一种高比表面积的水生态物滤装置及其制备方法.pdf

本发明涉及水处理技术领域，具体为一种高比表面积的水生态物滤装置及其制备方法。本发明的滤布区由疏松滤布区和紧密滤布区两部分构成，形成分段式的水生态物滤装置，疏松滤布区适合体积相对较大的藻类附着生长，使疏松滤布区上藻菌共生，而紧密滤布区则可附着生长大量的菌类。疏松滤布和紧密滤布均是由静电纺丝法制得的纳米纤维无纺布，不仅纳米纤维表面存在纳米气孔，纳米纤维之间也形成了许多纳米微孔，使疏松滤布和紧密滤布具有很大的比表面积，并具有很强的吸附力及良好的过滤性和保温性。在疏松滤布区和紧密滤布区的表面涂布一层纳米陶瓷粉末或陶瓷颗粒，可进一步增大滤布区的比表面积，更有利于土著菌种和藻类在滤布区上生长繁殖。

权利要求书
1.  一种高比表面积的水生态物滤装置，包括悬浮套管、滤布区和宽带 条，所述悬浮套管设在滤布区的上端，所述宽带条设在滤布区的下端，其特 征在于，所述滤布区由疏松滤布区和紧密滤布区构成，所述疏松滤布区由疏 松滤布构成，所述紧密滤布区由紧密滤布构成；所述疏松滤布的孔径大于紧 密滤布的孔径；所述疏松滤布和紧密滤布均为纳米纤维无纺布。

2.  根据权利要求1所述一种高比表面积的水生态物滤装置，其特征在 于,所述疏松滤布和紧密滤布中均含有生物酶促进剂和微生物亲和物质。

3.  根据权利要求2所述一种高比表面积的水生态物滤装置，其特征在 于,所述生物酶促进剂为铁粉；所述微生物亲和物质为骨粉、淀粉和纤维素 中的至少一种。

4.  根据权利要求2所述一种高比表面积的水生态物滤装置，其特征在 于,所述疏松滤布区和紧密滤布区的表面均涂有一层纳米陶瓷粉末或陶瓷颗 粒。

5.  根据权利要求1-4任一项所述一种高比表面积的水生态物滤装置， 其特征在于,所述紧密滤布区的下端还设有坠重管件。

6.  根据权利要求5所述一种高比表面积的水生态物滤装置，其特征在 于,所述宽带条为纳米纤维无纺布，宽带条与紧密滤布区的下边沿连接，所 述坠重管件位于宽带条的上方。

7.  一种如权利要求1所述高比表面积的水生态物滤装置的制备方法， 其特征在于,包括以下步骤：
S1、将亲水高分子聚合物溶于有机溶剂中形成纺丝液，然后通过静电纺 丝机将纺丝液制成纳米纤维膜；接着通过水刺法将纳米纤维膜制成疏松滤布 和紧密滤布；
S2、将疏松滤布的下端与紧密滤布的上端缝接在一起形成滤布区，然后 在疏松滤布的上端缝制悬浮套管，在紧密滤布的下端由下往上剪切使在紧密 下滤布的下端形成宽带条。

8.  根据权利要求7所述一种高比表面积的水生态物滤装置的制备方 法，其特征在于,步骤S1中，所述的纺丝液中含有生物酶促进剂和微生物亲 和物质，所述生物酶促进剂和微生物亲和物质的总质量为纺丝液质量的 2-10％。

9.  根据权利要求8所述一种高比表面积的水生态物滤装置的制备方 法，其特征在于,还包括步骤S3，在紧密滤布区和疏松滤布区的表面涂布一 层纳米陶瓷粉末或陶瓷颗粒。

10.  根据权利要求9所述一种高比表面积的水生态物滤装置的制备方 法，其特征在于,还包括步骤S4，在紧密滤布区的下端及宽带条的上方安设 坠重管件。

说明书一种高比表面积的水生态物滤装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种高比表面积的水生态物滤 装置及其制备方法。
背景技术
自然界中的水体一般都具有一定的自净能力，当污染源的污染物排放量 较少时，水体通过自净能力能使污染物的浓度逐渐下降，从而恢复到原有状 态。水体的自净主要是通过水中土著的微生物在好氧和/或厌氧条件下将有 机污染物和/或无机污染物降解为二氧化碳、水、氮、磷等无机物，降解后 的物质一部分释放到空气中，一部分被水体中的植物、藻类吸收。然而，随 着工业的快速发展及人口的急剧膨胀，越来越多的污染物，特别是自然界原 本没有的人工合成物进入到水体中，使得水体中污染物的浓度大大超过水体 的自净能力，破坏了水体原有的生态平衡。其中，表现得较为典型的是近年 来被广为关注的氮磷引起的水体富营养化和有机物污染引起的水体恶臭等。
目前，治理水体富营养化和有机物污染的方法主要有物理法、化学法和 生物-生态法等。其中，化学法容易产生二次污染，且剂量难以掌握；物理 方法(如底泥疏浚)费用较高，并存在一些难以克服的弊病。利用生物-生 态法治理氮、磷、有机物污染水体是目前的趋势,如以生态学理论为指导， 在受污染的水体中引入水生态物滤装置，以水生态物滤装置作为水体中有益 微生物生长的良好载体，大量培养土著微生物形成生物膜，利用生物膜截留 和捕食藻类并综合降解污染物，实现水质的直接净化。但是，现有的水生态 物滤装置的净化效率较低，有待进一步提高其净化效率。
发明内容
本发明针对现有的水生态物滤装置的净化效率较低的问题，通过改进水 生态物滤装置的结构及材料，提供一种具有比表面积高、净化效率高的水生 态物滤装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，
一种高比表面积的水生态物滤装置，包括悬浮套管、滤布区和宽带条， 所述悬浮套管设在滤布区的上端，所述宽带条设在滤布区的下端，所述滤布 区由疏松滤布区和紧密滤布区构成，所述疏松滤布区由疏松滤布构成，所述 紧密滤布区由紧密滤布构成；所述疏松滤布的孔径大于紧密滤布的孔径；所 述疏松滤布和紧密滤布均为纳米纤维无纺布。
所述疏松滤布和紧密滤布中均含有生物酶促进剂和微生物亲和物质。优 选的，所述生物酶促进剂为铁粉；所述微生物亲和物质为骨粉、淀粉和纤维 素中的至少一种。
所述疏松滤布区和紧密滤布区的表面均涂有一层纳米陶瓷粉末或陶瓷 颗粒。
所述疏松滤布区由6-20层疏松滤布构成，所述紧密滤布区由6-20层紧 密滤布构成。
所述紧密滤布区的下端还设有坠重管件。
所述宽带条为纳米纤维无纺布，宽带条与紧密滤布区的下边沿连接，所 述坠重管件位于宽带条的上方。
以上所述高比表面积的水生态物滤装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、将亲水高分子聚合物溶于有机溶剂中形成纺丝液，然后通过静电纺 丝机将纺丝液制成纳米纤维膜；接着通过水刺法将纳米纤维膜制成疏松滤布 和紧密滤布。
优选的，所述亲水高分子聚合物为聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇、 乙烯-乙烯醇共聚物中的至少一种；所述的纺丝液中含有生物酶促进剂和微 生物亲和物质，所述生物酶促进剂和微生物亲和物质的总质量为纺丝液质量 的2-10％。
S2、将疏松滤布的下端与紧密滤布的上端缝接在一起形成滤布区，然后 在疏松滤布的上端缝制悬浮套管，在紧密滤布的下端由下往上剪切使在紧密 滤布的下端形成宽带条。
优选的，将6-20层疏松滤布叠在一起用作疏松滤布区，将6-20层紧密 滤布叠在一起用作紧密滤布区，然后将疏松滤布区的下端与紧密滤布区的上 端缝接在一起形成滤布区。
优选的，在宽带条的剪切止口处设一条横缝线，用于加固宽带条与紧密 滤布区的连接，并防止使用过程中宽带条的剪切止口处受外力作用向上撕 裂，导致宽带条越来越长而紧密滤布区的高度越来越短。
优选的，还包括步骤S3和S4：
S3、在疏松滤布区和紧密滤布区的表面涂布一层纳米陶瓷粉末或陶瓷颗 粒。
S4、在紧密滤布区的下端及宽带条的上方安设坠重管件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的滤布区由疏松滤布区 和紧密滤布区两部分构成，形成分段式的水生态物滤装置，疏松滤布区适合 体积相对较大的藻类附着生长，使疏松滤布区上藻菌共生，而紧密滤布区则 可附着生长大量的菌类。疏松滤布和紧密滤布均是由静电纺丝法制得的纳米 纤维无纺布，不仅纳米纤维表面存在纳米气孔，纳米纤维之间也形成了许多 纳米微孔，使疏松滤布和紧密滤布具有很大的比表面积，并具有很强的吸附 力及良好的过滤性和保温性。在疏松滤布区和紧密滤布区的表面涂布一层纳 米陶瓷粉末或陶瓷颗粒，可进一步增大滤布区的比表面积，更有利于水体中 的土著菌种和藻类在滤布区上生长繁殖。滤布区由6-20层的纳米纤维无纺 布叠加构成，既显著增大了滤布区的比表面积，又不会影响水体的流动。疏 松滤布和紧密滤布中所含的生物酶促进剂和微生物亲和物质，使疏松滤布和 紧密滤布具有更好的微生物亲和性。设置宽带条和坠重管件，可使水生态物 滤装置稳定在水中，不被水流或曝气气流冲起，在水中不飘浮摇动，有利于 生物多样性的培殖，使水生态物滤装置在处理污水的过程中形成上部以藻类 为主而下部以菌类为主的生态降解系统。本发明的水生态物滤装置的结构科 学合理，操作简单，可应用于湖泊、河道等水体的治理以及生活废水、工业 废水的处理，净化效率高。
附图说明
图1为实施例1中水生态物滤装置的结构示意图。
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技 术方案作进一步介绍和说明。
实施例1
参照图1，本实施例提供一种高比表面积的水生态物滤装置，以及该种 水生态物滤装置的制备方法。所述的水生态物滤装置包括一悬浮套管1、一 疏松滤布区21、一紧密滤布区22、一坠重管件3和若干宽带条4。
疏松滤布区21呈方形，高为600mm，宽为2000mm，其由10层呈方形的 疏松滤布(600mm×2000mm)叠合在一起构成。紧密滤布区22呈方形，高为 1100mm，宽为2000mm，其由10层呈方形的紧密滤布(1100mm×2000mm)叠 合在一起构成。疏松滤布和紧密滤布均为纳米纤维无纺布，并且含有生物酶 促进剂和微生物亲和物质，同时疏松滤布的孔径大于紧密滤布的孔径。疏松 滤布区21的下端与紧密滤布区22的上端缝接在一起构成滤布区2。此外， 在疏松滤布区21和紧密滤布区22的表面均涂有一层纳米陶瓷粉末。
在滤布区2的上端，即疏松滤布区21的上端缝制一悬浮套管1，该悬浮 套管1用于穿绳或穿杆，以将水生态物滤装置固定在水中。在滤布区2的下 端，即紧密滤布区22的下端设置若干宽带条4(高为800mm，宽为300mm)， 宽带条4也由纳米纤维无纺布制成。在宽带条4与紧密滤布区22的连接处 缝制一条缝线5，用于加固宽带条4，防止宽带条4往上撕裂。在紧密滤布 区22的下端及缝线5(或宽带条4)的上方设置一坠重管件3，使水生态物 滤装置可稳定在水中，不被水流或曝气气流冲起，在水中不飘浮摇动。
本实施例的高比表面积的水生态物滤装置由以下方法制得：
(1)制作疏松滤布和紧密滤布
分别取铁粉、淀粉和骨粉并加入丙醇的水溶液(丙醇与水的体积比为 7:3)中，混合均匀得初液；然后向初液中加入乙烯-乙烯醇共聚物，溶解后 形成含生物酶促进剂和微生物亲和物质的纺丝液。所述纺丝液中，乙烯-乙 烯醇共聚物的质量百分比为80％，铁粉、淀粉和骨粉的质量百分比之和为5％。
采用静电纺丝法将纺丝液制成纳米纤维膜。具体为：通过计量泵将的纺 丝液打入高压静电纺丝机的喷嘴中，纺丝过程中纺丝电压设为10-40kV，孔 板距离设为20-30cm。纺丝溶液在电场力的作用下从高压静电纺丝机的毛细 管喷嘴喷出，在运动的过程中发生裂分，形成无数细小的纤维，同时由于有 机溶剂的挥发形成纳米纤维并被收集在铜板电极上，吸附在电极板上的超细 纤维相互缠绕，形成含生物酶促进剂和生物亲和物质的纳米纤维膜。所制得 的纳米纤维膜中，纳米纤维的直径范围是80-400nm，规格为50-100g/m2。
接着，采用水刺法(射流喷网成布法)将纳米纤维膜制成孔径大小不同 的两种滤布，即疏松滤布和紧密滤布。制备疏松滤布的具体参数为：水刺压 力设为6MPa，受水针作用的时间为6min，针孔板上的孔径为200μm，水针 板上的大孔密度为24个/cm，制得的疏松滤布的孔径为180～200μm。制备 紧密滤布的具体参数为：水刺压力设为30MPa，受水针作用的时间为15min， 针孔板上的孔径为80μm，水针板上的大孔密度为2个/cm，制得的紧密滤布 的孔径为60～80μm。所制得的紧密滤布和疏松滤布的幅宽均为2m，长度均 为50m。用卷绕机器将制得的紧密滤布和疏松滤布分别缠绕成卷，备用。
(2)将疏松滤布裁剪成600mm×2000mm的小方块，然后将10块疏松滤 布层叠在一起用作疏松滤布区21，将紧密滤布裁剪成1100mm×2000mm的小 方块，然后将10块紧密滤布层叠在一起用作紧密滤布区22。将疏松滤布区 21的下端与紧密滤布区22的上端缝接在一起形成滤布区2。
在滤布区2的上端设置悬浮套管1，即将疏松滤布区21上端的疏松滤布 折叠并缝制成一条悬浮套管1。在滤布区2的下端设置若干宽带条4，即在 紧密滤布区22下端的紧密滤布上，右下往上剪切，使紧密滤布的下端形成 若干布条(长为800mm，宽为300mm)，即宽带条4。然后在宽带条4与紧密 滤布区22的连接处缝制一条缝线5，即在宽带条4的剪切止口处设一条横向 的缝线5，用于加固宽带条4与紧密滤布区22的连接，并防止使用过程中剪 切止口处受外力作用向上撕裂，导致宽带条4越来越长而紧密滤布区22的 高度越来越短。清洁干净后，制得半成品。
(3)在半成品的表面按10g/m2的量均匀涂布一层纳米陶瓷粉末，显著 增大半成品的比表面积。
(4)在紧密滤布区22的下端及宽带条4的上方安设坠重管件3，制得 水生态物滤装置。坠重套管3用于安装坠重物，宽条带4和坠重套管3的作 用是使水生态物滤装置不被水流或曝气气流冲起。
由于水体表面可接受阳光照射，且溶解氧浓度较高，有利于藻类繁殖， 上部设为疏松滤布层，为藻类生长提供有利条件，藻类的生长可以吸收水中 的氮、磷，共生的土著菌类也可降解水中的氮、磷及有机污染物；水体底部 由于污染物积聚，污染物浓度较高，溶解氧浓度较低，适合菌类繁殖，下部 设为紧密滤布层，以大量发展菌类微生物，快速降解污染物。
实施例2
本实施例提供一种高比表面积的水生态物滤装置，以及该种水生态物滤 装置的制备方法。本实施例的水生态物滤装置的结构与实施例1的水生态物 滤装置的结构相同，制备方法也基本一致，不同之处仅在于：在制备疏松滤 布和紧密滤布时，纺丝液中的铁粉、淀粉和骨粉的总质量为纺丝液质量的2％。
实施例3
本实施例提供一种高比表面积的水生态物滤装置，以及该种水生态物滤 装置的制备方法。本实施例的水生态物滤装置的结构与实施例1的水生态物 滤装置的结构相同，制备方法也基本一致，不同之处仅在于：在制备疏松滤 布和紧密滤布时，纺丝液中的铁粉、淀粉和骨粉的总质量为纺丝液质量的 10％。
在其它实施方案中，疏松滤布区和紧密滤布区还可以由6-20层的疏松 滤布或紧密滤布构成；并且在滤布区表面涂布的还可以是陶瓷颗粒。而纺丝 液中的亲水高分子聚合物还可以是聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇、乙烯 -乙烯醇共聚物中的至少一种；纺丝液中添加的微生物亲和物质还可以是骨 粉、淀粉和纤维素中的至少一种。所制疏松滤布和紧密滤布的长度和幅宽还 可以是其它尺寸，所制滤布的尺寸根据生产需要而定，如幅宽为1.6-3.5m。
比较例1
本比较例提供一种高比表面积的水生态物滤装置，以及该种水生态物滤 装置的制备方法。本实施例的水生态物滤装置的结构与实施例1的水生态物 滤装置的结构相同，制备方法也基本一致，不同之处仅在于：在制备疏松滤 布和紧密滤布时，纺丝液中的铁粉、淀粉和骨粉的总质量为纺丝液质量的 13％。
比较例2
本比较例提供一种高比表面积的水生态物滤装置，以及该种水生态物滤 装置的制备方法。本实施例的水生态物滤装置的结构与实施例1的水生态物 滤装置的结构相同，制备方法也基本一致，不同之处仅在于：在制备疏松滤 布和紧密滤布时，纺丝液中铁粉、淀粉和骨粉由乙烯-乙烯醇共聚物替代， 即纺丝液中不含铁粉、淀粉和骨粉。
比较例3
本比较例提供一种高比表面积的水生态物滤装置，该水生态物滤装置的 结构、尺寸及材料与实施例的水生态物滤装置基本相同，不同之处仅在于： 滤布区均为紧密滤布区，即将实施例1所述的疏松滤布区用紧密滤布制作。
比较例4
本比较例提供一种高比表面积的水生态物滤装置，该水生态物滤装置的 结构、尺寸及材料与实施例的水生态物滤装置基本相同，不同之处仅在于： 滤布区均为疏松滤布区，即将实施例1所述的紧密滤布区用疏松滤布制作。
应用上述实施例1-3和比较例1-4的水生态物滤装置进行治理试验。所 治理的水体的水质为劣ⅴ类水，治理时，水生态物滤装置的投用面积(m2) 与水体体积(m3)之比为1:10。水生态物滤装置投放一周，观察水生态物滤 装置的挂膜情况。3个月后检测水体的各项指标。治理前后水体的各项指标 如下表所示。
  DO CODcr BOD5 氨氮 TP TN 挂膜情况 施工前 0 74 40 30 1.89 34   实施例1 1.7 21.9 8.1 4.5 0.37 5.8 挂膜 实施例2 1.4 22.5 8.5 5.3 0.51 6.4 挂膜 实施例3 1.5 22.1 8.5 4.9 0.49 6.1 挂膜 比较例1 1.3 25.1 9.3 5.9 0.66 7.5 挂膜 比较例2 0.6 32 15 7.8 0.84 11 未挂膜 比较例3 0.7 28.4 12.1 6.9 0.71 9 挂膜 比较例4 0.7 27.3 10.7 6.4 0.73 10 挂膜
上表中，施工前后水质的各项指标的单位均为mg/mL。
以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容 易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延 伸或再创造，均受本发明的保护。