申请日2019.08.19
公开(公告)日2019.11.15
IPC分类号C02F3/10; C02F3/28; C02F3/30; C02F9/14
摘要
本发明提供了一种超亲水生物相容碳纤维及无污泥MBR污水处理系统，碳纤维包括碳纤维原丝及生长分布于碳纤维原丝表面的亲水性聚合物层。无污泥MBR污水处理系统包括生化系统及与其相连的膜过滤系统;生化系统包括厌氧区和好氧区，厌氧区和好氧区分别悬挂超亲水生物相容碳纤维;膜过滤系统包括膜组件和膜池;膜组件至少设置一组，放置于同一个膜池，或者分置于多个膜池中。将超亲水生物相容碳纤维用于无污泥MBR污水处理系统，不仅提高了对污水中有机污染物的生化降解能力和降解效率，同时可有效解决目前MBR系统运行过程中大量污泥废弃物产生所带来的二次污染问题，大大拓宽MBR系统在污水治理中的作用，具有良好的市场应用前景。
权利要求书
1.一种超亲水生物相容碳纤维，其特征在于，所述碳纤维包括碳纤维原丝及生长分布于碳纤维原丝表面的亲水性聚合物层;所述亲水性聚合物层所使用的材料具有生物相容性。
2.如权利要求1所述的超亲水生物相容碳纤维，其特征在于，所述亲水性聚合物层的主体材质是聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮;所述亲水性聚合物层厚度不大于10纳米;所述亲水性聚合物层占超亲水生物相容碳纤维的质量比不大于2%。
3.制备权利要求1-2任一项所述的一种超亲水生物相容碳纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置亲水性聚合物溶液;
所述亲水性聚合物溶液为质量比0.5-5%的聚乙烯醇水溶液或质量比0.2-2%的接枝有硅烷偶联剂的聚乙烯吡咯烷酮的有机溶剂/水的混合溶液;
所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯、磷酸三甲酯、二甲亚砜、甲基吡咯烷酮、乙醇的一种或多种的混合物;所述有机溶剂与水的体积比为8:2-3:7;
(2)将碳纤维原丝用乙醇浸泡润湿后，浸渍于步骤(1)配置的亲水性聚合物溶液中10分钟-1小时;
(3)将碳纤维取出后转移到交联溶液中，20-80℃温度下静置放置10-24小时，然后取出用水清洗，即得一种超亲水生物相容碳纤维;
当所述亲水性聚合物溶液为质量比0.5-5%的聚乙烯醇水溶液时，所述交联剂溶液为质量比0.5-5%的戊二醛、乙醛、甲醛或丁二醛的水溶液;
当所述亲水性聚合物溶液为质量比0.2-2%的接枝有硅烷偶联剂的聚乙烯吡咯烷酮的有机溶剂/水的混合溶液时，所述交联剂溶液为pH值0-4的水溶液。
4.一种无污泥MBR污水处理系统，其特征在于，包括生化系统及与其相连的膜过滤系统;
所述生化系统包括厌氧区和好氧区，厌氧区和好氧区分别悬挂权利要求1-2所述的超亲水生物相容碳纤维;
所述膜过滤系统包括膜组件和膜池;所述膜组件至少设置一组，放置于同一个所述膜池，或者分置于多个所述膜池中。
5.根据权利要求4所述的一种无污泥MBR污水处理系统，其特征在于，所述超亲水相容碳纤维成水草根系状悬挂分布在水体中。
6.根据权利要求4所述的一种无污泥MBR污水处理系统，其特征在于，所述膜组件包括微滤膜、超滤膜或纳滤膜。
说明书
一种超亲水生物相容碳纤维及无污泥MBR污水处理系统
技术领域
本发明属于污水处理领域，尤其涉及一种超亲水生物相容碳纤维及其改性方法，以及其在无污泥MBR污水处理系统中的应用方法。
背景技术
膜分离技术已发展为水处理技术的核心关键。尤其膜生物反应器(MBR)的推广应用，为污水处理技术的推进作出了巨大的贡献。MBR运行的先决条件是实现活性污泥的培养，同时在运行过程中，需要频繁的投入大量药剂和各类添加剂。调查研究发现，MBR系统产生的大量污泥，其主要成分是细菌细胞质，有机物浓度高，正引起日益严重的环境二次污染，已成为亟待解决的环境问题。只有从源头控制，最大程度的减少污泥产生量，才能突破MBR技术的瓶颈。
在MBR工艺优化研究中，研究人员发现在MBR系统的生化段加入填料可有效降低污泥的产生。尤其是活性炭材料，具有比表面积大、吸附能力强等特点，有望成为MBR系统中生物的良好生长载体。而其中又以碳纤维作为第三代活性炭材料，比一般活性炭材料具有更加丰富和发达的孔隙结构，具有更高的吸附容量和更快的吸脱附速度。中国专利(201110254266.5)通过将碳纤维固定在反应器中与活性污泥共同作用，使处理效率提高20%-25%，降低运行费用10%-15%;中国专利(201310598558.X)在厌氧区悬挂碳纤维，将MBR和生物载体装置合理结合，设计了一体化MBR膜生物反应器，有效降低了设备占地面积和运行成本。然而，目前市场供应的碳纤维，都是通过高温烧制后得到，其表面大多表现为疏水性或差的亲水性。在生物培养过程中，往往存在微生物挂膜效率低，挂膜稳定性差等不足。因此，目前大部分应用中都需要将碳纤维与活性污泥联合使用。如中国专利(201810555925.0)公开了一种基于活性污泥-生物活性碳纤维联合法处理印染废水的方法，其需要将活性污泥用含有营养物质的水溶液培养6-8天已达到所需的活性污泥浓度，再将活性污泥加入到生物反应器中，实现微生物在碳纤维上的挂膜;而中国专利(201610116697.8)通过在碳纤维毡上方布置布水器，减少微生物附着在碳纤维毡上后受到的水流扰动，以提高微生物的附着稳定性，减少微生物膜的脱落。中国专利(201610993049.0)采用电化学方法，对碳纤维表面进行活化处理，调控纤维表面的荷电性，有效提高了碳纤维的生物相容性。但众所周知，电化学方法的能耗非常高，同时其过程伴有极大的环境污染风险。
因此，开发快捷、低成本、方法简单的碳纤维改性技术，提高碳纤维的亲水性和生物相容性，对实现碳纤维在MBR系统中的推广应用，实现从源头控制，最大程度的减少污泥产生量，仍有非常大的提升空间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于无污泥MBR系统中生化系统所需的高效载菌挂膜的超亲水生物相容的碳纤维界面改性技术及其在无污泥MBR系统中的应用。该超亲水生物相容碳纤维是通过界面吸附交联，在碳纤维原丝表面原位交联生长形成具有优异亲水性和生物相容性的聚合物纳米层，大幅度提高了碳纤维的亲水性和生物相容性，显著缩短微生物的生化培养时间，大幅度减少或避免生化过程中活性污泥的生产，实现了无污泥MBR系统设计。
为了实现上述目的，本发明提供一种超亲水生物相容碳纤维，所述碳纤维包括碳纤维原丝及生长分布于碳纤维原丝表面的亲水性聚合物层;所述亲水性聚合物层所使用的材料具有生物相容性。
进一步的，所述亲水性聚合物层的主体材质是聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮;所述亲水性聚合物层厚度不大于10纳米;所述亲水性聚合物层占超亲水生物相容碳纤维的质量比不大于2%。
本发明还提供一种超亲水生物相容碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)配置亲水性聚合物溶液;
所述亲水性聚合物溶液为质量比0.5-5%的聚乙烯醇水溶液或质量比0.2-2%的接枝有硅烷偶联剂的聚乙烯吡咯烷酮的有机溶剂/水的混合溶液;
所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯、磷酸三甲酯、二甲亚砜、甲基吡咯烷酮、乙醇的一种或多种的混合物;所述有机溶剂与水的体积比为8:2-3:7;
(2)将碳纤维原丝用乙醇浸泡润湿后，浸渍于步骤(1)配置的亲水性聚合物溶液中10分钟-1小时;
(3)将碳纤维取出后转移到交联溶液中，20-80℃温度下静置放置10-24小时，然后取出用水清洗，即得一种超亲水生物相容碳纤维;
当所述亲水性聚合物溶液为质量比0.5-5%的聚乙烯醇水溶液时，所述交联剂溶液为质量比0.5-5%的戊二醛、乙醛、甲醛或丁二醛的水溶液;
当所述亲水性聚合物溶液为质量比0.2-2%的接枝有硅烷偶联剂的聚乙烯吡咯烷酮的有机溶剂/水的混合溶液时，所述交联剂溶液为pH值0-4的水溶液。
进一步的，本发明还提供了一种基于超亲水生物相容碳纤维的无污泥MBR污水处理系统。
所述无污泥MBR污水处理系统，包括生化系统及与其相连的膜过滤系统;
所述生化系统包括厌氧区和好氧区，厌氧区和好氧区分别悬挂所述超亲水生物相容碳纤维;
所述膜过滤系统包括膜组件和膜池;所述膜组件至少设置一组，放置于同一个所述膜池，或者分置于多个所述膜池中。
进一步的，所述超亲水相容碳纤维成水草根系状悬挂分布在水体中。
进一步的，所述膜组件包括但不限于微滤膜、超滤膜和纳滤膜。
有益效果：本发明通过在碳纤维原丝表面原位交联生长形成具有优异亲水性和生物相容性的聚合物纳米层，在大幅度提高碳纤维的亲水性和生物相容性的同时有效的保留了碳纤维原有的大表面积特性。经过改性后的超亲水生物相容碳纤维表现出高孔隙率、高吸附能力和易挂膜等优点，可显著缩短微生物的生化培养时间，微生物挂膜速度快，挂膜量大，可在3天内完成微生物挂膜，其微生物膜固着量达到1.5克干重/每克载体以上。经本发明技术改性后的超亲水生物相容碳纤维保留了碳纤维原丝质轻、高强度、耐酸碱、耐氧化等特点，具有优异的再生利用特性，可大幅度减少或避免生化过程中活性污泥的生产，从源头控制，实现无污泥MBR系统的可行设计。通过本发明技术的实施，不仅进一步提高了MBR系统对污水中有机污染物的生化降解能力和降解效率，同时可有效解决目前MBR系统运行过程中大量污泥废弃物产生所带来的环境二次污染问题，大大拓宽未来MBR系统在污水治理中的作用，具有良好的市场应用前景。（发明人熊竹;贺永）