰石粉，丝主体材料质量组成为高分子聚合物70-80％，石灰石粉末20-30％；在丝外表面生长固定有一层炭纳米纤维膜，炭纳米纤维膜是炭纳米纤维以阵列的形式垂直或竖直固定在丝的外表面。2.按照权利要求1所述的一种基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料，其特征在于，丝与丝之间交叉堆积的方式为纵横交叉堆积。3.按照权利要求1所述的一种基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料，其特征在于，炭纳米纤维膜表面即炭纳米纤维阵列的顶端具有高低不平的结构。4.按照权利要求1所述的一种基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料，其特征在于，石灰石粉末作为比重与表面亲水性调节剂；石灰石粉末为150-200目。5.按照权利要求1所述的一种基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料，其特征在于，丝直径为0.5-1.0mm。6.按照权利要求1所述的一种基于三维立体结构纳米炭纤维固着基水处理填料，其特征在于，丝交织熔融粘接...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11