專利名稱：生物碳纖維平板膜組件及污水處理反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及污水處理領域，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器。
背景技術：
MBR工藝又稱膜生物反應器(Membrane Bio-reactor)，是一種現代膜分離技術與生物技術有機結合的新型的水處理技術，它利用膜分離設備將生化反應池中的活性污泥和大分子有機物截留住，達到水凈化的目的。膜生物反應器(membrane bioreactor,MBR)是高效膜分離技術和傳統活性污泥法的結合，幾乎能將所有的微生物截留在生物反應器中，這使反應器中的生物污泥濃度提高， 理論上污泥泥齡可以無限長，使出水的有機污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，對難降解的工業廢水也非常有效。與傳統生物處理工藝相比具有出水水質好，占地面積少，設備集中，模塊化，并且具有升級改造的潛力，是一項很有發展前景的工藝。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有限責任公司達成協議，使得該工藝進入日本市場。目前在世界范圍內，實際應用的MBR系統已經超過500套，同時許多工程在計劃或者建設中。MBR在日本的商業應用發展的很快，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。我國對膜生物反應器污水處理技術的研究較晚，但發展迅速，近年來，MBR工藝已有實際應用實例，并保持著良好的發展勢頭。2002年，膜生物反應器的研發又被列為“863” 重大科技項目，推進膜生物反應器在污水處理及回收中的應用，有研究者在研究膜生物反應器與傳統活性污泥工藝進行比較后發現，在運行條件一致的情況下，膜生物反應器有更強的去除能力。通過研究膜生物反應器對各分子質量區間內有機物的去除規律發現，物理截留作用可完全截留粒徑> 0. 22 μ m的有機物，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以下的有機物。MBR的主要特點第一，污泥負荷率高，去除率高，抗污泥膨脹能力較強；第二，出水水質良好且穩定可靠，懸浮物幾乎為0，可直接回用；第三，反應器運行靈活穩定；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，處理后的水細菌總數比較少，達飲用水標準，無須進行紫外線、臭氧消毒即可直接飲用。然而，在實際運行過程當中，研究人員發現有機膜具有易污染、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反應器內混合液中的懸浮顆粒、膠體粒子或溶解性大分子有機物在膜表面和膜孔內吸附沉積，造成膜孔徑減小或堵塞，使膜通量下降的現象。其污染的影響因素主要有膜本身所具有的性質、污水的水質、水力特性以及 MBR運行的技術操作條件。膜污染已經成為影響處理水效果的一個重要因素，已經成為阻礙 MBR工藝快速發展的制約因素，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。隨著社會的進步，工業生產的發展，工業廢水的凈化逐漸成為人類關注的重點，如何能改善膜生物反應器污水處理技術中膜污染現狀，并將其應用到各種各類工業廢水的處理中，已經成為了研究人員的新課題，并越來越受到重視。
發明內容
本發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器，以改善膜污染現狀。為此，在本發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；生態碳纖維復合材料，設置在襯板上；過濾膜，設置在生態碳纖維復合材料上的遠離襯板的一側。進一步地，上述生態碳纖維復合材料包括比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維。進一步地，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，進行50 150分鐘的預氧化處理，形成預氧絲；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，進行30 90分鐘的炭化及活化處理制備而成。進一步地，上述生物活性碳纖維在使用前進一步經過表面活性處理，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，進行第二次表面活性處理。進一步地，上述生態碳纖維復合材料還包括丙綸纖維網眼布，所述丙綸纖維網眼布包裹在所述生物活性碳纖維的外周。進一步地，上述丙綸纖維網眼布由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。在本發明的另一個方面還包括一種污水處理反應器，包括膜生物反應池，膜生物反應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。進一步地，上述污水處理反應器，還包括接觸氧化池；在線監測裝置，設置在所述接觸氧化池和膜生物反應池的進水前端，用以監測所述污水的進水水質，且所述在線監測裝置、所述接觸氧化池和膜生物反應池依序相連；控制系統，根據所述在線監測裝置的監測結果，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閉。進一步地，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碳纖維復合材料，進一步地，上述作為水處理填料的生態碳纖維復合材料包括芯層，由比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維構成；外層，由丙綸纖維網眼布構成，所述外層包裹在芯層的外周。本發明的有益效果本發明所提供的生物碳纖維平板膜組件，將過濾膜與生態碳纖維復合材料合理地結合在一起，對污水先經過濾膜過濾，再經生態碳纖維復合材料進一步吸附凈化，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。 本發明所提供的生物碳纖維平板膜組件中，采用的生態碳纖維復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，使這種生態碳纖維復合材料在具有比表面積大、孔徑分布合理，吸附性高，其能夠改善現有膜污染的現狀，同時在芯層外側設置丙綸纖維網眼布以起到增強作用，使得該生態碳纖維復合材料具有較高的強度，進而使得生物碳纖維平板膜組件堅固耐用。本發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碳纖維復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行表面活性處理，使其具有優異生物相容性，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污染物。本發明所提供的污水處理反應器，通過采用上述生態碳纖維復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，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明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中圖1示出了根據本發明實施例的生物碳纖維平板膜組件結構示意圖；以及圖2示出了根據本發明實施例的污水處理反應器的結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明的實施例中的技術方案進行詳細的說明，但如下實施例以及附圖僅是用以理解本發明，而不能限制本發明，本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。為了改善現有MBR工藝中膜污染問題，提高MBR工藝處理效果，研發人員從膜的材料、預處理過程、運行條件、操作規范等幾方面進行了改進。為了兼顧MBR反應器設備的運行成本，研發人員對MBR反應器中平板膜進行了改良，通過采用一些強度高、效果好、耐污染、易分離的膜材料，提高了膜的質量，降低了膜的成本。如圖1所示，在本發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、生態碳纖維復合材料132和過濾膜133。生態碳纖維復合材料132設置在襯板131的一側，過濾膜133設置在生態碳纖維復合材料132 遠離襯板131的一側。在本發明所提供的生物碳纖維平板膜組件中襯板131和過濾膜133都可以采用與現有的平板膜組件中相同的材料及結構。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之間的生態碳纖維復合材料132需要采用生態碳纖維復合材料。在實際應用過程中，本發明所提供的生物碳纖維平板膜組件中設置有過濾膜的一側面向污水的進水方向設置，污水先經過濾膜進行第一層過濾后，形成過濾水，在經生態碳纖維復合材料進一步對過濾水進行吸附凈化，提高清水的純度和潔凈度。本發明所提供的這種生物碳纖維平板膜組件結構主要是針對現有MBR在污水處理與回用中膜污染導致的膜組件更換和過濾膜通量下降等應用現狀及不足，將高強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的一側設有向內凹陷的安裝部；生態碳纖維復合材料132安裝在襯板131的安裝部內；過濾膜133安裝在襯板131的安裝部內，且位于生態碳纖維復合材料132遠離襯板131的一側。且襯板上設有出水口 134。這種結構能夠形成更為穩定的結構。優選地，上述生態碳纖維復合材料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品，其能夠增強聚丙烯腈纖維和粘膠纖維的強度，且容易定型。上述生物活性碳纖維可以采用現有的生物活性碳纖維，例如專利申請號為 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，進行 50 150分鐘的預氧化處理，形成預氧絲；并將預氧絲在氮氣氣氛下，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氧化處理過程中逐漸升溫，以強化碳纖維原料的結構，使其在高溫炭化活化過程中不熔不燃，并保持纖維形態，同時通過將炭化處理和活化處理同步進行減少了工藝步驟，節約了工藝成本。同時，這種生物活性碳纖維在預氧化處理過程中，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。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的過程有利于使預氧絲結構發生變化，逐步形成所需生物活性碳纖維，并保持碳纖維的形態。通過預氧化處理過程和炭化及活化過程中各種參數的協調作用使得本發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。， 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構，表面粗糙度增加，碳纖維表面含氧官能團增加，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，達到好的生物相容性。在本發明優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構，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，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入活性碳纖維的孔洞中，并在其表面形成活性官能團。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行處理，增加了工藝步驟，但是，這種分先后進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。本發明所提供的生物活性碳纖維經過表面改性處理能夠具有優異的生物相容性， 由于活性碳纖維的比表面積很大，對微生物有很強的吸附作用，吸附到活性碳纖維表面后， 由于經過表面活性處理，活性碳纖維表面的官能團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碳纖維復合材料132還包括丙綸纖維網眼布，丙綸纖維網眼布包裹在生物活性碳纖維的外周。具有這種結構的生物碳纖維平板膜組件的生態碳纖維復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眼布以增強該生物活性碳纖維的強度，能夠適應于污水處理過程中的水力沖擊，使得本發明生物碳纖維平板膜組件更堅固耐用。
優選地、上述丙綸纖維網眼布由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。這種丙綸纖維網眼布具有透水性好、耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐老化效果好的優勢，使其適用于任何種類的污水處理。將上述丙綸纖維網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眼布的具有足夠的強度，以起到支撐作用，同時，在該范圍內還具有耐用性好的優勢，能夠延長使用期限。更為優選地，上述丙綸纖維網眼布的網眼孔徑為0. 5-lmm,網眼孔徑不宜過小，網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。網眼孔徑也不宜過大，網眼孔徑過大會造成生物活性碳纖維的外漏，進而降低污水凈化效果。在一種具體的方式中，上述生態碳纖維復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，丙綸纖維網眼布包括超細丙綸纖維網眼布，由直徑為200D 500D的丙綸纖維絲編織而成。如圖2所示，基于本發明所提供的生物碳纖維平板膜組件，本發明還提供了一種污水處理反應器，包括膜生物反應池18，膜生物反應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及體積而定。這種污水處理反應器，通過將本發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，不易腐蝕，使用壽命長等優點，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，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，上述污水處理反應器包括接觸氧化池6、膜生物反應池18、在線監測裝置2和控制系統3。在線監測裝置2、接觸氧化池6， 以及膜生物反應池18依序連接。控制系統3與線監測裝置2相連，根據測量結果控制膜生物反應池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的開啟與關閉。 本發明所提供的這種污水處理反應器通過在線監測裝置2和控制系統3的協同作業，使得工藝參數易于控制，并可根據具體水質進行選擇，節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行處理即可得到較好的處理效果，因此當CODcr濃度不高于300mg/L時，只需接觸氧化池即可達標排放，而當CODcr濃度高于 300mg/L時，同時啟動接觸氧化池6和膜生物反應池18 (MBR膜池)，亦可實現達標排放。一種具體的方式中，采用在線監測裝置2對污水中CODcr濃度進行測量，設定一個特定值，例如300mg/L。當污水中CODcr濃度不高于特定值時，膜生物反應池18的自吸泵 16在控制系統3的控制下關閉，污水由接觸氧化池6內的生態碳纖維復合材料填料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池18，并通過膜生物反應池18上的出水口 17流出。當污水中的CODcr濃度高于特定值時，膜生物反應池18的自吸泵16在控制系統 3的控制下開啟，污水經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池18，膜生物反應池18中生物碳纖維平板膜組件13在吸收泵16的作用下，對污水進行進一步凈化，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。
本發明所提供的各種污水處理反應器均采用連續進出水方式運行，地下排水口內污水由提升泵先提升至調節池和初沉池進行預處理，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水。預處理后，通過可調節流量的進水泵1控制接觸氧化池6 和/或膜生物反應池18進水。進水泵可以根據水量的要求調整，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，經接觸氧化池 6和/或膜生物反應池18凈化后的凈化水出水流至消毒池，經紫外消毒后的水可排放及回用。在本發明所提供的污水處理反應器中，接觸氧化池6和膜生物反應池18中都設有曝氣孔9，曝氣孔9與回轉式鼓風機4相連，曝氣采用連續曝氣法，并通過流量計5控制曝氣量保持接觸氧化池及膜池內的溶解氧含量在2. 5mg/L以上。在本發明所提供的污水處理反應器中，曝氣方式由管式曝氣機改為微孔曝氣機或者其他類型的曝氣機都可，只需保證水中溶解氧含量在2. 5mg/L以上即可。在本發明所提供的污水處理反應器中，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。膜生物反應池18也可以通過排泥管達到同樣的放空效果。優選地，上述污水處理反應器中接觸氧化池6中包括污水處理填料7，該污水處理填料7為生態碳纖維復合材料。這種生態碳纖維復合材料包括芯層、外層以及環狀毛圈部，芯層由比表面積大于 1300m2/g的生物活性碳纖維構成。其可由上述方法制備。該生態碳纖維復合材料是通過外層包裹在芯層的外周形成的。將丙綸纖維網眼布作為外層包裹在芯層的外周形成生態碳纖維復合材料的一種方式為將丙綸纖維網眼布纏繞在生物活性碳纖維上形成生態碳纖維復合材料，另一種方式為將丙綸纖維網眼布分為第一塊與第二塊，將生物活性碳纖維放置在第一、第二塊丙綸纖維網眼布之間，并將第一、第二塊丙綸纖維網眼布的外周縫合，形成生態碳纖維復合材料。 在縫合過程中采用丙綸纖維絲即可。在實際應用過程中，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。其中水處理填料優選為密度為10% 20%的生態碳纖維復合材料。密度在該范圍內的填料具有掛膜速度快，費用經濟的優勢。另外，填料的用量根據具體水質而定，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%。以下將結合具體實施例，進一步說明本發明生態碳纖維復合材料、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，進行50分鐘的預氧化處理，形成預氧絲；將預氧絲在氮氣氣氛下，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明生態碳纖維復合材料，將該生態碳纖維復合材料設置在襯板上，將過濾膜設置在生態碳纖維復合材料上形成生態碳纖維平板膜組件。污水處理反應器包括膜生物反應池，膜生物反應池中包括上述生態碳纖維平板膜組件。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(生產公司鞍山塞諾達碳纖維有限公司)。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，進行100分鐘的預氧化處理，形成預氧絲；將預氧絲在氮氣氣氛下，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丙綸纖維網眼布，將丙綸纖維網眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發明生態碳纖維復合材料。將生態碳纖維復合材料設置在襯板上，將過濾膜設置在生態碳纖維復合材料上形成生態碳纖維平板膜組件。污水處理反應器包括膜生物反應池，膜生物反應池中包括上述生態碳纖維平板膜組件。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(生產公司鞍山塞諾達碳纖維有限公司)。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，進行100分鐘的預氧化處理，形成預氧絲；將預氧絲在氮氣氣氛下，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丙綸纖維網眼布；將丙綸纖維網眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發明生態碳纖維復合材料。
將生態碳纖維復合材料設置在襯板上，將過濾膜設置在生態碳纖維復合材料上形成生態碳纖維平板膜組件。污水處理反應器包括膜生物反應池和接觸氧化池，膜生物反應池和接觸氧化池同時開啟，膜生物反應池中包括上述生態碳纖維平板膜組件，接觸氧化池以上述制備的生態碳纖維復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下進行炭化與活化。控制炭化升溫速率 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丙綸纖維網眼布。將丙綸纖維網眼布纏繞在待用生物活性碳纖維上形成本發明生態碳纖維復合材料。將生態碳纖維復合材料設置在襯板上，將過濾膜設置在生態碳纖維復合材料上形成生態碳纖維平板膜組件。污水處理反應器包括膜生物反應池和接觸氧化池，膜生物反應池和接觸氧化池同時開啟，膜生物反應池中包括上述生態碳纖維平板膜組件，接觸氧化池以碳素纖維生態草作為水處理填料。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置在襯板上形成平板膜組件。污水處理反應器包括膜生物反應池和接觸氧化池，膜生物反應池和接觸氧化池同時開啟，膜生物反應池中包括上述生態碳纖維平板膜組件，接觸氧化池以上述制備的生態碳纖維復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器和由對比例1污水處理反應器對比樣品1對污水進行。1. 1、采用實施例1-4中污水處理反應器和對比例1污水處理反應器對水產養殖污水進行凈化處理，水產養殖污水的水質參數如表1所示，污水處理結果如表2所示。表 權利要求
1.一種生物碳纖維平板膜組件，其特征在于，包括襯板(131)；生態碳纖維復合材料(132)，設置在所述襯板(131)上；過濾膜(133)，設置在所述生態碳纖維復合材料(13 上的遠離所述襯板(131)的一側。
2.根據權利要求1所述的生物碳纖維平板膜組件，其特征在于，所述生態碳纖維復合材料(13 包括比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維。
3.根據權利要求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，進行50 150分鐘的預氧化處理，形成預氧絲；并所述預氧絲在氮氣氣氛下，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，進行30 90分鐘的炭化及活化處理制備而成。
4.根據權利要求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一步經過表面活性處理，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，進行第二次表面活性處理。
5.根據權利要求2-4中任一項所述的生物碳纖維平板膜組件，其特征在于，所述生態碳纖維復合材料(132)還包括丙綸纖維網眼布，所述丙綸纖維網眼布包裹在所述生物活性碳纖維的外周。
6.根據權利要求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器，其特征在于，包括膜生物反應池(18)，所述膜生物反應池中包括平板膜組件(13)，所述平板膜組件(1 為權利要求1-6中任一項所述的生物碳纖維平板膜組件。
8.根據權利要求7所述的污水處理反應器，其特征在于，還包括接觸氧化池(6)；在線監測裝置O)，設置在所述接觸氧化池(6)和膜生物反應池(18)的進水前端，用以監測所述污水的進水水質，且所述在線監測裝置O)、所述接觸氧化池(6)和膜生物反應池 (18)依序相連；控制系統(3)，根據所述在線監測裝置O)的監測結果，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閉。
9.根據權利要求8所述的污水處理反應器，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)為生態碳纖維復合材料
10.根據權利要求9所述的污水處理反應器，其特征在于，作為水處理填料(7)的所述生態碳纖維復合材料包括芯層，由比表面積大于1300m2/g的生物活性碳纖維構成；外層，由丙綸纖維網眼布構成，所述外層包裹在所述芯層的外周。
全文摘要
本發明提供了一種生物碳纖維平板膜組件及污水處理反應器。其中生物碳纖維平板膜組件，包括襯板；生態碳纖維復合材料，設置在襯板上；過濾膜，設置在生態碳纖維復合材料上的遠離襯板的一側。該生物碳纖維平板膜組件，將過濾膜與生態碳纖維復合材料合理地結合在一起，對污水先經過濾膜過濾，再經生態碳纖維復合材料進一步吸附凈化，進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 優先權日2011年12月16日
發明者何一群, 周曉東, 海熱提·吐爾遜, 趙東林 申請人:北京化工大學, 北京賽思騰石油技術有限公司