CN103351062B - 一种磁性微生物载体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁性微生物载体，所述磁性微生物载体为以一种具有磁性的交联结构的高分子聚合物，所述高分子聚合物为聚乙烯醇缩甲醛，所述聚乙烯醇缩甲醛通过复合增强组分发泡改性，且还包含包硅磁粉，所述复合增强组分为活性炭微粒、硅藻土、高岭土、粉煤灰、亲水二氧化硅中的至少一种。本发明制备过程简单易操作，制备出的磁性微生物载体能够解决现有多孔载体不能有效固定微生物和载体中难以形成多样化环境等问题。

Description

一种磁性微生物载体
【技术领域】
本发明涉及一种磁性微生物载体。
【背景技术】
生物膜法、活性污泥-生物膜法工艺中以载体作为固定化微生物的场所，具有较高的生物富集度。常用的生物载体有玻璃材料、沸石、陶粒、活性炭、硅藻土、各类树脂、塑料、纤维等。但是这些载体只能在载体的表面形成生物膜，生物量相对较少，微生物环境相对单一，同时存在强度不够、耐磨性差、比表面积小、生物稳定性差等缺点。
磁场效应可大大提高废水的生物降解效率。磁场强化废水生物处理的可能机理是：反应器中的有机污染物在弱磁场的作用下，通过磁力键、磁力、洛仑兹力和磁致胶体效应等作用经磁聚、吸附、富集到磁性生物填料表面；氧是顺磁性物质，曝气时会在磁场作用下被吸附到生物填料附近，增大填料表面的氧浓度，促进好氧生物的繁殖。另外弱磁场还有可能诱导微生物的活性和酶活性。对于细菌和微生物通过磁场时，磁场对它们具有抑制(未死亡的微生物具有更强的活性)或激发作用，能增强微生物的活性，提高微生物处理废水的效果。但是较高的磁性会抑制微生物的代谢繁殖，弱化对污水的处理效果。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种磁性微生物载体，能够解决现有多孔载体不能有效固定微生物和载体中难以形成多样化环境等问题。
本发明是这样实现上述技术问题之一的：
一种磁性微生物载体，所述磁性微生物载体为以一种具有具有磁性的交联结构的高分子聚合物，所述高分子聚合物为聚乙烯醇缩甲醛，所述聚乙烯醇缩甲醛通过复合增强组分发泡改性，且还包含包硅磁粉，所述复合增强组分为活性炭微粒、硅藻土、高岭土、粉煤灰、亲水二氧化硅中的至少一种。
进一步地，制备所述磁性微生物载体所用的原料及其含量如下：
聚乙烯醇PVA：3.81～9.62wt.％；
复合增强组分：2.25～17.33wt.％；复合增强组分粒径：10-300μm；
40％的甲醛：3.1～8.21wt.％；
乙二醇：4.23～10.46wt.％；
淀粉：0.38～0.96wt.％；
水：40.30～90.30wt.％；
包硅磁粉：1.67％～2.5％；
所述包硅磁粉即硅包裹四氧化三铁粉末。
进一步地，所述磁性微生物载体所具有的磁性强度为0.15～0.25emu/g。
本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种磁性微生物载体的制备方法，制备过程简单易操作，制备出的磁性微生物载体能够解决现有多孔载体不能有效固定微生物和载体中难以形成多样化环境等问题。
本发明是这样实现上述技术问题之二的：
一种磁性微生物载体的制备方法，所述制备方法步骤如下：
步骤10、将淀粉、聚乙烯醇水溶液置于90℃的水浴中，机械搅拌至溶解，再加入乙二醇、硫酸作为酸催化剂；
步骤20、将上述溶液在65℃下搅拌均匀，缓慢加入甲醛，以及加入复合增强组分，同时迅速提高搅拌速度，控制反应时间20min，然后加入包硅磁粉，搅拌10min，形成泡沫溶液；
步骤30、将泡沫液体浇注入模具内，在55-75℃条件下反应18-22h左右，即得由聚乙烯醇和甲醛缩聚反应形成的磁性微生物载体。
进一步地，制备所述磁性微生物载体所用的原料及其含量如下：
聚乙烯醇PVA：3.81～9.62wt.％；
复合增强组分：2.25～17.33wt.％；复合增强组分粒径：10-300μm；
40％的甲醛：3.1～8.21wt.％；
乙二醇：4.23～10.46wt.％；
淀粉：0.38～0.96wt.％；
水：40.30～90.30wt.％；
包硅磁粉：1.67％～2.5％；
所述包硅磁粉即硅包裹四氧化三铁粉末，所述复合增强组分为活性炭微粒、硅藻土、高岭土、粉煤灰、亲水二氧化硅中的至少一种。
进一步地，所述包硅磁粉粉末的制备方式如下：将四氧化三铁粉末在超声搅拌的条件下分散，缓慢加入1mol/L的硅酸钠，并用硫酸调节pH＝8-10之间，35-45℃的条件下反应3-4h后，烘干得包硅磁粉。
进一步地，所述磁性微生物载体所具有的磁性强度为0.15～0.25emu/g。本发明具有如下优点：
本发明的磁性生物载体具有的磁场效应能够刺激微生物的生长，强化污染物的去除效果，还可大大提高废水的生物降解效率，并且磁性粉末表面镀上一层二氧化硅，在不影响磁性粉末磁场强度的条件下，可大大降低酸性物质对磁性粉末的腐蚀。
同时，本发明的磁性生物载体生物亲和性较高，其表面自由能为12～43mN·m-1，有利于微生物及固体悬浮颗粒对载体的生长粘附；另外本发明的磁性生物载体泡孔结构丰富，比面积较大，不但可以生长大量的微生物，随着微生物的不断生长、富集，有利于多种形态微生物的繁殖，提高处理效能。并且由于厌氧、缺氧和好氧的多样环境的存在可以促进硝化反硝化效果，同时促进污泥的减量化。
采用磁性生物载体的活性污泥工艺去除COD、氨氮和TN的效率及承受毒物的浓度都优于普通活性污泥法，而且可以明显改善污泥絮体结构和沉降性能，克服污泥膨胀，可以大幅度提高活性污泥的浓度，增大单位容积的处理能力。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明磁性微生物载体表面在电子显微镜下的图。
图2是实施例二填充载体的滤柱处理养殖废水的流程图。
图3是实施例二氮元素的滤柱出水浓度图。
【具体实施方式】
请参阅图1～3所示，对本发明的实施例进行详细的说明。
本发明涉及一种磁性微生物载体，所述磁性微生物载体为以一种具有磁性的交联结构的高分子聚合物，所述高分子聚合物为聚乙烯醇缩甲醛，所述聚乙烯醇缩甲醛通过复合增强组分发泡改性，且还包含包硅磁粉，所述复合增强组分为活性炭微粒、硅藻土、高岭土、粉煤灰、亲水二氧化硅中的至少一种。
制备所述磁性微生物载体所用的原料及其含量如下：
聚乙烯醇PVA：3.81～9.62wt.％；
复合增强组分：2.25～17.33wt.％；复合增强组分粒径：10-300μm；
40％的甲醛：3.1～8.21wt.％；
乙二醇：4.23～10.46wt.％；
淀粉：0.38～0.96wt.％；
水：40.30～90.30wt.％；
包硅磁粉：1.67％～2.5％；
所述包硅磁粉即硅包裹四氧化三铁粉末。
本发明还涉及上述一种磁性微生物载体的制备方法，所述制备方法步骤如下：
步骤10、将淀粉、聚乙烯醇水溶液置于90℃的水浴中，机械搅拌至溶解，再加入乙二醇、硫酸作为酸催化剂；
步骤20、将上述溶液在55-75℃下搅拌均匀，缓慢加入甲醛，以及加入复合增强组分，同时迅速提高搅拌速度，控制反应时间20min，然后加入包硅磁粉，搅拌10min，形成泡沫溶液；
步骤30、将泡沫液体浇注入模具内，在55-75℃条件下反应18-22h左右，即得由聚乙烯醇和甲醛缩聚反应形成的磁性微生物载体。
所述包硅磁粉粉末的制备方式如下：将四氧化三铁粉末在超声搅拌的条件下分散，缓慢加入1mol/L的硅酸钠，并用硫酸调节pH＝8-10之间，35-45℃的条件下反应3-4h后，烘干得包硅磁粉。
所述磁性微生物载体所具有的磁性强度为0.15～0.25emu/g。
上述制备的反应方程式如下：
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一
载体的合成是通过缩聚反应，缩聚步骤如下：将20g淀粉、200g PVA水浴加热至90℃，搅拌溶解于2000ml蒸馏水。等待组分完全溶解后加入80ml的硫酸(4.7M)、复合增强组分。将水浴温度降至65℃后稳定10min，搅拌加入80ml甲醛溶液(40wt.％)，并在65℃反应20min，加入质量分数为1.67％～2.5％的包硅磁性粉末，搅拌10min。将发泡液倒入成型模具中，并在65℃的鼓风干燥烘箱中反应成型20h。将所得载体经过适当切割(0.002×0.002m×m)即得成品，所述磁性微生物载体表面在电子显微镜下的状态如图1所示。
包硅磁粉粉末的制备方式如下：将四氧化三铁粉末在超声搅拌的条件下分散，缓慢加入1mol/L的硅酸钠，并用3wt.％的硫酸调节pH＝8-10之间，40℃的条件下反应3h后，烘干得包硅磁性粉末。
实施例二
检验对污水的处理效果：
设计了滤柱，探究载体对海水养殖废水的处理效果。滤柱为底部直径为2×10-3m的聚苯乙烯管，滤料的填充高度为0.228m，顶部有0.1m的超高，如图2所示。模拟污水组分，CODMn浓度为108-165mg·L-1，TN浓度13.9-14.8mg·L-1，NH4 +-N浓度4.7-5.1mg·L-1，NO3--N浓度9.3-9.5mg·L-1，盐度为35g·L-1。20ml浓度为5167mg·L-1的活性污泥加入滤柱用作挂膜。监测滤柱的出水总氮、氨氮、硝氮、亚硝氮浓度，分析不同载体影响下的污染物去除效果。
上述实施例氮元素的滤柱出水浓度如图3所示，由图3可以看出，在高盐度的胁迫条件下，该载体对含有盐度的海水养殖废水含氮污染物去除效果较好。TN的去除率可达超过95％，氨氮和硝氮的去除率也均超过85％。
本发明的磁性生物载体具有的磁场效应能够刺激微生物的生长，强化污染物的去除效果，还可大大提高废水的生物降解效率，并且磁性粉末表面镀上一层二氧化硅，在不影响磁性粉末磁场强度的条件下，可大大降低酸性物质对磁性粉末的腐蚀。
同时，本发明的磁性生物载体生物亲和性较高，其表面自由能为12～43mN·m-1，有利于微生物及固体悬浮颗粒对载体的生长粘附；另外本发明的磁性生物载体泡孔结构丰富，比面积较大，不但可以生长大量的微生物，随着微生物的不断生长、富集，有利于多种形态微生物的繁殖，提高处理效能。并且由于厌氧、缺氧和好氧的多样环境的存在可以促进硝化反硝化效果，同时促进污泥的减量化。
采用磁性生物载体的活性污泥工艺去除COD、氨氮和TN的效率及承受毒物的浓度都优于普通活性污泥法，而且可以明显改善污泥絮体结构和沉降性能，克服污泥膨胀，可以大幅度提高活性污泥的浓度，增大单位容积的处理能力。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种磁性微生物载体，其特征在于：所述磁性微生物载体具有磁性的交联结构的高分子聚合物，所述高分子聚合物为聚乙烯醇缩甲醛，所述聚乙烯醇缩甲醛通过复合增强组分发泡改性，且还包含包硅磁粉，所述复合增强组分为活性炭微粒、硅藻土、高岭土、粉煤灰、亲水二氧化硅中的至少一种；
制备所述磁性微生物载体所用的原料及其含量如下：
聚乙烯醇PVA：3.81 ~9.62wt. %；
复合增强组分：2.25~17.33 wt. %；复合增强组分粒径：10-300μm；
40 wt. %的甲醛：3.1~8.21 wt. %；
乙二醇：4.23~10.46 wt. %；
淀粉：0.38~0.96 wt. %；
水：40.30~90.30 wt. %；
包硅磁粉：1.67~2.5 wt. %；
所述包硅磁粉即硅包裹四氧化三铁粉末。
2.根据权利要求1所述的一种磁性微生物载体，其特征在于：所述磁性微生物载体所具有的磁性强度为0.15~0.25emu/g。
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