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1、10申请公布号CN104045149A43申请公布日20140917CN104045149A21申请号201410319602322申请日20140707C02F3/10200601C02F3/2820060171申请人中国科学院重庆绿色智能技术研究院地址400714重庆市北碚区方正大道266号72发明人范树迁黎静段宣明陈猷鹏郭劲松74专利代理机构北京同恒源知识产权代理有限公司11275代理人赵荣之54发明名称一种污水处理用生物填料57摘要本发明公开了一种污水处理用生物填料，该生物填料呈类蜂窝状球形，采用激光选区烧结方法成型，其比表面积3000，孔隙率90，表面粗糙度RA60UM，拉伸强度30。
2、MPA，弯曲强度20MPA，冲击强度3KJ/M2；所述类蜂窝状球形生物填料以12面体、16面体或32面体为基本拓扑向球面映射得到由5边或/和6边蜂窝组成的立体空心类蜂窝状球形结构，其中蜂窝是指12面体、16面体或32面体的单个面映射所得结构；映射时除12面体、16面体或32面体棱边外，其余部位均为空心结构。在满足污水处理力学性能要求的情况下，本发明生物填料具有极高的比表面积和良好的表面粗糙度，有利于生物膜的挂膜，提高污水处理效率。51INTCL权利要求书1页说明书9页附图6页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书9页附图6页10申请公布号CN104045149AC。
3、N104045149A1/1页21一种污水处理用生物填料，其特征在于所述生物填料呈类蜂窝状球形，其比表面积3000，孔隙率90，表面粗糙度RA60UM，拉伸强度30MPA，弯曲强度20MPA，冲击强度3KJ/M2。2根据权利要求1所述污水处理用生物填料，其特征在于，所述生物填料由激光选区烧结方法制得，包括以下步骤1、设计类蜂窝状球形生物填料的三维数字化模型；2、将步骤1的三维数字化模型进行分层离散并生成激光扫描路径，控制分层厚度为20100UM；3、将激光扫描路径输入激光选区烧结3D打印机；4、将粉末状原材料在工作台上按步骤2的分层厚度进行单层铺粉；5、在计算机的控制下，3D打印机按照扫描路径。
4、利用激光对步骤4所铺设的粉末材料进行烧结，烧结时激光器功率为20500W，光斑直径小于100UM；6、重复步骤4和5获得产品。3根据权利要求2所述污水处理用生物填料，其特征在于激光选区烧结制造所述生物填料时所用原材料为粒径为1001000目的PS、PET、PP、PVC、PA、PTFE或PEEK。4根据权利要求1所述污水处理用生物填料，其特征在于所述类蜂窝状球形生物填料以12面体、16面体或32面体为基本拓扑向球面映射得到由5边或/和6边蜂窝组成的立体空心类蜂窝状球形结构，其中蜂窝是指12面体、16面体或32面体的单个面映射所得结构；映射时除12面体、16面体或32面体棱边外，其余部位均为空心结。
5、构。5根据权利要求4所述污水处理用生物填料，其特征在于所述类蜂窝状球形生物填料直径为30MM、50MM、80MM、100MM或150MM。6根据权利要求4所述污水处理用生物填料，其特征在于所述类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁设有加强筋。7根据权利要求4所述污水处理用生物填料，其特征在于所述类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁上设有连通相邻蜂窝的连通孔。8根据权利要求4所述污水处理用生物填料，其特征在于所述类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁壁厚为0312MM。9根据权利要求4所述污水处理用生物填料，其特征在于所述类蜂窝状球形生物填料的蜂窝深度为球半径的1/32/3。权利要求书CN104045149A1/9页。
6、3一种污水处理用生物填料技术领域0001本发明属于污水处理领域，涉及一种污水处理用生物填料，特别涉及一种高比表面积，高孔隙率生物填料。背景技术0002目前，污水处理生物填料结构的比表面积，国外最大为700，国内为500；形状为类柱形或类球形，主要采用注塑成型的方法制造。0003但是，注塑成型所得到的生物填料结构表面光滑，但就水处理而言，表面积越大，表面粗糙度越大越有利于生物挂膜及膜生长，提高水处理效率；因此，为提高注塑所得生物填料的表面积，需要在填料的内部粘结放射状纤维；但该方法也存在工艺复杂，使用过程易脱落的问题。0004因此，有必要寻找一种一体化成型，同时具有高比表面积、较高的表面粗糙度和。
7、较高力学强度的新型生物填料。发明内容0005有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型污水处理用生物填料。0006为达到上述目的，本发明提供如下技术方案0007一种污水处理用生物填料，所述生物填料呈类蜂窝状球形，其比表面积3000，孔隙率90，表面粗糙度RA60UM，拉伸强度30MPA，弯曲强度20MPA，冲击强度3KJ/M2。0008作为本发明污水处理用生物填料的优选，所述生物填料由激光选区烧结方法制得，包括以下步骤00091、设计类蜂窝状球形生物填料的三维数字化模型；00102、将步骤1的三维数字化模型进行分层离散并生成激光扫描路径，控制分层厚度为20100UM；00113、将激光扫描路径输入。
8、激光选区烧结3D打印机；00124、将粉末状原材料在工作台上按步骤2的分层厚度进行单层铺粉；00135、在计算机的控制下，3D打印机按照扫描路径利用激光对步骤4所铺设的粉末材料进行烧结，烧结时激光器功率为20500W，光斑直径小于100UM；00146、重复步骤4和5获得产品。0015作为本发明污水处理用生物填料的优选，激光选区烧结制造所述生物填料时所用原材料为粒径为1001000目的PS、PET、PP、PVC、PA、PTFE或PEEK。0016作为本发明污水处理用生物填料的优选，所述类蜂窝状球形生物填料以12面体、16面体或32面体为基本拓扑向球面映射得到由5边或/和6边蜂窝组成的立体空心类。
9、蜂窝状球形结构，其中蜂窝是指12面体、16面体或32面体的单个面映射所得结构；映射时除12面体、16面体或32面体棱边外，其余部位均为空心结构。说明书CN104045149A2/9页40017作为本发明污水处理用生物填料的进一步优选，所述类蜂窝状球形生物填料直径为30MM、50MM、80MM、100MM或150MM。0018作为本发明污水处理用生物填料的进一步优选，所述类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁设有加强筋。0019作为本发明污水处理用生物填料的进一步优选，所述类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁上设有连通相邻蜂窝的连通孔。0020作为本发明污水处理用生物填料的进一步优选，所述类蜂窝状球形生物填料。
10、的蜂窝侧壁壁厚为0312MM。0021作为本发明污水处理用生物填料的进一步优选，所述类蜂窝状球形生物填料的蜂窝深度为球半径的1/32/3。0022本发明的有益效果在于在满足污水处理力学性能要求的情况下，本发明生物填料具有极高的比表面积和良好的表面粗糙度，有利于生物膜的挂膜，提高污水处理效率；本发明的生物填料进一步设置了连通孔和加强筋等介观结构，可以增强填料结构的稳定性并进一步提高结构的比表面积；本发明的生物填料结构以12面体、16面体、32面体等典型多面体为基本拓扑向球面映射为基本几何结构，构造5边或6边的立体空心类蜂窝状球形生物填料结构，不仅结构新颖，而且具有群的中心对称和旋转对称性，各向同。
11、性度高，有利于提高生物填料的通透性，即提高生物膜与水体之间的物质交换能力；同时在保持基底静止、水体流动的情况下，避免生物填料之间的相互机械碰撞，有利于提高基底的循环使用寿命；本发明的生物填料所用原材料简单易得，降低了产品成本。附图说明0023为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明0024图1为实施例1中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0025图2为实施例2中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0026图3为实施例3中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0027图4为实施例4中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0028图5为实施例5中激光。
12、选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0029图6为实施例6中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0030图7为实施例7中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0031图8为实施例8中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0032图9为实施例9中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0033图10为实施例10中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0034图11为实施例11中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0035图12为实施例12中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0036图13为实施例13中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0037图14为实施例14中激光选区。
13、烧结SLS所得生物填料结构模型；0038图15为实施例15中激光选区烧结SLS所得生物填料结构模型；0039图16为实施例1中激光选区烧结SLS所得生物填料照片；说明书CN104045149A3/9页50040图17为实施例15中激光选区烧结SLS所得生物填料照片；0041图18为本发明生物填料污水处理实验后的实物照片厌氧生物处理；0042图19为本发明生物填料污水处理实验后的实物照片好氧生物处理；0043图20为采用本发明的激光选区烧结SLS所得生物填料的部分实物照片。具体实施方式0044下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。0045以下实施例将公开一种污水处理用生物填料，该生。
14、物填料呈类蜂窝状球形，其比表面积3000，孔隙率90，表面粗糙度RA60UM，拉伸强度30MPA，弯曲强度20MPA，冲击强度缺口强度3KJ/M2；该类蜂窝状球形生物填料以12面体、16面体或32面体为基本拓扑向球面映射得到由5边或/和6边蜂窝组成的立体空心类蜂窝状球形结构，其中蜂窝是指12面体、16面体或32面体的单个面映射所得结构；映射时除12面体、16面体或32面体棱边外，其余部位均为空心结构。0046进一步，所述生物填料由激光选区烧结SLS方法制得，激光选区烧结SLS时所用原材料为粒径为1001000目的PS、PET、PP、PVC、PA、PTFE或PEEK。0047特别的，类蜂窝状球形。
15、生物填料直径为30MM、50MM、80MM、100MM或150MM；其蜂窝深度为球半径的1/32/3，蜂窝侧壁壁厚为0312MM。0048实施例10049本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图1所示，该类蜂窝状球形生物填料以32面体为基本拓扑向球面映射得到由5边和6边蜂窝组成的立体空心类蜂窝状球形结构，映射时除32面体棱边外，其余部位均为空心结构。0050本实施例中，所述生物填料由激光选区烧结SLS方法制得，激光选区烧结SLS时所用原材料为粒径为500目的PS。0051本实施例所得类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数如表1所示0052表1实施例1类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数0053直径10。
16、0MM厚度05MM深度25MM1/2半径表面积67390MM2体积14969MM3比表面积4500质量15G孔隙率971说明书CN104045149A4/9页60054如表1所示，本实施例类蜂窝状球形生物填料直径为100MM；其蜂窝深度为球半径的1/2，蜂窝侧壁壁厚为05MM，质量为15G；其比表面积为4500，孔隙率为971，远高于普通生物填料。0055图16为实施例1中激光选区烧结SLS所得生物填料照片，经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度35MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0056实施例20057本实施例的类蜂窝状球。
17、形生物填料结构如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例类蜂窝状球形生物填料直径为50MM；本实施例所得类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数如表2所示0058表2实施例1类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数0059直径50MM厚度05MM深度125MM1/2半径表面积17218MM2体积3153MM3比表面积5461质量35G孔隙率95200600061如表2所示，其蜂窝深度为球半径的1/2，蜂窝侧壁壁厚为05MM，质量为35G；其比表面积为5461，孔隙率为952，远高于普通生物填料。0062经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度35MPA，弯曲强。
18、度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0063实施例30064本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的类蜂窝状球形生物填料蜂窝深度为球半径的1/3。0065经过检测，本实施例的所制得的类蜂窝状球形生物填料质量为12G；其表面积为50530MM2，体积为11723MM3，比表面积为4310，孔隙率为978。0066经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度为RA为70UM，拉伸强度35MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0067实施例40068本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图4所示，本实施例与实施。
19、例2的区别说明书CN104045149A5/9页7在于，本实施例的类蜂窝状球形生物填料蜂窝深度为球半径的1/3。0069经过检测，本实施例的所制得的类蜂窝状球形生物填料质量为26G；其表面积为12979MM2，体积为2536MM3，比表面积为5118，孔隙率为961。0070经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度35MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0071实施例50072本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的类蜂窝状球形生物填料蜂窝深度为球半径的2/3。0073经过检测，本实施。
20、例的所制得的类蜂窝状球形生物填料质量为17G；其表面积为79287MM2，体积为17014MM3，比表面积为4660，孔隙率为968。0074经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度35MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0075实施例60076本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图6所示，本实施例与实施例2的区别在于，本实施例的类蜂窝状球形生物填料蜂窝深度为球半径的2/3。0077经过检测，本实施例的所制得的类蜂窝状球形生物填料质量为35G；其表面积为20246MM2，体积为3470MM3，比表面积为5835，孔隙率为947。0。
21、078经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度35MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0079实施例70080本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的类蜂窝状球形生物填料蜂窝侧壁壁厚为1MM，且本实施例类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁设有连通相邻蜂窝的连通孔。0081经过检测，本实施例的所制得的类蜂窝状球形生物填料质量为19G；其表面积为53048MM2，体积为18610MM3，比表面积为2851，孔隙率为965。0082经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70U。
22、M，拉伸强度37MPA，弯曲强度28MPA，冲击强度缺口强度为33KJ/M2。0083实施例80084本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图8所示，本实施例与实施例2的区别在于，本实施例类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁上设有连通相邻蜂窝的连通孔，且本实施例的类蜂窝状球形生物填料蜂窝深度为球半径的1/3。0085经过检测，本实施例的所制得的类蜂窝状球形生物填料质量为19G；其表面积为9973MM2，体积为1810MM3，比表面积为5510，孔隙率为972。0086经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度33MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ。
23、/M2。0087实施例90088本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图9所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁上设有连通相邻蜂窝的连通孔。0089经过检测，本实施例的所制得的类蜂窝状球形生物填料质量为95G；其表面积为说明书CN104045149A6/9页89375MM2，体积为9375MM3，比表面积为5513，孔隙率为982。0090经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度33MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0091实施例100092本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图10所示，本实施。
24、例与实施例2的区别在于，本实施例类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁上设有连通相邻蜂窝的连通孔。0093经过检测，本实施例的所制得的类蜂窝状球形生物填料质量为25G；其表面积为13262MM2，体积为2326MM3，比表面积为5700，孔隙率为964。0094经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度33MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0095实施例110096本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图11所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁上设有连通相邻蜂窝的连通孔，且本实施例的类蜂窝状球形生物填料。
25、蜂窝深度为球半径的2/3。0097经过检测，本实施例的所制得的类蜂窝状球形生物填料质量为11G；其表面积为64086MM2，体积为10649MM3，比表面积为6018，孔隙率为980。0098经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度33MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0099实施例120100本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图12所示，本实施例与实施例2的区别在于，本实施例类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁上设有连通相邻蜂窝的连通孔，且本实施例的类蜂窝状球形生物填料蜂窝深度为球半径的2/3。0101经过检测，本实施例的所制得的。
26、类蜂窝状球形生物填料质量为30G；其表面积为17121MM2，体积为2889MM3，比表面积为5926，孔隙率为96。0102经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为70UM，拉伸强度33MPA，弯曲强度25MPA，冲击强度缺口强度为32KJ/M2。0103实施例130104本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图13所示，该类蜂窝状球形生物填料以16面体为基本拓扑向球面映射得到由5边和6边蜂窝组成的立体空心类蜂窝状球形结构，映射时除16面体棱边外，其余部位均为空心结构。0105本实施例中，所述生物填料由激光选区烧结SLS方法制得，激光选区烧结SLS时所用原材料为粒径为200。
27、目的PTFE。0106本实施例所得类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数如表3所示0107表3本实施例类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数0108直径30MM厚度1MM说明书CN104045149A7/9页9深度75MM1/2半径表面积4461MM2体积1479MM3比表面积3016质量20G孔隙率895最小间距62MM0109如表3所示，本实施例类蜂窝状球形生物填料直径为30MM；其蜂窝深度为球半径的1/2，蜂窝侧壁壁厚为1MM，质量为2G；其表面积为4461，体积为1479，比表面积为4500，孔隙率为971。0110经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为60UM，拉伸强度。
28、40MPA，弯曲强度30MPA，冲击强度缺口强度为34KJ/M2。0111实施例140112本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图14所示，本实施例与实施例13的区别在于，本实施例中，类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁壁厚为05MM。0113本实施例所得类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数如表4所示0114表4本实施例类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数0115直径30MM厚度05MM深度75MM1/2半径表面积4375MM2体积732MM3比表面积5977质量10G孔隙率948最小间距65MM0116如表4所示，本实施例类蜂窝状球形生物填料直径为30MM；其蜂窝深度为球半径的1/2，蜂窝侧壁壁厚为0。
29、5MM，质量为1G；其表面积为4375，体积为732，比表面积为5977，说明书CN104045149A8/9页10孔隙率为948。0117经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为60UM，拉伸强度37MPA，弯曲强度28MPA，冲击强度缺口强度为33KJ/M2。0118实施例150119本实施例的类蜂窝状球形生物填料结构如图15所示，本实施例与实施例14的区别在于，本实施例中，类蜂窝状球形生物填料的蜂窝侧壁设有加强筋。0120本实施例所得类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数如表5所示0121表5实施例15类蜂窝状球形生物填料形状及性能参数0122直径30MM厚度05MM深度。
30、75MM1/2半径表面积5520MM2体积959MM3比表面积5756质量10G孔隙率932最小间距65MM0123如表5所示，本实施例类蜂窝状球形生物填料直径为30MM；其蜂窝深度为球半径的1/2，蜂窝侧壁壁厚为05MM，质量为1G；其表面积为5520，体积为959，比表面积为5756，孔隙率为932。0124图17为实施例15中激光选区烧结SLS所得生物填料照片，经检测，本实施例制得的类蜂窝状球形生物填料的表面粗糙度RA为60UM，拉伸强度37MPA，弯曲强度29MPA，冲击强度缺口强度为33KJ/M2。0125从上述实施例可以看出，本发明的生物填料比表面积3000，孔隙率90，表面粗糙度。
31、RA60UM，拉伸强度30MPA，弯曲强度20MPA，冲击强度缺口强度3KJ/M2；具有极高的比表面积和良好的表面粗糙度，有利于生物膜的挂膜，提高污水处理效率；0126图18和图19均为本发明生物填料污水处理实验后的实物照片，其中图18为厌氧生物处理，图19为好氧生物处理；从图18和/或19可以看出本发明生物填料作为污水处理生物膜载体具有极好的挂膜效率。0127图20为采用本发明的激光选区烧结SLS所得生物填料的部分实物照片，可以看出，本发明所得填料具有群的中心对称和旋转对称性，各向同性度高，有利于提高生物填料说明书CN104045149A109/9页11的通透性，即提高生物膜与水体之间的物质。
32、交换能力；同时在保持基底静止、水体流动的情况下，避免生物填料之间的相互机械碰撞，有利于提高基底的循环使用寿命。0128需要说明的是，虽然上述实施例仅公开了以16面体或32面体为基本拓扑得到的类蜂窝状球形生物填料，本领域技术人员应当理解，若采用其他多面体结构也可以得到类似的结果；另外，激光选区烧结SLS时所用原材料还可以是粒径为1001000目的PS、PET、PP、PVC、PA、PTFE或PEEK；进一步的，若制得的类蜂窝状球形生物填料直径为30150MM，蜂窝深度为球半径的1/32/3，蜂窝侧壁壁厚为0312MM时均具有较好的使用效果。0129最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术。
33、方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。说明书CN104045149A111/6页12图1图2图3图4说明书附图CN104045149A122/6页13图5图6图7图8说明书附图CN104045149A133/6页14图9图10图11图12说明书附图CN104045149A144/6页15图13图14图15图16说明书附图CN104045149A155/6页16图17图18说明书附图CN104045149A166/6页17图19图20说明书附图CN104045149A17。