本發(fā)明涉及一種基于石墨烯疊層填料的生物膜污水處理方法，屬于環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域及碳材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

城鎮(zhèn)生活污水及工業(yè)污水是造成水污染的主要原因，全球超過(guò)80%的廢水未獲得有效處理，導(dǎo)致人類用水安全及水生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。因此，如何通過(guò)污水處理手段，去除廢水中的有害物質(zhì)，變廢為益，是當(dāng)前社會(huì)面對(duì)的亟待解決的共同課題。生物膜法污水處理技術(shù)以其制作工藝簡(jiǎn)單、除污效率高的優(yōu)勢(shì)在治理點(diǎn)源污染和面源污染方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。生物膜方法主要是利用附著于掛膜填料之上的生物細(xì)菌對(duì)污水中的有害元素進(jìn)行有效生物分解，使廢水中的氮、磷等元素恢復(fù)到正常濃度的技術(shù)手段。生物膜是包含好氧菌、兼性好氧菌、厭氧菌、真菌、藻類等微生物構(gòu)成的微型生態(tài)系統(tǒng)。掛膜填料的選擇與設(shè)計(jì)是生物膜處理方法的關(guān)鍵，根據(jù)掛膜填料在污水反應(yīng)器中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分移動(dòng)式填料與固定式填料。掛膜填料選擇的優(yōu)劣將影響是否造成生物膜過(guò)厚、結(jié)球、堵塞填料床。目前常用的移動(dòng)式填料主要包括石英砂、天然沸石、活性炭、聚乙條、聚丙煉、聚氨酯泡沫體等，大多數(shù)是比表面積大、疏水性好填料，通常為多孔球狀、蜂窩狀、圓筒狀或粒狀。石墨烯材料是一種二維碳材料，具有極大的比表面積大（2630m²/g）和較高的疏水性。如果將六邊形網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)的石墨烯疊層作為掛膜填料，生物膜中的微生物將更多更容易附著在上面，與無(wú)機(jī)、有機(jī)污染物更充分的作用。此外，石墨烯疊層的法向機(jī)械強(qiáng)度有限，當(dāng)生物膜反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)積累過(guò)厚時(shí)，將自行斷裂進(jìn)入回收器，不會(huì)造成填料器堵塞的現(xiàn)象。

本發(fā)明提出利用石墨烯疊層作為生物膜掛膜填料，去除污水氮、磷等元素，解決水體富養(yǎng)問(wèn)題的新方法。與常見(jiàn)掛膜填料相比，具有制備簡(jiǎn)單、成本低、易回收的特點(diǎn)，在環(huán)保應(yīng)用及理論方面具有重要價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及將一種基于石墨烯疊層填料的生物膜污水處理方法，利用該方法可以促進(jìn)點(diǎn)源水污染與面源水污染的水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，強(qiáng)化生活污水及工業(yè)污水的自我凈化功能，促進(jìn)退化水質(zhì)的好轉(zhuǎn)，縮短污水治理周期。

本發(fā)明將石墨烯疊層作為生物膜方法的掛膜填料，生物膜附著在石墨烯薄膜上面形成微型生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)石墨烯疊層厚度的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)附著力的調(diào)節(jié)。污水與生物膜接觸后，微生物與無(wú)機(jī)、有機(jī)污染物發(fā)生生化反應(yīng)，達(dá)到水體生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。

本發(fā)明基于石墨烯疊層填料的生物膜污水處理方法，包括以下步驟：

（1）、確定反應(yīng)池：模擬生活污水，用自來(lái)水配制反應(yīng)池,溶解氧為8~10mg/L、PH值為6~8、氮為2~7mg/L、磷為0.5~1.2mg/L、BOD 6~70mg/L、CODMn為10~12mg/L、CODcr30~40mg/L、Ca²⁺為0.05mg/L、Fe³⁺為0.02mg/L、Mg²⁺為0.015mg/L。

（2）、確定石墨烯疊層填充料參數(shù)：采用的石墨烯疊層面積為10mm×10mm，厚度為0.5~1um。疊層之間通過(guò)范德華力連接，疊層越厚表面吸附力越弱，可根據(jù)污水中氮、磷元素的濃度來(lái)調(diào)整石墨烯疊層厚度，以滿足要求。

（3）、確定生物膜組成成分：生物膜包含厭氧層（0.05mm厚度）、兼性好氧層（0.05mm厚度）、好氧層（0.05mm厚度）、附著水層（0.1mm厚度）和流動(dòng)水層（0.2mm厚度）。

（4）、放料：采用水泵（功率35W，揚(yáng)程1.6m，流量1000L/小時(shí)）將放料器中的生物膜沖入反應(yīng)池，采用機(jī)械攪拌與空氣泵充氣的方法使生物膜與污水充分混合反應(yīng)。

（5）、回收：生物膜長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)后密度增加，下沉部分可采用刮板機(jī)構(gòu)打撈，懸浮部分可采用濾網(wǎng)過(guò)濾。

附圖說(shuō)明

圖1 為石墨烯疊層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 為本發(fā)明中基于石墨烯疊層填料的生物膜示組成示意圖。

圖3 為本發(fā)明中基于石墨烯疊層填料的生物膜污水處理系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，本發(fā)明可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)施，且不應(yīng)該解釋為局限于在此闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。

在下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。

參考圖1~2，本發(fā)明涉及的一種基于石墨烯疊層填料的生物膜，它由六部分組成，分別是石墨烯疊層1、好氧層2、兼性好氧層3、厭氧層4、附著水層5、流動(dòng)水層6。生物膜附著在石墨烯疊層表面與污水流動(dòng)接觸，過(guò)濾掉污染物，使污水獲得凈化，生物膜隨附著的污染物的增加隨水流自行脫落更新。石墨烯疊層：石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的蜂窩狀平面薄膜，只有一個(gè)原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，100~1000層石墨烯疊加組成的超薄石墨片構(gòu)成石墨烯疊層，厚度遠(yuǎn)小于石墨片。

生物膜：由高度密集的好氧菌、兼性好氧菌、厭氧菌、真菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物以及藻類組成的微生態(tài)系統(tǒng)。生物膜中的各種微生物直接或間接地利用水中的無(wú)機(jī)、有機(jī)污染物作為碳源和繁殖代謝的能源，并通過(guò)共生、互生、捕食的關(guān)系達(dá)到生態(tài)動(dòng)態(tài)平衡。

好氧層：在提供游離氧的條件下，主要依賴于好氧菌降解有機(jī)物。本實(shí)施采用的好氧菌是放線菌與真菌，將有機(jī)物降解為二氧化碳和水。

兼性好氧層：在有氧或無(wú)氧環(huán)境中均能生長(zhǎng)繁殖的微生物，主要由兼性好氧菌組成，兼有需氧呼吸和無(wú)氧發(fā)酵兩種功能。本實(shí)施采用地衣芽孢桿菌與釀酒酵母作為兼性好氧菌。

厭氧層：是一類在無(wú)氧條件下比在有氧環(huán)境中生長(zhǎng)好的細(xì)菌，而不能在空氣（18%氧氣）和10%二氧化碳濃度下的固體培養(yǎng)基表面生長(zhǎng)的細(xì)菌。當(dāng)生物膜達(dá)到一定厚度時(shí)，氧氣無(wú)法向生物膜內(nèi)部擴(kuò)散，好氧菌死亡，而兼性細(xì)菌和厭氧菌開始大量繁殖，形成厭氧層，利用死亡的好氧菌為基質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上不斷繁殖厭氧菌，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后在數(shù)量上開始下降，加上代謝氣體的逸出，使生物膜大塊脫落。本實(shí)施采用的厭氧菌是產(chǎn)酸菌與甲烷菌。

附著水層：是附著在掛膜填料表面的微生物形成的一種高親水性表面層，是生物膜首先吸附污水中有機(jī)物的部分，在污水不斷流動(dòng)的條件下，其外側(cè)總是存在著一層附著水層，本實(shí)施的附著水層控制在0.8~1.0mm。

流動(dòng)水層：主要是用于將老化的生物膜沖掉以生長(zhǎng)新的生物膜，如此往復(fù)以達(dá)到凈化污水的目的。

參考圖3，本發(fā)明涉及的一種基于石墨烯疊層填料的生物膜污水處理方法的硬件系統(tǒng)，它由十六部分組成，分別是初沉池進(jìn)水管1、初沉池2、閥門3、進(jìn)水管4、第一過(guò)濾池5、生物膜填料6、進(jìn)水管7、第二過(guò)濾池8、氣泵9、污泥排放漏斗10、污泥排放漏斗11、污泥排放漏斗12、氣泵13、污泥排放閥14、污泥排放管15、出水口16。

初沉池7：污水由進(jìn)水管1進(jìn)入初沉池，經(jīng)沉淀后大體量污泥由排放漏斗12排出。

進(jìn)水管4：采用防腐PVC管（直徑為30mm）連接初沉池7與第一過(guò)濾池5，由閥門3控制流量。

第一過(guò)濾池5：通過(guò)生物膜填料6實(shí)現(xiàn)第一次污水過(guò)濾，過(guò)濾過(guò)程沉積的污泥通過(guò)污泥排放漏斗11排出到第二過(guò)濾池8。

第二過(guò)濾池8：通過(guò)進(jìn)水管7、污泥排放管15和污泥排放閥14分別接收第一過(guò)濾池5處理過(guò)的污水及污泥，進(jìn)行第二次過(guò)濾。

污泥排放漏斗10：經(jīng)過(guò)第二過(guò)濾池8的過(guò)濾與沉淀，污水由出水口16排出，污泥由污泥排放漏斗10排出。

氣泵9：采用功率采用700W，流量為15L/min的小型氣泵，一方面為第一過(guò)濾池5提供氧氣，另一方面提高污水均勻度。

氣泵13：采用功率采用700W，流量為15L/min的小型氣泵，一方面為第二過(guò)濾池8提供氧氣，另一方面提高污水均勻度。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明。本發(fā)明可以有各種合適的更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。