一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料制備及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料制備及應(yīng)用，屬于水處理領(lǐng)域。星形生物活性填料由包埋體和載體兩部分組成；載體是以聚乙烯、聚丙烯為主要材料，并添加聚乙烯醇親水材料經(jīng)熱熔或板材熱壓而成的星形載體；載體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可使包埋體貫穿網(wǎng)孔和載體形成鉚固結(jié)構(gòu)而增加填料整體穩(wěn)定性；包埋液由細(xì)菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合組成；包埋液均勻涂布于網(wǎng)狀載體上，經(jīng)硼酸二次交聯(lián)后形成包埋體，并結(jié)合于網(wǎng)狀載體得到固定化星形生物活性填料。本發(fā)明所制備的固定化星形生物活性填料，不僅解決了細(xì)菌優(yōu)勢建立困難、易流失等問題，而且提高了反應(yīng)器處理能力，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料制備及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料制備及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物細(xì)胞固定化技術(shù)可以大幅度提高微生物濃度，使微生物不易流失、縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間、抗毒性和耐酸堿、耐鹽能力明顯增強(qiáng)，能純化和創(chuàng)造特性細(xì)菌的生態(tài)優(yōu)勢，產(chǎn)生特性高效反應(yīng)，顯示出良好的應(yīng)用前景。微生物細(xì)胞常用的固定化方法有吸附法、交聯(lián)法和包埋法。其中，以包埋法最為常用，已成功地用于微生物細(xì)胞包埋的材料有:聚乙烯醇、瓊脂、K-卡拉膠、明膠、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺、聚氨酯等。上述包埋材料具有對(duì)微生物無毒性、傳質(zhì)性能好、不易被生物分解、性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、壽命長、價(jià)格低等特點(diǎn)。
[0003]目前，傳統(tǒng)的細(xì)菌包埋方法是將細(xì)菌與包埋材料結(jié)合在一起，形成包埋體，例如微球、包埋塊等。此方法操作簡單，但局限性大，無法理想應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中。我們經(jīng)過多年研究，在傳統(tǒng)的包埋方法上做了改進(jìn)，將包埋體與載體結(jié)合在一起，形成整體的生物活性填料。由于包埋體和載體的有機(jī)結(jié)合，使生物活性填料具有更多的性能，其繼承了原有單純細(xì)菌與包埋材料的所有優(yōu)點(diǎn)；由于載體材料的應(yīng)用使生物活性填料具有各種載體所具有的特性，例如易流動(dòng)性、比表面積大、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)；還可根據(jù)需要做成可懸浮式、可沉淀式、可漂浮式或者區(qū)域“固定式”等具有其它功能的各種形式的生物活性填料。實(shí)驗(yàn)研究表明，利用現(xiàn)有的拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、懸浮改性填料等傳統(tǒng)載體與包埋體通過粘附方式結(jié)合起來制得的生物活性填料均存在整體穩(wěn)定性差，包埋體容易脫落，造成細(xì)菌流失等問題。
[0004]針對(duì)上述問題，我們開發(fā)出一種整體穩(wěn)定性好的固定化生物活性填料具有廣泛的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于開發(fā)出一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料，該生物活性填料載體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使包埋體通過網(wǎng)孔形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，包埋體不易脫落，并且包埋體能在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上形成毫米級(jí)的薄膜結(jié)構(gòu)，使制得的生物活性填料整體穩(wěn)定性好，整體通透性好，傳質(zhì)效果較高。網(wǎng)狀載體設(shè)計(jì)為星形，生物活性填料之間始終處于蓬松狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)填料堵塞，水流短路問題，而且每一翼片上的包埋體不會(huì)受到外界的摩擦，保證了細(xì)菌濃度，生物活性填料處理效率高，性能穩(wěn)定。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述狀態(tài)，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0007]—種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料，其特征在于:固定化星形生物活性填料是由多片片形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料的邊固定粘結(jié)在一起形成的星形結(jié)構(gòu)，具有網(wǎng)孔的星形網(wǎng)狀載體被包含菌體的包埋體通過網(wǎng)孔和載體交聯(lián)形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，包埋體在片形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上形成毫米級(jí)的薄膜結(jié)構(gòu)。片形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料片長、片寬均為0.5-3cm。網(wǎng)片數(shù)量以3-6片為宜。[0008]生物活性填料的網(wǎng)狀載體以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂高分子材料為主，添加適量聚乙烯醇(PVA)親水材料，通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔等方式制成片形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)孔形狀可為圓形、菱形、正方形、矩形。優(yōu)選網(wǎng)孔的絲徑0.5-2mm。
[0009]一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料的制備方法，其特征在于:
[0010](I)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂高分子材料為主，添加適量聚乙烯醇(PVA)親水材料，通過絲條熱熔或板材熱壓成孔的方式制成片形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，片長、片寬均為0.5-3cm，將若干片形的網(wǎng)狀載體根據(jù)不同角度通過熱熔擠壓、粘接等方式制成星形網(wǎng)狀載體(見圖)，例如三片、四片、五片、六片網(wǎng)狀載體，分別采用120°、90°、72°、60°的夾角制成不同形狀星形網(wǎng)狀載體；網(wǎng)片數(shù)量以3-6片為宜；
[0011](2)根據(jù)聚乙烯醇-硼酸二次交聯(lián)方法，將細(xì)菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合形成的包埋液均勻涂布在步驟(1)的星形網(wǎng)狀載體的片形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面，放入飽和硼酸溶液中l(wèi)-3h后，調(diào)節(jié)硼酸溶液pH到8-10，交聯(lián)3-24h，將其取出，洗凈表面殘留物質(zhì)，得到星形生物活性填料。
[0012]本發(fā)明的一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料用于水處理。
[0013]聚乙烯醇(PVA)的添加量可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整，此為現(xiàn)有技術(shù)，優(yōu)選聚乙烯醇(PVA)的質(zhì)量百分含量為5-10%。
[0014]本發(fā)明所述的基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料的有益效果主要體現(xiàn)在:
[0015]1.網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使包埋體通過網(wǎng)孔形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，包埋體不易脫落，使制得的生物活性填料整體穩(wěn)定性好，有利于保持較高的細(xì)菌濃度；
[0016] 2.網(wǎng)狀載體設(shè)計(jì)為星形，此結(jié)構(gòu)保證了生物活性填料翼片之間的包埋體不會(huì)受到外界的摩擦，有利于保持較高的細(xì)菌濃度，生物活性填料處理效率高，性能穩(wěn)定；
[0017]3.實(shí)驗(yàn)研究表明，以傳統(tǒng)填料為載體固定化得到的生物活性填料，穩(wěn)定性差，2天內(nèi)包埋材料幾乎全部脫落，而以網(wǎng)狀載體固定化得到的生物活性填料整體穩(wěn)定性好，填料壽命在3年以上；
[0018]4.固定化制得的生物活性填料，整體密度可接近于水、大于水或者小于水，可制成懸浮式、沉淀式或者漂浮式，可根據(jù)水處理工況條件的需求制成具有某種功能的生物活性填料，例如可固定式等；
[0019]5.網(wǎng)狀載體由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS樹脂為主要材料，添加了聚乙烯醇(PVA)等親水材料，改善了載體的親水性，增加了載體與包埋體粘結(jié)的強(qiáng)度，提高了整體的穩(wěn)定性；
[0020]6.生物活性填料由于網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的存在使包埋體可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)厚度較小的同時(shí)又不失整體結(jié)構(gòu)對(duì)水處理運(yùn)行環(huán)境的變化性，較小的厚度能實(shí)現(xiàn)較高的傳質(zhì)效率和包埋體較高的利用率，如果用包埋體自身材料做成如此厚度在水處理工藝處理單元里無法實(shí)現(xiàn)良好的填料性能；
[0021]7.固定化生物活性填料包菌量大，可建立菌群優(yōu)勢，處理效率高；
[0022]8.生物活性填料的表面積全部為有效面積，避免了材料的浪費(fèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】[0023]圖1為星形生物活性填料翼片示意圖；
[0024]圖2為1-1首I]面不意圖；
[0025]圖3為I1-1I剖面示意圖；
[0026]圖4、5、6、7為星形生物活性填料示意圖。
[0027]圖中1.網(wǎng)絲,2.包埋體
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0029]實(shí)例I
[0030]1.網(wǎng)狀載 體的制備
[0031]以聚丙烯等高分子聚合物為主要材料，添加親水材料聚乙烯醇(PVA)，制成長為1.0cm,寬為0.7的片形網(wǎng)狀載體。網(wǎng)孔形狀為正方形,邊長為2mm,絲徑為1.55mm。將六片上述片形載體通過熱熔、粘接形成夾角60°的星形網(wǎng)狀載體。
[0032]2.硝化細(xì)菌的處理
[0033]以城市污水廠二沉池剩余污泥為菌源，將篩選富集培養(yǎng)后的硝化細(xì)菌菌懸液離心濃縮，得到3.5 X IO9個(gè)/mL的硝化細(xì)菌濃縮液。
[0034]3.包埋液的獲取
[0035]稱取聚乙烯醇5kg,加入25L超純水后加熱至90°C溶解15min,取出攪拌均勻后再加熱至90°C溶解5min，取出后攪拌均勻并冷卻至30°C，將25L聚乙烯醇溶液和制備好的25L硝化細(xì)菌濃縮液混合，并加入Ikg碳酸鈣，攪拌均勻后制成50L包埋液。
[0036]4.包埋液和網(wǎng)狀載體的結(jié)合
[0037]將包埋液均勻涂布在網(wǎng)狀片形結(jié)構(gòu)表面，確保網(wǎng)狀載體表面全部被包埋液覆蓋均勻。
[0038]5.硝化細(xì)菌生物活性填料的制備
[0039]將步驟(4)中涂抹包埋體的網(wǎng)狀載體放入飽和硼酸溶液中，使其處于淹沒狀態(tài)，靜置3h，調(diào)節(jié)溶液pH至9.0，靜置4h完成固定化，清洗，得到硝化細(xì)菌生物活性填料，此生物活性填料比重在0.98 - 1.01之間。
[0040]6.硝化細(xì)菌生物活性填料的應(yīng)用
[0041]向Im3的反應(yīng)器中投加包埋好的上述硝化生物活性填料，填充率為30%，水溫20 ±2。。，HRT=4h，pH 為 7.8 - 8.3，溶解氧為 2.0 - 4.0mg/L，NH: - N 濃度為 160mg/L，生物活性填料在氣提的作用下成懸浮流化狀態(tài)，而且填料之間不會(huì)相互摩擦，按時(shí)測定反應(yīng)器的硝化效果。出水檢測結(jié)果表明，反應(yīng)器在培養(yǎng)I周后恢復(fù)到包埋前的硝化活性的96.5%，NH4+ - N濃度為5mg/L以下，去除率在96.8%以上。穩(wěn)定運(yùn)行30d后，硝化效率基本不變，運(yùn)行I年后仍無包埋體脫落現(xiàn)象，硝化性能穩(wěn)定。
[0042]實(shí)例2
[0043]1.網(wǎng)狀載體的制備
[0044]以聚乙烯等高分子聚合物為主要材料，添加親水材料聚乙烯醇(PVA)，制成長為
1.0cm,寬為0.5的片形網(wǎng)狀載體。網(wǎng)孔形狀為矩形,長為2mm,寬為1.5mm,絲徑為1mm。將五片上述片形載體通過熱熔、粘接形成夾角72°的星形網(wǎng)狀載體。
[0045]2.硝化細(xì)菌的處理
[0046]以城市污水廠二沉池剩余污泥為菌源，將篩選富集培養(yǎng)后的硝化細(xì)菌菌懸液離心濃縮，得到3.5 X IO9個(gè)/mL的硝化細(xì)菌濃縮液。
[0047]3.硝化細(xì)菌包埋液的獲取
[0048]稱取聚乙烯醇5kg，加入40L超純水后加熱至90°C溶解15min，取出攪拌均勻后再加熱至90°C溶解5min，取出后攪拌均勻并冷卻至30°C，將40L聚乙烯醇溶液和制備好的IOL硝化細(xì)菌濃縮液混合，并加入Ikg碳酸鈣，攪拌均勻后制成50L包埋液。
[0049]4.包埋液和網(wǎng)狀載體的結(jié)合
[0050]將包埋液均勻涂布在網(wǎng)狀載體表面，確保網(wǎng)狀載體表面全部被包埋液覆蓋均勻。
[0051]5.硝化細(xì)菌生物活性填料的制備
[0052]將步驟(4)中涂抹包埋體的網(wǎng)狀載體放入飽和硼酸溶液中，使其處于淹沒狀態(tài)，靜置3h，調(diào)節(jié)溶液pH至9.0左右，靜置4h完成固定化，清洗，得到硝化生物活性填料，此生物活性填料比重為0.98 - 1.10之間。
[0053]6.硝化細(xì)菌生物活性填料的應(yīng)用
[0054]向Im3的實(shí)驗(yàn)室 中成熟的A2O反應(yīng)器的好氧池中投加包埋好的星形生物活性填料，填充率為30%，水溫20±2°C，HRT=2h，溶解氧為2.0 - 4.0mg/L，進(jìn)水水質(zhì)為城市生活污水，其中NH4+ - N的濃度為40 - 70mg/L,按時(shí)測定好氧池的硝化能力，檢測結(jié)果表明，反應(yīng)器在培養(yǎng)I周后出水達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，出水NH4+ -N的含量在5mg/L以下，去除率均在87.5%以上，運(yùn)行30d后，硝化效率基本不變，運(yùn)行I年后仍無包埋體脫落現(xiàn)象，硝化性能穩(wěn)定。
[0055]上述實(shí)例表明，利用網(wǎng)狀載體進(jìn)行硝化細(xì)菌固定化制備生物活性填料操作過程簡單，包埋體與載體通過網(wǎng)孔形成的整體鉚固結(jié)構(gòu)，使制得的生物活性填料整體穩(wěn)定性好、包埋體不易脫落，細(xì)菌濃度較高，可在培養(yǎng)I周后恢復(fù)到包埋前硝化活性的96.5%，且此生物活性填料穩(wěn)定性好，使用壽命長，具有較好的應(yīng)用前景。
【權(quán)利要求】
1.一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料，其特征在于:固定化星形生物活性填料是由星形網(wǎng)狀載體和細(xì)菌包埋體組成，具有網(wǎng)孔的星形網(wǎng)狀載體被包含菌體的包埋體通過網(wǎng)孔和載體形成整體的鉚固結(jié)構(gòu)，包埋體在網(wǎng)狀載體上形成毫米級(jí)的薄膜結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1的一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料，其特征在于:網(wǎng)狀的生物活性填料載體為聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS樹脂高分子材料為主，添加適量聚乙烯醇(PVA)親水材料，通過絲條熱熔成型或板材熱壓成孔方式制備成片形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)孔形狀可為圓形、菱形、正方形或矩形，網(wǎng)孔的絲徑0.5-2mm。
3.制備權(quán)利要求1或2的一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS樹脂高分子材料為主，添加適量聚乙烯醇(PVA)親水材料，通過絲條熱熔或板材熱壓成孔的方式制成片形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，組成星形載體的網(wǎng)片，片長、片寬均為0.5-3cm ;網(wǎng)片通過熱熔擠壓或粘接的方式固定粘結(jié)在一起，最終形成星形載體結(jié)構(gòu)； (2)根據(jù)聚乙烯醇-硼酸二次交聯(lián)方法，將細(xì)菌濃縮液和聚乙烯醇溶液混合形成的包埋液均勻涂布在步驟(1)的星形網(wǎng)狀載體的片形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面，放入飽和硼酸溶液中l(wèi)_3h后，調(diào)節(jié)硼酸溶液pH到8-10，交聯(lián)3-24h，將其取出，洗凈表面殘留物質(zhì)，得到生物活性填料。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于，網(wǎng)片數(shù)量為3-6片。
5.權(quán)利要求1或2的一種基于網(wǎng)狀載體的固定化星形生物活性填料用于水處理。
【文檔編號(hào)】C02F3/10GK103951076SQ201410137253
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】楊宏, 尚海源, 管清坤, 吳城鋒, 陳偉, 鄢琳, 王小樂, 王猛, 孟婷, 陶慕翔, 胡希佳, 趙月蘭, 王玉潔, 姚仁達(dá) 申請人:北京工業(yè)大學(xué)