CN102489156B - 生物碳纤维平板膜组件及污水处理反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物碳纤维平板膜组件及污水处理反应器。其中生物碳纤维平板膜组件，包括：衬板；生态碳纤维复合材料，设置在衬板上；过滤膜，设置在生态碳纤维复合材料上的远离衬板的一侧。该生物碳纤维平板膜组件，将过滤膜与生态碳纤维复合材料合理地结合在一起，对污水先经过滤膜过滤，再经生态碳纤维复合材料进一步吸附净化，进而提高清水的纯度和洁净度，提高平板膜组件的耐污性和膜通量及使用寿命。

Description

生物碳纤维平板膜组件及污水处理反应器

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体而言涉及一种生物碳纤维平板膜组件以及包括其的污水处理反应器。

背景技术

MBR工艺又称膜生物反应器(Membrane Bio-reactor)，是一种现代膜分离技术与生物技术有机结合的新型的水处理技术，它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留住，达到水净化的目的。

膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)是高效膜分离技术和传统活性污泥法的结合，几乎能将所有的微生物截留在生物反应器中，这使反应器中的生物污泥浓度提高，理论上污泥泥龄可以无限长，使出水的有机污染物含量降到最低，能有效地去除氨氮，对难降解的工业废水也非常有效。与传统生物处理工艺相比具有出水水质好，占地面积少，设备集中，模块化，并且具有升级改造的潜力，是一项很有发展前景的工艺。

1969年，美国的Smith首次报道了美国Dorr-Oliver公司把活性污泥法和超滤工艺结合处理城市污水的方法。1970年，美国的Dorr-Oliver公司和日本的Sanki Engineering有限责任公司达成协议，使得该工艺进入日本市场。目前在世界范围内，实际应用的MBR***已经超过500套，同时许多工程在计划或者建设中。MBR在日本的商业应用发展的很快，世界上约有66％的工程在日本，其余的MBR工程主要在北美和欧洲。

我国对膜生物反应器污水处理技术的研究较晚，但发展迅速，近年来，MBR工艺已有实际应用实例，并保持着良好的发展势头。2002年，膜生物反应器的研发又被列为“863”重大科技项目，推进膜生物反应器在污水处理及回收中的应用，有研究者在研究膜生物反应器与传统活性污泥工艺进行比较后发现，在运行条件一致的情况下，膜生物反应器有更强的去除能力。通过研究膜生物反应器对各分子质量区间内有机物的去除规律发现，物理截留作用可完全截留粒径＞0.22μm的有机物，而活性污泥的降解作用以及膜表面滤饼层和凝胶层的共同作用可去除大部分0.22μm以下的有机物。

MBR的主要特点：第一，污泥负荷率高，去除率高，抗污泥膨胀能力较强；第二，出水水质良好且稳定可靠，悬浮物几乎为0，可直接回用；第三，反应器运行灵活稳定；第四，污泥停留时问较长，剩余污泥大大减少；第五，占地面积较少，易于自动化控制管理；第六，脱氮脱磷效果较好；第七，处理后的水细菌总数比较少，达饮用水标准，无须进行紫外线、臭氧消毒即可直接饮用。

然而，在实际运行过程当中，研究人员发现有机膜具有易污染、堵塞，耗能大，只能在低温低压下操作等缺点。其中，膜污染是指MBR反应器内混合液中的悬浮颗粒、胶体粒子或溶解性大分子有机物在膜表面和膜孔内吸附沉积，造成膜孔径减小或堵塞，使膜通量下降的现象。其污染的影响因素主要有膜本身所具有的性质、污水的水质、水力特性以及MBR运行的技术操作条件。膜污染已经成为影响处理水效果的一个重要因素，已经成为阻碍MBR工艺快速发展的制约因素，同时膜污染处理成本的提高，也造成了MBR工艺运行成本的增加。随着社会的进步，工业生产的发展，工业废水的净化逐渐成为人类关注的重点，如何能改善膜生物反应器污水处理技术中膜污染现状，并将其应用到各种各类工业废水的处理中，已经成为了研究人员的新课题，并越来越受到重视。

发明内容

本发明旨在提供一种生物碳纤维平板膜组件以及包括其的污水处理反应器，以改善膜污染现状。

为此，在本发明的一个方面提供了一种生物碳纤维平板膜组件，包括：衬板；生态碳纤维复合材料，设置在衬板上；过滤膜，设置在生态碳纤维复合材料上的远离衬板的一侧。

进一步地，上述生态碳纤维复合材料包括比表面积大于1300m²/g的生物活性碳纤维。

进一步地，上述生物活性碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维作为碳纤维原料，在3～5℃/分钟的速率下逐渐升温至200～300℃，进行50～150分钟的预氧化处理，形成预氧丝；并在氮气气氛下，以10～30℃/分钟的速率逐渐升温至700～800℃，以水蒸气作为活化剂，进行30～90分钟的炭化及活化处理制备而成。

进一步地，上述生物活性碳纤维在使用前进一步经过表面活性处理，表面活性处理的步骤包括在浓度为30％以下的过氧化氢溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第一次表面活性处理，然后在浓度为25～28％的氨水溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第二次表面活性处理。

进一步地，上述生态碳纤维复合材料还包括丙纶纤维网眼布，所述丙纶纤维网眼布包裹在所述生物活性碳纤维的外周。

进一步地，上述丙纶纤维网眼布由直径为200D～500D的丙纶纤维丝编织而成。

在本发明的另一个方面还包括一种污水处理反应器，包括膜生物反应池，膜生物反应池中包括平板膜组件，平板膜组件为上述的生物碳纤维平板膜组件。

进一步地，上述污水处理反应器，还包括：接触氧化池；在线监测装置，设置在所述接触氧化池和膜生物反应池的进水前端，用以监测所述污水的进水水质，且所述在线监测装置、所述接触氧化池和膜生物反应池依序相连；控制***，根据所述在线监测装置的监测结果，控制与所述生物碳纤维平板膜组件相连的吸收泵的开启与关闭。

进一步地，上述接触氧化池中包括水处理填料，所述水处理填料为生态碳纤维复合材料，

进一步地，上述作为水处理填料的生态碳纤维复合材料包括：芯层，由比表面积大于1300m²/g的生物活性碳纤维构成；外层，由丙纶纤维网眼布构成，所述外层包裹在芯层的外周。

本发明的有益效果：

本发明所提供的生物碳纤维平板膜组件，将过滤膜与生态碳纤维复合材料合理地结合在一起，对污水先经过滤膜过滤，再经生态碳纤维复合材料进一步吸附净化，提高了清水的纯度和洁净度并提高了平板膜组件的耐污性和膜通量及使用寿命。

本发明所提供的生物碳纤维平板膜组件中，采用的生态碳纤维复合材料通过将比表面积大于1300m²/g的生物活性碳纤维作为芯层，使这种生态碳纤维复合材料在具有比表面积大、孔径分布合理，吸附性高，其能够改善现有膜污染的现状，同时在芯层外侧设置丙纶纤维网眼布以起到增强作用，使得该生态碳纤维复合材料具有较高的强度，进而使得生物碳纤维平板膜组件坚固耐用。

本发明所提供的生物碳纤维平板膜组件中通过采用改良的生物活性碳纤维，使该生物活性碳纤维以及生态碳纤维复合材料具有比表面积大、孔径分布合理，吸附性高，活性碳纤维材料挂膜后对CODcr的去除率在80％以上，氨氮去除率在60％以上的效果。

本发明所提供的生物碳纤维平板膜组件中通过对生物活性碳纤维进行表面活性处理，使其具有优异生物相容性，不仅通过自身的吸附作用净化水体，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，这些微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。

本发明所提供的污水处理反应器，通过采用上述生态碳纤维复合材料作为填料或者采用上述生物碳纤维平板膜组件，大大减少了膜污染的问题。不仅利用自身的吸附能力净化水质，而且它表面所形成生物膜能在很大程度上去除CODcr、氨氮、总磷。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的生物碳纤维平板膜组件结构示意图；以及

图2示出了根据本发明实施例的污水处理反应器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行详细的说明，但如下实施例以及附图仅是用以理解本发明，而不能限制本发明，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

为了改善现有MBR工艺中膜污染问题，提高MBR工艺处理效果，研发人员从膜的材料、预处理过程、运行条件、操作规范等几方面进行了改进。为了兼顾MBR反应器设备的运行成本，研发人员对MBR反应器中平板膜进行了改良，通过采用一些强度高、效果好、耐污染、易分离的膜材料，提高了膜的质量，降低了膜的成本。

如图1所示，在本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种生物碳纤维平板膜组件，该生物碳纤维平板膜组件包括衬板131、生态碳纤维复合材料132和过滤膜133。生态碳纤维复合材料132设置在衬板131的一侧，过滤膜133设置在生态碳纤维复合材料132远离衬板131的一侧。

在本发明所提供的生物碳纤维平板膜组件中衬板131和过滤膜133都可以采用与现有的平板膜组件中相同的材料及结构。例如，衬板131可以采用聚氨酯、橡胶等材料，过滤膜可以采用聚偏氟乙烯(PVDF)等材料。其中位于衬板131和过滤膜133之间的生态碳纤维复合材料132需要采用生态碳纤维复合材料。

在实际应用过程中，本发明所提供的生物碳纤维平板膜组件中设置有过滤膜的一侧面向污水的进水方向设置，污水先经过滤膜进行第一层过滤后，形成过滤水，在经生态碳纤维复合材料进一步对过滤水进行吸附净化，提高清水的纯度和洁净度。

本发明所提供的这种生物碳纤维平板膜组件结构主要是针对现有MBR在污水处理与回用中膜污染导致的膜组件更换和过滤膜通量下降等应用现状及不足，将高强度生物碳纤维和生物活性碳纤维制成平板膜的衬板，制备出基于生物碳纤维的平板膜组件，提高平板膜组件的耐污性和膜通量及使用寿命。

在一种具体的方式中，上述生物碳纤维平板膜组件中衬板131的一侧设有向内凹陷的安装部；生态碳纤维复合材料132安装在衬板131的安装部内；过滤膜133安装在衬板131的安装部内，且位于生态碳纤维复合材料132远离衬板131的一侧。且衬板上设有出水口134。这种结构能够形成更为稳定的结构。

优选地，上述生态碳纤维复合材料132包括比表面积大于1300m²/g的生物活性碳纤维。这种生物活性碳纤维由于比表面积大、孔径分布合理，具有较好的亲水性以及吸附性，同时这种生物活性碳纤维，不仅通过自身的吸附作用净化水体，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，挂膜速度快，这些微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。在平板膜组件增加该生物活性碳纤维能够有效提高CODcr的去除率，氨氮去除率。优选地，上述生物活性碳纤维为聚丙烯腈基生物活性碳纤维、粘胶基生物活性碳纤维或沥青基生物活性碳纤维；这些原料具有优异的表面能、与水的润湿性、以及表面亲水性能，更有利于用于污水处理。更优选地，上述生物活性碳纤维为厚度为0.5～5mm的聚丙烯腈基生物活性碳纤维毡；厚度为0.5～5mm的粘胶基生物活性碳纤维毡；或者由喷吹法制备的沥青基生物活性碳纤维。其中聚丙烯腈纤维毡与粘胶纤维毡可以直接采用市售产品，其能够增强聚丙烯腈纤维和粘胶纤维的强度，且容易定型。

上述生物活性碳纤维可以采用现有的生物活性碳纤维，例如专利申请号为01123491.1，名称为“生物活性碳纤维及其制备方法”的专利申请中所提出的生物活性碳纤维。只需将其中生物活性碳纤维的比表面积控制在大于1300m²/g即可。

优选地，在一种具体的实施方式中，上述生物活性碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为碳纤维原料，以3～5℃/分钟的速率逐渐升温至200～300℃，进行50～150分钟的预氧化处理，形成预氧丝；并将预氧丝在氮气气氛下，以10～30℃/分钟的速率逐渐升温至700～800℃，以水蒸气作为活化剂，进行30～90分钟的炭化及活化处理制备而成。

这种生物活性碳纤维通过在预氧化处理过程中逐渐升温，以强化碳纤维原料的结构，使其在高温炭化活化过程中不熔不燃，并保持纤维形态，同时通过将炭化处理和活化处理同步进行减少了工艺步骤，节约了工艺成本。

同时，这种生物活性碳纤维在预氧化处理过程中，以3～5℃/分钟的速率逐渐升温至200～300℃的过程，有利于保持碳纤维原料的形态。在炭化及活化过程中以10～30℃/分钟的速率逐渐升温至700～800℃的过程有利于使预氧丝结构发生变化，逐步形成所需生物活性碳纤维，并保持碳纤维的形态。通过预氧化处理过程和炭化及活化过程中各种参数的协调作用使得本发明所提供的碳纤维原料比表面积增大、吸附性和相容性增强。，并由于比表面积大、孔径分布合理，具有较高的吸附性，这种生物活性碳纤维，不仅通过自身的吸附作用净化水体，而且能快速吸引微生物菌群，在其表面形成活性生物膜，挂膜速度快，这些微生物以有机污染物为能量来源，通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物，这种活性碳纤维材料挂膜后对CODcr的去除率在80％以上，氨氮去除率在60％以上。

优选地，在上述生物活性碳纤维在使用前还包括表面活性处理。表面活性处理能够使得该生物活性碳纤维获得良好的表面结构，表面粗糙度增加，碳纤维表面含氧官能团增加，表面能增加、且能够改善与水的润湿性能，使其接触角变小，表面呈现出亲水性。

表面改性处理工艺有多种方法和工艺，如硫酸、硝酸、混酸、KOH、NaOH处理等，都可以引入官能团，达到好的生物相容性。

在本发明优选采用双氧水和氨水处理，双氧水和氨水相对比较温和，不破坏活性碳纤维的孔结构，氨水处理可以在活性碳纤维表面形成C-N键，有利于硝化菌的吸附，经过双氧水和氨水处理的生物活性碳纤维表面亲水性更好，润湿性好和微生物相容性高，在污水处理过程中能够表现出对污染物的吸附以及生物膜的生成更有利的性能。

一种具体地实施方式中，在上述生物活性碳纤维在使用前，先将生物活性碳纤维在浓度为30％以下的过氧化氢溶液和浓度为25～28％的氨水溶液的混合溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行表面活性处理。在混合溶液中过氧化氢溶液和氨水溶液的体积比优选为1∶1-2∶1。这种表面改性处理方式的步骤简单，容易实现，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟有利于使处理溶液进入活性碳纤维的孔洞中，并在其表面形成活性官能团。

另一种具体地实施方式中，在上述生物活性碳纤维在使用前，先将生物活性碳纤维在浓度为30％以下的过氧化氢溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第一次表面活性处理；将完成第一次表面活性处理的生物活性碳纤维在浓度为25～28％的氨水溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第二次表面活性处理。这种表面活性处理方式，将生物活性碳纤维相对于过氧化氢溶液和氨水溶液分别进行处理，增加了工艺步骤，但是，这种分先后进行表面处理的方式能够更多地在活性碳纤维表面形成氨基基团。

本发明所提供的生物活性碳纤维经过表面改性处理能够具有优异的生物相容性，由于活性碳纤维的比表面积很大，对微生物有很强的吸附作用，吸附到活性碳纤维表面后，由于经过表面活性处理，活性碳纤维表面的官能团易于微生物附着和生长，所以挂膜快。另外，生物活性碳纤维上的微小孔洞，在曝气和水的流动作用下可以产生超声波，生物活性碳纤维不仅微生物挂膜快，而且凋亡的微生物可以快速脱落，促进微生物的更新代谢，显著提高污水处理效果。

通过上述方式所制备的生物活性碳纤维，具有表面能较高、与水的润湿性较好、表面亲水性能较好的性能，这些性能都是得该生物活性碳纤维更适于引用与污水处理，以吸附污水中的污染物和形成生物膜。

在本发明一种典型的实施方式中，上述生物碳纤维平板膜组件的生态碳纤维复合材料132还包括丙纶纤维网眼布，丙纶纤维网眼布包裹在生物活性碳纤维的外周。

具有这种结构的生物碳纤维平板膜组件的生态碳纤维复合材料通过采用生物活性碳纤维使其具有表面能较高、与水的润湿性较好、表面亲水性能较好的性能，同时，通过在该生物活性碳纤维芯层的外周围绕一层丙纶纤维网眼布以增强该生物活性碳纤维的强度，能够适应于污水处理过程中的水力冲击，使得本发明生物碳纤维平板膜组件更坚固耐用。

优选地、上述丙纶纤维网眼布由直径为200D～500D的丙纶纤维丝编织而成。这种丙纶纤维网眼布具有透水性好、耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐老化效果好的优势，使其适用于任何种类的污水处理。将上述丙纶纤维网眼布中丙纶纤维丝的直径控制为200D～500D能够保证丙纶纤维网眼布的具有足够的强度，以起到支撑作用，同时，在该范围内还具有耐用性好的优势，能够延长使用期限。

更为优选地，上述丙纶纤维网眼布的网眼孔径为0.5-1mm，网眼孔径不宜过小，网眼孔径过小会使得微生物和污染物不易通过，不利于位于芯层的生物活性碳纤维对微生物和污染物的吸附与过滤。网眼孔径也不宜过大，网眼孔径过大会造成生物活性碳纤维的外漏，进而降低污水净化效果。

在一种具体的方式中，上述生态碳纤维复合材料中生物活性碳纤维为：厚度为0.5～5mm的聚丙烯腈基生物活性碳纤维毡；厚度为0.5～5mm的粘胶基生物活性碳纤维毡；或者由喷吹法制备的沥青基生物活性碳纤维，丙纶纤维网眼布包括：超细丙纶纤维网眼布，由直径为200D～500D的丙纶纤维丝编织而成。

如图2所示，基于本发明所提供的生物碳纤维平板膜组件，本发明还提供了一种污水处理反应器，包括膜生物反应池18，膜生物反应池中包括平板膜组件，平板膜组件为上述生物碳纤维平板膜组件13。其中，膜生物反应池的体积大小以污水处理量及污染物浓度所需膜组件个数及体积而定。这种污水处理反应器，通过将本发明所提供的生物碳纤维平板膜组件13作为平板膜组件，具有吸附能力强，不易腐蚀，使用寿命长等优点，并减少了膜污染的问题。不仅利用自身的吸附能力净化水质，而且它表面所形成生物膜能在很大程度上去除CODcr、氨氮、总磷。

优选地，如图2所示，在一种具体的实施方式中，上述污水处理反应器包括接触氧化池6、膜生物反应池18、在线监测装置2和控制***3。在线监测装置2、接触氧化池6，以及膜生物反应池18依序连接。控制***3与线监测装置2相连，根据测量结果控制膜生物反应池18中与生物碳纤维平板膜组件13中出水口134相连的吸收泵16的开启与关闭。本发明所提供的这种污水处理反应器通过在线监测装置2和控制***3的协同作业，使得工艺参数易于控制，并可根据具体水质进行选择，节省不必要的处理步骤。

通常情况下，采用生物接触氧化池对污水进行处理即可得到较好的处理效果，因此当CODcr浓度不高于300mg/L时，只需接触氧化池即可达标排放，而当CODcr浓度高于300mg/L时，同时启动接触氧化池6和膜生物反应池18(MBR膜池)，亦可实现达标排放。

一种具体的方式中，采用在线监测装置2对污水中CODcr浓度进行测量，设定一个特定值，例如300mg/L。当污水中CODcr浓度不高于特定值时，膜生物反应池18的自吸泵16在控制***3的控制下关闭，污水由接触氧化池6内的生态碳纤维复合材料填料7吸附及填料7的挂膜微生物降解，处理完的水由重力作用流入沉淀池12，沉淀后的上层液体流入到膜生物反应池18，并通过膜生物反应池18上的出水口17流出。

当污水中的CODcr浓度高于特定值时，膜生物反应池18的自吸泵16在控制***3的控制下开启，污水经过生物接触氧化处理后，由重力作用流入沉淀池12，沉淀后的上层液体流入到膜生物反应池18，膜生物反应池18中生物碳纤维平板膜组件13在吸收泵16的作用下，对污水进行进一步净化，净化后的水从生物碳纤维平板膜组件13中衬板131上的出水口134流入吸收泵16，并由吸收泵16流出。

本发明所提供的各种污水处理反应器均采用连续进出水方式运行，地下排水口内污水由提升泵先提升至调节池和初沉池进行预处理，水位超过一定高度时，电子浮阀控制提升泵使其自动断电停止进水。预处理后，通过可调节流量的进水泵1控制接触氧化池6和/或膜生物反应池18进水。进水泵可以根据水量的要求调整，只需保证污水在接触氧化池中有足够的停留时间(一般为3到4小时，具体由实验确定)即可。另外，经接触氧化池6和/或膜生物反应池18净化后的净化水出水流至消毒池，经紫外消毒后的水可排放及回用。

在本发明所提供的污水处理反应器中，接触氧化池6和膜生物反应池18中都设有曝气孔9，曝气孔9与回转式鼓风机4相连，曝气采用连续曝气法，并通过流量计5控制曝气量保持接触氧化池及膜池内的溶解氧含量在2.5mg/L以上。在本发明所提供的污水处理反应器中，曝气方式由管式曝气机改为微孔曝气机或者其他类型的曝气机都可，只需保证水中溶解氧含量在2.5mg/L以上即可。

在本发明所提供的污水处理反应器中，接触氧化池6和沉淀池12还分别连接有排空阀10，用以放空接触氧化池6和沉淀池12中的残留的水和污泥。膜生物反应池18也可以通过排泥管达到同样的放空效果。

优选地，上述污水处理反应器中接触氧化池6中包括污水处理填料7，该污水处理填料7为生态碳纤维复合材料。

这种生态碳纤维复合材料包括：芯层、外层以及环状毛圈部，芯层由比表面积大于1300m²/g的生物活性碳纤维构成。其可由上述方法制备。该生态碳纤维复合材料是通过外层包裹在芯层的外周形成的。

将丙纶纤维网眼布作为外层包裹在芯层的外周形成生态碳纤维复合材料的一种方式为将丙纶纤维网眼布缠绕在生物活性碳纤维上形成生态碳纤维复合材料，另一种方式为将丙纶纤维网眼布分为第一块与第二块，将生物活性碳纤维放置在第一、第二块丙纶纤维网眼布之间，并将第一、第二块丙纶纤维网眼布的外周缝合，形成生态碳纤维复合材料。在缝合过程中采用丙纶纤维丝即可。

在实际应用过程中，接触氧化池中水处理填料通常采用可拆卸的不锈钢架固定，以便于填料的清洗。其中水处理填料优选为密度为10％～20％的生态碳纤维复合材料。密度在该范围内的填料具有挂膜速度快，费用经济的优势。另外，填料的用量根据具体水质而定，正常用量为填料及其表面挂膜的总体积与接触氧化池的体积比为10％到15％之间，一般不超过体积比的20％。

以下将结合具体实施例，进一步说明本发明生态碳纤维复合材料、其制备方法、包括其的生物碳纤维平板膜组件以及污水处理反应器的有益效果。

实施例1

原料：厚度为0.5mm聚丙烯腈纤维毡(问题同P47650)，直径为200D的丙纶纤维丝，和直径为150D的丙纶纤维丝和涤纶纤维丝(生产公司：常州邦冠化工有限公司)；过滤膜为聚偏氟乙烯(PVDF)

制备方法：

将聚丙烯腈纤维毡以3℃/分钟的速率逐渐升温至200℃后，进行50分钟的预氧化处理，形成预氧丝；将预氧丝在氮气气氛下，以10℃/分钟的速率逐渐升温至700℃后，以水蒸气作为活化剂，进行30分钟的炭化及活化处理，形成生物活性碳纤维。

将生物活性碳纤维在浓度为30％的过氧化氢溶液和浓度为26％的氨水溶液按照体积比1∶1混合形成的混合溶液中，采用频率为50KHz的超声波下处理10分钟，进行表面活性处理，形成待用生物活性碳纤维。

将生物活性碳纤维作为本发明生态碳纤维复合材料，将该生态碳纤维复合材料设置在衬板上，将过滤膜设置在生态碳纤维复合材料上形成生态碳纤维平板膜组件。

污水处理反应器：包括膜生物反应池，膜生物反应池中包括上述生态碳纤维平板膜组件。

实施例2

原料：粘胶纤维，直径为300D的丙纶纤维丝，和直径为300D的丙纶纤维丝和涤纶纤维丝(生产公司：鞍山塞诺达碳纤维有限公司)。过滤膜为聚偏氟乙烯(PVDF)。

制备方法：

将粘胶纤维以4℃/分钟的速率逐渐升温至250℃后，进行100分钟的预氧化处理，形成预氧丝；将预氧丝在氮气气氛下，以20℃/分钟的速率逐渐升温至750℃后，以水蒸气作为活化剂，进行60分钟的炭化及活化处理，形成生物活性碳纤维。

将生物活性碳纤维在浓度为30％的过氧化氢溶液中，采用频率为80KHz的超声波下处理30分钟，进行第一次表面活性处理；将完成第一次表面活性处理的生物活性碳纤维在浓度为25％的氨水溶液中，采用频率为80KHz的超声波下处理30分钟，进行第二次表面活性处理，形成待用生物活性碳纤维。

将直径为300D的丙纶纤维丝编织形成超细丙纶纤维网眼布，将丙纶纤维网眼布缠绕在待用生物活性碳纤维上形成本发明生态碳纤维复合材料。

将生态碳纤维复合材料设置在衬板上，将过滤膜设置在生态碳纤维复合材料上形成生态碳纤维平板膜组件。

污水处理反应器：包括膜生物反应池，膜生物反应池中包括上述生态碳纤维平板膜组件。

实施例3

原料：喷吹法制备的沥青纤维，直径为300D的丙纶纤维丝，和直径为300D的丙纶纤维丝和涤纶纤维丝(生产公司：鞍山塞诺达碳纤维有限公司)。过滤膜为聚偏氟乙烯(PVDF)。

制备方法：

将沥青纤维以4℃/分钟的速率逐渐升温至250℃后，进行100分钟的预氧化处理，形成预氧丝；将预氧丝在氮气气氛下，以20℃/分钟的速率逐渐升温至750℃后，以水蒸气作为活化剂，进行60分钟的炭化及活化处理，形成生物活性碳纤维。

将生物活性碳纤维在浓度为30％的过氧化氢溶液中，采用频率为80KHz的超声波下处理30分钟，进行第一次表面活性处理；将完成第一次表面活性处理的生物活性碳纤维在浓度为25％的氨水溶液中，采用频率为80KHz的超声波下处理30分钟，进行第二次表面活性处理，形成待用生物活性碳纤维。

将直径为500D的丙纶纤维丝编织形成超细丙纶纤维网眼布；将丙纶纤维网眼布缠绕在待用生物活性碳纤维上形成本发明生态碳纤维复合材料。

将生态碳纤维复合材料设置在衬板上，将过滤膜设置在生态碳纤维复合材料上形成生态碳纤维平板膜组件。

污水处理反应器：包括膜生物反应池和接触氧化池，膜生物反应池和接触氧化池同时开启，膜生物反应池中包括上述生态碳纤维平板膜组件，接触氧化池以上述制备的生态碳纤维复合材料作为水处理填料。

实施例4

原料：选湿法纺制的市售英国courtaulds公司生产的含90％以上的丙烯腈单体组分的聚丙烯腈共聚纤维(其单丝孔数为3000，纤度1.1旦(1.22dtex)，共聚物组分(按重量比)是：丙烯腈96、甲叉丁二酸1、丙烯酸钾酯3、平均含水率0.67％)。

制备方法：

将聚丙烯腈共聚纤维在220-280℃，热处理气氛为空气，进行不熔化处理，处理时间60分钟，升温速度1.0℃/分钟。纤维形变+10％，得到平衡含水率6.9％、纤维含氧量9.5％的聚丙烯腈不熔化纤维。将纤维在300-800℃下进行炭化与活化。控制炭化升温速率80℃/分钟，活化温度800℃，活化30分钟，获得生物活性碳纤维。

将直径为200D的丙纶纤维丝编织形成超细丙纶纤维网眼布。将丙纶纤维网眼布缠绕在待用生物活性碳纤维上形成本发明生态碳纤维复合材料。将生态碳纤维复合材料设置在衬板上，将过滤膜设置在生态碳纤维复合材料上形成生态碳纤维平板膜组件。

污水处理反应器：包括膜生物反应池和接触氧化池，膜生物反应池和接触氧化池同时开启，膜生物反应池中包括上述生态碳纤维平板膜组件，接触氧化池以碳素纤维生态草作为水处理填料。

对比例1

水处理填料：

原料：碳素纤维生态草，填料密度为20％。

平板膜组件：

原料：过滤膜为聚偏氟乙烯(PVDF)。

制备方法：将过滤膜设置在衬板上形成平板膜组件。

污水处理反应器：包括膜生物反应池和接触氧化池，膜生物反应池和接触氧化池同时开启，膜生物反应池中包括上述生态碳纤维平板膜组件，接触氧化池以上述制备的生态碳纤维复合材料作为水处理填料。

测试：采用实施例1-4所制备的污水处理反应器和由对比例1污水处理反应器对比样品1对污水进行。

1.1、采用实施例1-4中污水处理反应器和对比例1污水处理反应器对水产养殖污水进行净化处理，水产养殖污水的水质参数如表1所示，污水处理结果如表2所示。

表1

COD	SS(浊度)	氨氮	总磷
				121.6	2.3	1.66	0.55

表2

	样品1	样品2	样品3	样品4	对比样品1
						CODcr的去除率	90.40％	96.80％	81.20％	79.00％	83.64％
氨氮去除率	71.60％	73.60％	69.00％	70.1％	65.32％
						总磷去除率	54.32％	58.51％	50.33％	49.62％	46.28％

由表2中数据可知，在处理水质参数如表1的养殖废水的过程中，本发明所提供的污水处理反应器处理后的净化水的氨氮去除率以及总磷去除率能够符合养殖废水排放规定，且优于对比例污水处理反应器处理后的净化水。

1.2、采用实施例1-4污水处理反应器由对比例1污水处理反应器对印染废水进行净化处理，印染废水的水质参数如表3所示，污水处理结果如表4所示。印染废水好氧池进水数据

表3

COD	氨氮	色度
			800	60	45

表4

由表4中数据可知，在处理水质参数如表3的印染废水的过程中，本发明所提供的污水处理反应器处理后的净化水的CODcr的去除率和氨氮去除率都能符合印染废水的排放标准，其中氨氮去除率明显优于对比例污水处理反应器处理后的净化水。

2.3、采用实施例1-4所制备的样品1-4和由对比例1所制备的对比样品1对长春再生水进行净化处理，长春再生水的水质参数如表5所示，污水处理结果如表6所示。

表5

COD	氨氮	总磷	浊度
				64.04	9.656	1.252	23.62

表6

	样品1	样品2	样品3	样品4	对比样品1
						CODcr的去除率	55.32％	58.82％	49.97％	46.55％	37.04％

氨氮去除率	76.44％	78.63％	75.32％	72.39％	70.20％
						总磷去除率	55.63％	66.52％	49.28％	47.01％	43.44％
浊度去除率	82.87％	88.32％	79.36％	75.83％	76.60％

由表6中数据可知，在处理水质参数如表5的长春再生水的过程中，本发明所提供的污水处理反应器处理后的净化水的CODcr的去除率、氨氮去除率、总磷及浊度的去除率都符合城镇污水处理厂污水排放规定，其中氨氮去除率、总磷及浊度的去除率明显优于对比例污水处理反应器处理后的净化水。

综合表2、表4和表6中数据可以看出，本发明实施例1-4所制备的包括有生态碳纤维复合材料的生物碳纤维平板膜组件使用时，能够对各种污水进行处理，达到较好的处理效果，适于普及应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物碳纤维平板膜组件，其特征在于，包括： 

衬板（131）； 

生态碳纤维复合材料（132），设置在所述衬板（131）上，所述生态碳纤维复合材料（132）包括比表面积大于1300m²/g的生物活性碳纤维； 

过滤膜（133），设置在所述生态碳纤维复合材料（132）上的远离所述衬板（131）的一侧； 

所述生物活性碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为碳纤维原料，在3～5℃/分钟的速率下逐渐升温至200～300℃，进行50～150分钟的预氧化处理，形成预氧丝；所述预氧丝在氮气气氛下，以10～30℃/分钟的速率逐渐升温至700～800℃，以水蒸气作为活化剂，进行30～90分钟的炭化及活化处理制备而成； 

所述生物活性碳纤维在使用前进一步经过表面活性处理，所述表面活性处理的步骤包括在浓度为30%以下的过氧化氢溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第一次表面活性处理，然后在浓度为25～28％的氨水溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第二次表面活性处理。 

2.根据权利要求1所述的生物碳纤维平板膜组件，其特征在于，所述生态碳纤维复合材料（132）还包括丙纶纤维网眼布，所述丙纶纤维网眼布包裹在所述生物活性碳纤维的外周。 

3.根据权利要求2所述的生物碳纤维平板膜组件，其特征在于，所述丙纶纤维网眼布由直径为200D～500D的丙纶纤维丝编织而成。 

4.一种污水处理反应器，其特征在于，包括膜生物反应池（18），所述膜生物反应池中包括平板膜组件（13），所述平板膜组件（13）为权利要求1-3中任一项所述的生物碳纤维平板膜组件。 

5.根据权利要求4所述的污水处理反应器，其特征在于，还包括： 

接触氧化池（6）； 

在线监测装置（2），设置在所述接触氧化池（6）和膜生物反应池（18）的进水前端，用以监测所述污水的进水水质，且所述在线监测装置（2）、所述接触氧化池（6）和膜生物反应池（18）依序相连； 

控制***（3），根据所述在线监测装置（2）的监测结果，控制与所述生物碳纤维平板膜组件（13）相连的吸收泵的开启与关闭。 

6.根据权利要求5所述的污水处理反应器，其特征在于，所述接触氧化池（6）中包括水处理填料（7），所述水处理填料（7）为生态碳纤维复合材料，所述生态碳纤维复合材料（132）包括比表面积大于1300m²/g的生物活性碳纤维， 

所述生物活性碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为碳纤维原料，在3～5℃/分钟的速率下逐渐升温至200～300℃，进行50～150分钟的预氧化处理，形成预氧丝；所述预氧丝在氮气气氛下，以10～30℃/分钟的速率逐渐升温至700～800℃，以水蒸气作为活化剂，进行30～90分钟的炭化及活化处理制备而成； 

所述生物活性碳纤维在使用前进一步经过表面活性处理，所述表面活性处理的步骤包括在浓度为30%以下的过氧化氢溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第一次表面活性处理，然后在浓度为25～28％的氨水溶液中，采用频率为50～100KHz的超声波下处理10～60分钟，进行第二次表面活性处理。 

7.根据权利要求6所述的污水处理反应器，其特征在于，作为水处理填料（7）的所述生态碳纤维复合材料包括： 

芯层，由比表面积大于1300m²/g的生物活性碳纤维构成； 

外层，由丙纶纤维网眼布构成，所述外层包裹在所述芯层的外周。 

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