一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器的制作方法

本發明屬于水處理技術領域，具體涉及一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器。

背景技術：

隨著經濟的快速發展，環境形勢日益嚴峻，自然資源短缺和固體廢物污染環境的雙重壓力，嚴重威脅著人類的生存和生活。固體廢物資源化程度低，一般不到20％，而其余的80％作為廢物排放造成環境污染，因此，綜合利用固體廢物，實現資源化和無害化，越來越引起人們的重視。生物炭是農林廢棄物等生物質材料在缺氧或者無氧條件下通過熱化學反應得到的一種富炭固體產物，孔隙結構發達、吸附能力強，其環境效益及經濟效益已在國內外受到廣泛關注。微濾主要用于從氣相和液相懸浮液中截留微粒、細菌及其他污染物，以達到凈化、分離和濃縮等目的。可將此技術應用與生物轉盤的案例很少。

生物轉盤是生物膜處理工藝中的一種，傳統的生物轉盤存在著附著生物膜易脫落、處理效率低、能耗偏高等缺點，目前針對自帶填料式的生物轉盤改進研究不多。同時將生物轉盤與微濾技術結合的案例也很少。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器及其制備方法，利用農林固體廢物制成的生物炭作為填充物置于微濾生物轉盤中處理污水，同時降低了填料的成本，提高生物轉盤的污水處理效率。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器，包括中空橫狀轉盤、微濾膜套筒、端蓋、進水轉軸和磁性生物炭；

所述中空橫狀轉盤是在一個實心圓柱體的中心軸上開有一個貫穿實心圓柱體的通道，形成一個中空柱體，在中空柱體的壁上等距切割掉多個相同的扇形體一，得到多個扇形體二，在扇形體二上沿中空柱體軸向挖除扇形體，形成中空結構的扇形體三，最終得到所述中空橫狀轉盤；所述中空橫狀轉盤的外壁上均開有透水孔A，所述扇形體三與所述通道之間通過透水孔B連通；

所述微濾膜套筒套于所述中空橫狀轉盤之上，微濾膜套筒與中空橫狀轉盤長度相等；所述端蓋的數量為兩個，端蓋套于微濾膜套筒的兩端，端蓋與微濾膜套筒通過螺釘固定；

所述進水轉軸穿過其中一個端蓋中央的轉軸穿孔后進入所述中空橫狀轉盤的通道中，并從另一個端蓋中央的轉軸穿孔穿出；進水轉軸的長度大于中空橫狀轉盤的長度；進水轉軸為中空結構，進水轉軸位于中空橫狀轉盤的通道中的部分開有透水孔C，所述透水孔C與所述透水孔B對應開設；

所述磁性生物炭填充于所述扇形體三內。

進一步，所述中空橫狀轉盤為PVC材質，長為300～600mm，所述通道的直徑為60～100mm，中空橫狀轉盤的外徑為通道直徑的5～10倍。

進一步，所述進水轉軸的材質為合金結構鋼，外徑為60～100mm，內徑比外徑小4～6mm，長度比中空橫狀轉盤長400～600mm，所述進水轉軸上透水孔C的孔隙率為30％～50％。

進一步，所述扇形體一的長度與中空橫狀轉盤的長度相等，扇形體一的內圓半徑比進水轉軸的外徑大20～40mm，扇形體一對應的圓心角的角度為15°～30°；所述扇形體一的數量為4～6個。

進一步，所述的扇形體三的長度與中空橫狀轉盤的長度相等，扇形體三的內圓半徑與扇形體一的內圓半徑相等，扇形體三的外圓半徑比扇形體一的外圓半徑小20～40mm，扇形體三對應的圓心角的角度與扇形體二對應的圓心角的角度相等，扇形體三對應的圓心角的角平分線與扇形體二對應的圓心角的角平分線重合；扇形體二的側壁壁厚為20～40mm。

進一步，所述中空橫狀轉盤的外壁上的透水孔A的孔半徑為3～5mm，孔隙率為50～70％。

進一步，所述的微濾膜套筒由最內層到最外層依次為支撐層一、格網層一、微濾膜層、格網層二、支撐層二；支撐層一、格網層一、微濾膜層、格網層二、支撐層二的長度均與所述中空橫狀轉盤的長度相等。

進一步，所述的支撐層一與支撐層二均為PE材質，支撐層一與支撐層二均為中空圓柱體狀，支撐層一與支撐層二厚度均為3～5mm；支撐層一與支撐層二內外表面上均勻分布透水孔D，透水孔D的孔徑均為1～3mm，孔隙率均為75～90％；

所述微濾膜層的材質為PVDF、PES或PP，微濾膜層總厚度為20～30mm；微濾膜層上透水孔E的孔徑為0.15～0.45μm，在25℃、0.1MPa下，微濾膜層(12)的水通量>500L/m²·h；

所述的格網層一與格網層二均為PE材質，格網層一與格網層二的厚度均為0.8～1.2mm，孔徑為2.8～3.2mm，孔隙率>80％。

進一步，所述端蓋為PVC材質的桶狀圓柱，一端敞開，另一端的轉軸穿孔與所述進水轉軸外徑相同，端蓋壁厚為0.8～1.2mm，端蓋內徑與微濾膜套筒的外徑相等，長度為100～200mm。

進一步，所述磁性生物炭是由粒度大于中空扇形體上的透水孔孔徑3～6mm的廢棄果殼在缺氧和溫度低于600℃下熱解而成的生物炭進行磁化改性而得，在中空扇形體內填充率為20％～50％。

所述的磁性生物炭的制備方法如下：

①向重金屬離子廢水中添加二價鐵離子和三價鐵離子，所述二價鐵離子與廢水中其他二價金屬離子的摩爾比大于2，所述三價鐵離子與廢水中其他三價金屬離子的摩爾比大于7.5，廢水中總的三價金屬離子與總的二價金屬離子摩爾比的范圍為1.3～1.8，得處理后廢水。

②將選用的生物炭在不斷攪拌下放入pH小于3的強酸溶液中，攪拌15～20min后，陳化反應50～60min，再將生物炭洗滌、干燥，得酸改性生物炭。

③步驟②中所述酸改性生物炭在不斷攪拌下，加入步驟①中所述處理后廢水中常溫下吸附反應50～60min，固液分離得吸附重金屬的生物炭。

④將吸附重金屬的生物炭浸沒于pH≥10的強堿溶液中，攪拌均勻后常溫反應10～20min，固液分離、洗滌、干燥，得磁性生物炭填料。

本發明的有益效果：

(1)本發明所述的一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器制備所用原料為重金屬離子廢水處理產物和農林廢棄物，實現了固體廢物的再利用。減少了環境污染，為固體廢物的處理提供一種新的思路。

(2)本發明所述的一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器的填充填料為磁性生物炭，對微生物具有磁催化作用，可以增強生物反應器內微生物的活性，使微生物降解污染物的能力和生物反應器的降解效率得到提高，且在降低填料的成本的同時提高反應器的污水處理效率。

(3)本發明所述的一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器外加微濾膜套筒，出水水質好。

附圖說明

圖1為本發明所述的基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器的結構示意圖；

圖2為發明所述的中空橫狀轉盤的結構示意圖；

圖3為發明所述的微濾膜套筒的結構示意圖；

圖4為發明所述的端蓋的結構示意圖。

圖中：1～中空橫狀轉盤，2～微濾膜套筒，3～端蓋，4～進水轉軸，5～磁性生物炭，6～透水孔A，7～扇形體一，8～扇形體二，9～扇形體三，10～支撐層二，11～格網層二，12～微濾膜層，13～格網層一，14～支撐層一，15～轉軸穿孔

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述：

如圖1～4所示，一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器，包括中空橫狀轉盤1、微濾膜套筒2、端蓋3、進水轉軸4和磁性生物炭5；

所述中空橫狀轉盤1是在一個實心圓柱體的中心軸上開有一個貫穿實心圓柱體的通道，形成一個中空柱體，在中空柱體的壁上等距切割掉多個相同的扇形體一7，得到多個扇形體二8，在扇形體二8上沿中空柱體軸向挖除扇形體，形成中空結構的扇形體三9，得到所述中空橫狀轉盤1；所述中空橫狀轉盤1的外壁上均開有透水孔A6，所述扇形體三9與所述通道之間通過透水孔B連通；

所述微濾膜套筒2套于所述中空橫狀轉盤1之上，微濾膜套筒2與中空橫狀轉盤1長度相等；所述端蓋3的數量為兩個，端蓋3套于微濾膜套筒2的兩端，端蓋3與微濾膜套筒2通過螺釘固定；

所述進水轉軸4穿過其中一個端蓋3中央的轉軸穿孔15后進入所述中空橫狀轉盤1的通道中，并從另一個端蓋3中央的轉軸穿孔15穿出；進水轉軸4的長度大于中空橫狀轉盤1的長度；進水轉軸4為中空結構，進水轉軸4位于中空橫狀轉盤1的通道中的部分開有透水孔C，所述透水孔C與所述透水孔B對應開設；

所述磁性生物炭5填充于所述扇形體三9內。

所述中空橫狀轉盤1為PVC材質，長為300～600mm，所述通道的直徑為60～100mm，中空橫狀轉盤1的外徑為通道直徑的5～10倍。

所述進水轉軸4的材質為合金結構鋼，外徑為60～100mm，內徑比外徑小4～6mm，長度比中空橫狀轉盤長400～600mm，所述進水轉軸4上透水孔C的孔隙率為30％～50％。

所述扇形體一7的長度與中空橫狀轉盤1的長度相等，扇形體一7的內圓半徑比進水轉軸4的外徑大20～40mm，扇形體一7對應的圓心角的角度為15°～30°；所述扇形體一7的數量為4～6個。

所述的扇形體三9的長度與中空橫狀轉盤1的長度相等，扇形體三9的內圓半徑與扇形體一7的內圓半徑相等，扇形體三9的外圓半徑比扇形體一7的外圓半徑小20～40mm，扇形體三9對應的圓心角的角度與扇形體二8對應的圓心角的角度相等，扇形體三9對應的圓心角的角平分線與扇形體二8對應的圓心角的角平分線重合；扇形體二8的側壁壁厚為20～40mm。

所述中空橫狀轉盤1的外壁上的透水孔A6的孔半徑為3～5mm，孔隙率為50～70％。

所述的微濾膜套筒2由最內層到最外層依次為支撐層一14、格網層一13、微濾膜層12、格網層二11、支撐層二10；支撐層一14、格網層一13、微濾膜層12、格網層二11、支撐層二10的長度均與所述中空橫狀轉盤1的長度相等。

所述的支撐層一14與支撐層二10均為PE材質，支撐層一14與支撐層二10均為中空圓柱體狀，支撐層一14與支撐層二10厚度均為3～5mm；支撐層一14與支撐層二10內外表面上均勻分布透水孔D，透水孔D的孔徑均為1～3mm，孔隙率均為75～90％；

所述微濾膜層12的材質為PVDF、PES或PP，微濾膜層12總厚度為20～30mm；微濾膜層12上透水孔E的孔徑為0.15～0.45μm，在25℃、0.1MPa下，微濾膜層12的水通量>500L/m²·h；

所述的格網層一13與格網層二11均為PE材質，格網層一13與格網層二11的厚度均為0.8～1.2mm，孔徑為2.8～3.2mm，孔隙率>80％。

所述端蓋3為PVC材質的桶狀圓柱，一端敞開，另一端的轉軸穿孔15與所述進水轉軸4外徑相同，端蓋壁厚為0.8～1.2mm，端蓋3內徑與微濾膜套筒2的外徑相等，長度為100～200mm。

所述磁性生物炭5是由粒度大于中空扇形體上的透水孔孔徑3～6mm的廢棄果殼在缺氧和溫度低于600℃下熱解而成的生物炭進行磁化改性而得，在中空扇形體內填充率為20％～50％。

實施例1

S1：中空橫狀轉盤1：

中空橫狀轉盤1是在一個實心圓柱體的中心軸上開有一個貫穿實心圓柱體的通道，形成一個中空柱體，在中空柱體的壁上等距切割掉多個相同的扇形體一7，得到多個扇形體二8，在扇形體二8上沿中空柱體軸向挖除扇形體，形成中空結構的扇形體三9后而形成的。中空橫狀轉盤1為PVC材質，長為300mm，通道直徑為60mm，中空橫狀轉盤1的外徑為通道直徑的5倍。扇形體一7的長度與中空橫狀轉盤1的長度相等，扇形體一7的內圓半徑比進水轉軸4的外徑大20mm，扇形角度為30°。扇形體三9的長度與中空橫狀轉盤1相等，扇形體三9的內圓半徑與扇形體一7的內圓半徑相等，扇形體三9的外圓半徑比扇形體一7的外圓半徑小20mm，扇形角度與扇形體二8的扇形角度相等，且扇形體三9對應的圓心角的角平分線與扇形體二8對應的圓心角的角平分線重合。扇形體二8的側壁壁厚為20mm。透水孔A6孔的半徑為3mm，孔隙率為50％。

S2：微濾膜套筒2；

微濾膜套筒2最里層到最外層分別為支撐層一14、格網層一13、微濾膜層12、格網層二11、支撐層二10，其長度均與中空橫狀轉盤1長度相同。

1支撐層

支撐層一14與支撐層二10均為PE材質，支撐層一14與支撐層二10均為中空圓柱體狀，內外表面上均勻分布透水孔D，孔徑為1mm，孔隙率為75％；其中，支撐層一14與支撐層二10的厚度均為3mm。

2格網層

格網層一13與格網層二11均為PE材質，厚度為0.8mm，孔徑約為2.8mm，孔隙率為85％。

3微濾膜層

微濾膜層12材質為PVDF，膜孔徑為0.15μm，微濾膜層12總厚度為20mm。

S3：磁性生物炭5的制備

1向重金屬離子廢水中添加二價鐵離子和三價鐵離子，所述二價鐵離子與廢水中其他二價金屬離子的摩爾比為2.5，所述三價鐵離子與廢水中其他三價金屬離子的摩爾比為8.5，廢水中總的三價金屬離子與總的二價金屬離子摩爾比的范圍為1.3，得處理后廢水；

2將選用的生物炭在不斷攪拌下放入pH為2的強酸溶液中，攪拌15min后，陳化反應50min，再將生物炭洗滌、干燥，得酸改性生物炭；

3步驟2中所述酸改性生物炭在不斷攪拌下，加入步驟1中所述處理后廢水中常溫下吸附反應50min，固液分離得吸附重金屬的生物炭；

4將吸附重金屬的生物炭浸沒于pH為11的強堿溶液中，攪拌均勻后常溫反應10min，固液分離、洗滌、干燥，得磁性生物炭填料。

S4：進水轉軸4

進水轉軸4轉軸主體為中空圓柱，材質為合金結構鋼，外徑為60mm，內徑比外徑小4mm，長度比中空橫狀轉盤1長400mm；其側壁上開有透水孔C，孔隙率30％。

S5：端蓋3

端蓋3為PVC材質的桶狀圓柱，一端敞開，另一端中心位置開有直徑與中心進水轉軸外徑相同的圓孔，端蓋壁厚為0.8mm，內徑與微濾膜套筒2的外徑相同，長度為100mm。

將S4中的進水轉軸4與S1中的中空橫狀轉盤1的通道固定形成帶軸的中空橫狀轉盤，再沿中心軸線方向將S2中的微濾膜套筒2套在中空橫狀轉盤1外部，保證中空橫狀轉盤1的中心軸線與S2中微濾膜套筒2完全重合，再沿著該軸線方向套入一個端蓋3固定好，將改性后的磁性生物炭5填充到S1中的扇形體三9內，填充率為20％。再將另一端固定上另一個端蓋3，就形成了一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器。

實施例2

S1：中空橫狀轉盤1：

中空橫狀轉盤1是在一個實心圓柱體的中心軸上開有一個貫穿實心圓柱體的通道，形成一個中空柱體，在中空柱體的壁上等距切割掉多個相同的扇形體一7，得到多個扇形體二8，在扇形體二8上沿中空柱體軸向挖除扇形體，形成中空結構的扇形體三9后而形成的。中空橫狀轉盤1為PVC材質，長為600mm，通道直徑為100mm，中空橫狀轉盤1的外徑為通道直徑的10倍。扇形體一7的長度與中空橫狀轉盤1的長度相等，扇形體一7的內圓半徑比進水轉軸4的外徑大40mm，扇形角度為15°。扇形體三9的長度與中空橫狀轉盤1相等，扇形體三9的內圓半徑與扇形體一7的內圓半徑相等，扇形體三9的外圓半徑比扇形體一7的外圓半徑小40mm，扇形角度與扇形體二8的扇形角度相等，且扇形體三9對應的圓心角的角平分線與扇形體二8對應的圓心角的角平分線重合。扇形體二8的側壁壁厚為40mm。透水孔A6的半徑為5m，孔隙率為70％。

S2：微濾膜套筒2；

微濾膜套筒2最里層到最外層分別為支撐層一14、格網層一13、微濾膜層12、格網層二11、支撐層二10，其長度均與中空橫狀轉盤1長度相同。

1支撐層

支撐層一14與支撐層二10均為PE材質，支撐層一14與支撐層二10均為中空圓柱體狀，內外表面上均勻分布透水孔D，孔徑為3mm，孔隙率為90％；其中，支撐層一14與支撐層二10的厚度均為5mm。

2格網層

格網層一13與格網層二11均為PE材質，厚度為1.2mm，孔徑約為3.2mm，孔隙率90％。

3微濾膜層

微濾膜層12材質為PES，膜孔徑為0.45μm，微濾膜層12總厚度為30mm。

S4：磁性生物炭5的制備

1向重金屬離子廢水中添加二價鐵離子和三價鐵離子，所述二價鐵離子與廢水中其他二價金屬離子的摩爾比為3，所述三價鐵離子與廢水中其他三價金屬離子的摩爾比為8.5，廢水中總的三價金屬離子與總的二價金屬離子摩爾比的范圍為1.8，得處理后廢水；

2將選用的生物炭在不斷攪拌下放入pH為3的強酸溶液中，攪拌20min后，陳化反應60min，再將生物炭洗滌、干燥，得酸改性生物炭；

3步驟2中所述酸改性生物炭在不斷攪拌下，加入步驟1中所述處理后廢水中常溫下吸附反應60min，固液分離得吸附重金屬的生物炭；

4將吸附重金屬的生物炭浸沒于pH為11的強堿溶液中，攪拌均勻后常溫反應20min，固液分離、洗滌、干燥，得磁性生物炭填料。

S4：進水轉軸4

進水轉軸4轉軸主體為中空圓柱，材質為合金結構鋼，外徑為100mm，內徑比外徑小6mm，長度比中空橫狀轉盤1長600mm；其側壁上開有透水孔C，孔隙率50％。

S5：端蓋3

端蓋3為PVC材質的桶狀圓柱，一端敞開，另一端中心位置開有直徑與中心進水轉軸外徑相同的圓孔，端蓋壁厚為1.2mm，內徑與微濾膜套筒2的外徑相當，長度為200mm。

將S4中的進水轉軸4與S1中的中空橫狀轉盤1的通道固定形成帶軸的中空橫狀轉盤，再沿中心軸線方向將S2中的微濾膜套筒2套在中空橫狀轉盤1外部，保證中空橫狀轉盤1的中心軸線與S2中微濾膜套筒2完全重合，再沿著該軸線方向套入一個端蓋3固定好，將改性后的磁性生物炭5填充到S1中的扇形體三9內，填充率為50％。再將另一端固定上另一個端蓋3，就形成了一種基于磁性生物炭的旋轉式微濾膜反應器。

采用實施例1和實施例2所制的基于固體廢物的磁性生物炭微濾轉盤反應器處理城市生活污水，其中兩磁性管狀生物膜反應器的實驗條件相同，曝氣量0.1m³/h，進水pH 7.7，溫度25℃，水力停留時間8h。掛膜一個月后，實施例1所制磁性管狀生物膜反應器中COD的去除率能達到86.3％，氨氮的去除率能達到76.7％；實施例2所制磁性管狀生物膜反應器中COD的去除率能達到89.5％，氨氮的去除率能達到74.6％；處理效果較好。

所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。