CN103041695B - 一种包埋功能微生物缓释复合填料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包埋功能微生物缓释复合填料，包括以下重量份原料：负载功能微生物载体15-25份，腐熟后的植物纤维5-10份，珍珠岩15-20份，碳酸钙10-20份，水泥15-20份，高岭土1-5份，粘合剂25-35份。本发明还公开了该填料的制备方法：制备有机载体，将筛选驯化后的功能微生物接种于有机载体上，构建成负载功能微生物载体；再将负载功能微生物载体、腐熟后的植物纤维、珍珠岩、碳酸钙、水泥、高岭土混合均匀，将粘合剂加入混合物中，搅拌均匀，得到包埋功能微生物缓释复合填料。本发明制备包埋功能微生物缓释复合填料不仅能提高填料的结构稳定性，而且具有营养缓释和pH调节功能。本发明取材方便、原料成本较低、制作工艺简单，易于工业化生产。

Description

一种包埋功能微生物缓释复合填料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种包埋功能微生物缓释复合填料，同时还涉及该填料的制备方法，属于大气污染控制环保领域。
背景技术
生物过滤法是目前处理可生化臭气（异味）最常用的技术，微生物和填料是整个生物过滤装置中的关键。虽然微生物种类在整个装置微生物运行模式中起到关键作用，但整个过程的核心组件却是填料。填料能给微生物的生长提供适宜的生存环境，如：温度、湿度、pH和营养物质等，是微生物生存和生长的介质，它决定了微生物挂膜的难易程度和生物膜性能的好坏。填料的比表面积、空隙率与单位体积床层的生物量有关，还直接影响着整个床层的压降大小以及是否容易堵塞等问题。更重要的是，气态污染物的去除要经过一个气相到液相再到生物相的传递过程，而填料的比表面积决定了气相和液相及生物相的界面面积，因而对传递过程有很大影响。首先，微生物在多孔填料上附着并逐渐生长，形成一层生物膜；其次，气流中污染物在通过填料塔的过程中被多孔填料吸附或生物膜吸收；最后，在微生物的新陈代谢过程中，填料吸附或吸收的污染物最终被降解为CO2和H2O。生物过滤法因能经济有效的处理低浓度、大气量的可生化VOCs，并且运行费用低、无二次污染，因此在世界各地得到广泛的应用。
生物过滤法的基本原理就是利用微生物对污染物有较强、较快适应能力的特点，对其进行驯化，使其能够以污染物(通常是有机物)为碳源和能源，并将其转化为无害的、简单的物质(如C02、H2O等)的方法。传统工艺中，生物过滤法通常采用天然有机、无机材料做填料。常用的天然有机材料有堆肥、木屑、树皮、玉米芯、花生壳等，这类填料耐受性较差，易引起床体压实，阻力系数较大，能耗高，一般需2-3年更换一次；要想达到所需的净化效果，***中的微生物需要重新接种和驯化，而这一过程需要较长的时间。因此，这类填料的更换给需要连续运行的***带来极大的不便。无机填料多为陶粒、珍珠岩、活性炭、拉西环、沸石及网状聚氨酯泡沫等。这类惰性填料孔隙率低，且缺乏微生物生长必需的养分，运行过程中需不断添加营养液和pH调节剂，一方面增加了操作复杂性，另一方面增加了工艺运行成本。
针对以上问题，国内外学者进行了大量新型填料的研发。近年来，复合填料的开发成为一种新的发展趋势。2007年陈建孟等的公开号为100457237的发明专利公开了一种废气处理用生物填料，该填料为团块状多孔介质，比表面积大，孔隙率高；同时具有单位体积生物量大，污染负荷高；填料堆积密度小，不易被压实等优点；专利号为CN102050516A的专利发明涉及一种选择性微生物填料的制备方法。采用将基础填料经过在营养液浸泡、喷淋及含大量脱硫菌母液中挂膜的方法，制备出含选择性微生物的填料；与本发明采用包埋固定化技术，将功能微生物包埋固定化载体上的接种方法不同。赵康等公开号为101112673的专利利用竹条编织、排列构成竹块堆叠，并在表面炭化层附着活化液和活性污泥等发明一种新填料。虽然有各自的优点，但普遍存在造价较高，工艺复杂，本身没有负载功能微生物等问题。2011年台湾Wu-Chung Chan等利用聚乙烯、硝棉、颗粒活性炭和硝酸钾复合出一种球状填料（A newtype od poly(vinyl alcohol)/nitrocellulose/granular activated carbon/KNO3composite bead used as a biofiltermaterial.J Polym Res,2011,18:1871-1877.）。该填料能缓释营养物质，同时具有较好的理化性质，但填料本身没有负载功能微生物，也不具备pH调节作用。这方面国外研究比较先进，2008年法国Gaudin等人采用碳酸钙、有机粘合剂、磷酸脲等复合制得柱状颗粒填料，该填料含有营养物质，有较好的微生物附着特性及pH缓冲能力，但填料中养分易浸出，缺乏缓释性（Evaluation of a new packing material for H2S removed by biofiltration.Biochemical EngineeringJournal,2008,42(2):120-127.）。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械强度大、pH缓冲能力强、具有营养缓释性的包埋功能微生物缓释复合填料。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是提供一种包埋功能微生物缓释复合填料，包括以下重量份的原料：负载功能微生物载体15-25份，腐熟后的植物纤维5-10份，珍珠岩15-20份，碳酸钙10-20份，水泥15-20份，高岭土1-5份，粘合剂25-35份。
所述的负载功能微生物载体的制备方法，包括以下步骤：
1）原料的准备：
a）驯化功能微生物；
b）有机载体的制备：将牛粪和植物秸秆按质量比2.0-2.5:1均匀混合堆肥7~10天即得；
2）将驯化后的功能微生物按照质量分数4-8%接种到有机载体上，得到负载功能微生物载体。
所述的有机载体为粉末状。
所述的珍珠岩、水泥及高岭土为粉末状。
所述的粘合剂为5%的水玻璃。
所述的原料中添加铁、镁、镍及锰元素化合物。
本发明的目的还在于提供一种包埋功能微生物缓释复合填料的制备方法。
本发明所采用的技术方案还在于提供一种包埋功能微生物缓释复合填料的制备方法，包括以下步骤：将负载功能微生物载体、腐熟后的植物纤维、珍珠岩、碳酸钙、水泥、高岭土按比例搅拌混合均匀，加入粘合剂至混合物中，搅拌均匀，得到包埋功能微生物缓释复合填料。
所述的包埋功能微生物缓释复合填料挤压成型后，在通风、阴凉环境空气中暴露3d，填料颗粒强度达到装塔要求。
功能微生物为利用传统技术和现代生物技术，筛选出各种对臭气分子亲和力特别强的菌种，并对菌群结构进行改造和调控，提高其降解率、扩大降解底物范围，从而获得能高效降解恶臭废气中污染物的微生物菌种。
本发明功能微生物缓释复合填料由多种有机介质和无机介质复合而成，有机介质为有机载体、腐熟后的植物纤维；无机介质有珍珠岩、碳酸钙、水泥、高岭土及粘合剂。其中，水泥、珍珠岩作为填料的基本骨料；高岭土具有一定的粘性，同时又能给微生物提供Fe、Ti、Al、Si等矿物质元素；腐熟后的植物纤维作为填料基本骨架，解决了潮湿环境中填料膨胀的问题；珍珠岩可以降低填料的密度；碳酸钙可作为pH缓冲剂；将功能微生物接种到有机载体上，构建负载功能微生物载体和营养缓释源，不仅为生物塔的启动缩短挂膜时间，而且具有良好的营养缓释性能。
本发明制备包埋功能微生物缓释复合填料采用仿生学思想，通过包埋技术将负载功能微生物载体包裹于营养物质、pH缓冲剂等物质之内，构成适合微生物生长的微环境。本发明制备包埋功能微生物缓释复合填料采用无机粘合剂固定负载功能微生物载体、营养物质、pH缓冲物质及轻质骨料等，不仅提高填料的结构稳定性，而且具有营养缓释功能和pH调节功能。随着有机载体不断分解，填料的比表面积、孔隙率等随之增大，可增强除臭效果。本发明取材方便、原料成本较低、制作工艺简单，易于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1产品的结构示意图；
图中：1-轻质无机骨料 2-负载功能微生物载体 3-高岭土 4-pH 缓冲剂 5-腐熟后的植物纤维 6-无机粘合剂
图2为实施例1产品装塔运行前的SEM图片；
图3为实施例1产品装塔运行30d后的SEM图片。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的包埋功能微生物缓释复合填料，由包括以下重量份的原料：负载功能微生物载体15份，腐熟后的锯末5份，珍珠岩20份，碳酸钙15份，水泥18份，高岭土1份，5%水玻璃25份。
本实施例提供的包埋功能微生物缓释复合填料的制备方法，包含以下步骤：
1、负载功能微生物载体的制备：
1）原料的准备：
a）先利用传统技术和现代生物技术，筛选出各种对臭气分子亲和力特别强的菌种，并对菌群结构进行改造和调控，提高其降解率、扩大降解底物范围，从而获得能高效降解恶臭废气中污染物的微生物菌种，即功能微生物；
b）将牛粪和植物秸秆按质量比2.0:1均匀混合堆肥7天，制得有机载体；
2）将驯化后的功能微生物按照质量分数4%接种于有机载体上，构建成负载功能微生物载体。
2、将负载功能微生物载体15份、腐熟后的锯末5份、珍珠岩20份、碳酸钙15份、水泥18份、高岭土1份，搅拌10min混合均匀，再将5%水玻璃25份缓缓加入混合物中，搅拌15min混合均匀后，得到包埋功能微生物缓释复合填料。
包埋功能微生物缓释复合填料挤压成型后，在通风、阴凉环境空气中暴露3d，填料颗粒强度达到装塔要求。
本实施例制备的包埋功能微生物缓释复合填料的理化性质测试结果如表1所示。
本实施例产品的结构如图1所示。
本实施例产品装塔前和装塔运行30d后的SEM图分别如图2和图3所示。图2和图3比较发现，本实施例产品装塔运行30d后，填料表面粗糙程度明显增大，出现了许多微生物矿化形成的空隙，但填料包膜仍保持致密的结构，未出现破裂、解体的现象，表明本发明的包埋功能微生物缓释复合填料具有良好的耐生物腐蚀性。
实施例2
本实施例提供的包埋功能微生物缓释复合填料，包括以下重量份的原料：负载功能微生物载体25份，腐熟后的花生壳细粉7份，珍珠岩15份，碳酸钙10份，水泥20份，高岭土3份，5%水玻璃30份。
本实施例提供的包埋功能微生物缓释复合填料的制备方法，包含以下步骤：
1、负载功能微生物载体的制备：
1）原料的准备：
a）先利用传统技术和现代生物技术，筛选出各种对臭气分子亲和力特别强的菌种，并对菌群结构进行改造和调控，提高其降解率、扩大降解底物范围，从而获得能高效降解恶臭废气中污染物的微生物菌种，即功能微生物；
b）将牛粪和植物秸秆按质量比2.5:1均匀混合堆肥8.5天，制得有机载体；
2）将驯化后的功能微生物按照质量分数8%接种于有机载体上，构建成负载功能微生物载体。
2、将负载功能微生物载体25份，腐熟后的花生壳细粉7份，珍珠岩15份，碳酸钙10份，水泥20份，高岭土3份，搅拌10min混合均匀，再将5%水玻璃30份缓缓加入混合物中，搅拌15min混合均匀，得到包埋功能微生物缓释复合填料。
包埋功能微生物缓释复合填料挤压成型后，在通风、阴凉环境空气中暴露3d，填料颗粒强度达到装塔要求。
本实施例制备的包埋功能微生物缓释复合填料的理化性质测试结果如表1所示。
实施例3
本实施例提供的包埋功能微生物缓释复合填料，包括以下重量份的原料：负载功能微生物载体20份，腐熟后的锯末10份，珍珠岩17份，碳酸钙20份，水泥15份，高岭土5份，5%水玻璃35份。
本实施例提供的包埋功能微生物缓释复合填料的制备方法，包含以下步骤：
1、负载功能微生物载体的制备：
1）原料的准备：
a）先利用传统技术和现代生物技术，筛选出各种对臭气分子亲和力特别强的菌种，并对菌群结构进行改造和调控，提高其降解率、扩大降解底物范围，从而获得能高效降解恶臭废气中污染物的微生物菌种，即功能微生物；
b）将牛粪和植物秸秆按质量比2.25:1均匀混合堆肥10天，制得有机载体；
2）将驯化后的功能微生物按照质量分数6%接种于有机载体上，构建成负载功能微生物载体。
2、将负载功能微生物载体20份，腐熟后的锯末10份，珍珠岩17份，碳酸钙20份，水泥15份，高岭土5份，搅拌10min混合均匀，再将5%水玻璃35份缓缓加入混合物中，搅拌15min混合均匀，得到包埋功能微生物缓释复合填料。
包埋功能微生物缓释复合填料挤压成型后，在通风、阴凉环境空气中暴露3d，填料颗粒强度达到装塔要求。
本实施例制备的包埋功能微生物缓释复合填料的理化性质测试结果如表1所示。
表1实施例1-3制备产品的理化性质
*：N∈(0-10)
其中：堆积密度为填料质量与堆积体积的比值；比表面积是单位质量物料所具有的总面积；孔隙率是散粒状材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比例；饱和含水率为填料样品吸水饱和后，80℃烘箱干燥8h后测得值；pH为50g填料浸入500ml蒸馏水中，机械震荡30min后测得；颗粒强度是由颗粒强度测定仪测得；细菌、真菌、放线菌是用平板涂布法测得。
对模拟硫化氢废气的处理
对实施例1制备的包埋功能微生物缓释复合填料以及市场上购买的轻质陶粒填料（购自郑州鑫澜建材）进行硫化氢模拟废气的处理对比。
平行运行实验室现有的两套生物过滤反应器，反应器高60cm，塔内径16cm，填料填充高度40cm，填料容积8.0L。反应器1填充实施例1制造的包埋功能微生物缓释复合填料，反应器2填充市场购买的陶粒填料。两套反应器运行条件完全相同，处理硫化氢废气量为400L/h，气体在填料中停留时间为72s。处理效果如表2所示：
表2两种反应器对H2S去除效率比较
结果显示本发明包埋功能微生物缓释复合填料反应器1对硫化氢的处理效果明显优于陶粒反应器2，反应器2的pH下降较为明显，反应器1中的复合填料能有效维持pH的稳定性。

Claims (7)

1. 一种包埋功能微生物缓释复合填料，其特征在于，包括以下重量份的原料：负载功能微生物载体15-25 份，腐熟后的植物纤维5-10 份，珍珠岩15-20 份，碳酸钙10-20 份，水泥15-20 份，高岭土1-5 份，粘合剂25-35 份；
所述包埋功能微生物缓释复合填料由包括以下步骤的方法制备而得：将负载功能微生物载体、腐熟后的植物纤维、珍珠岩、碳酸钙、水泥、高岭土按比例搅拌混合均匀，加入粘合剂至混合物中，搅拌均匀，得到包埋功能微生物缓释复合填料；
所述负载功能微生物载体由包括以下步骤的方法制备而得：
1）原料的准备：
a）驯化功能微生物；
b）有机载体的制备：将牛粪和植物秸秆按质量比2.0-2.5:1 均匀混合堆肥7~10 天即得；
2）将驯化后的功能微生物按照质量分数4-8% 接种到有机载体上，得到负载功能微生物载体。
2. 根据权利要求1所述的一种包埋功能微生物缓释复合填料，其特征在于，所述的有机载体为粉末状。
3. 根据权利要求1 所述的一种包埋功能微生物缓释复合填料，其特征在于，所述的珍珠岩、水泥及高岭土为粉末状。
4. 根据权利要求1 所述的一种包埋功能微生物缓释复合填料，其特征在于，所述的粘合剂为5% 的水玻璃。
5. 根据权利要求1 所述的一种包埋功能微生物缓释复合填料，其特征在于，所述的原料中添加铁、镁、镍及锰元素化合物。
6. 一种如权利要求1 所述的包埋功能微生物缓释复合填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将负载功能微生物载体、腐熟后的植物纤维、珍珠岩、碳酸钙、水泥、高岭土按比例搅拌混合均匀，加入粘合剂至混合物中，搅拌均匀，得到包埋功能微生物缓释复合填料。
7. 根据权利要求6 所述的一种包埋功能微生物缓释复合填料的制备方法，其特征在于，所述的包埋功能微生物缓释复合填料挤压成型后，在通风、阴凉环境空气中暴露3d，填料颗粒强度达到装塔要求。
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