CN103466782B - 一种高亲和性生物载体 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水处理生物载体技术领域，特别涉及一种高亲和性生物载体。该生物载体的原料为天然竹子，经过筛选、加工、浸泡、化学改性、烘烤、碱洗、干燥步骤，即得高亲和性生物载体。本发明可以应用在众多的水处理技术及设备中，如接触氧化，曝气生物滤池，各型生物流化床。
Description
技术领域
本发明属于水处理生物载体技术领域，特别涉及一种高亲和性生物载体。
背景技术
生物膜技术因其降解能力强、接触时间短、占地面积小以及投资少等特点得到了长足的发展与应用。活性污泥法是污水生物处理领域内使用最早、最为成熟的工艺，但是活性污泥法存在占地面积大、剩余污泥多、脱氮效果差、管理费用高、容易发生污泥膨胀和污泥容易流失等缺点。而生物膜法能克服活性污泥法的缺点，生物膜法中作为微生物载体的填料，决定了反应器内附着微生物和内部传质效果。
凡能为生物膜提供附着生长固定表面的材料都成为生物载体(或填料)。生物和生物载体间的吸附速度、结合紧密度等不仅与生物特点有关，也和生物载体的特性有关。为提高生物与载体间的吸附效果、吸附速度等，培养出优势菌种很必要，但是在水处理环境因素，生物种群一定的情况下，生物载体的表面特性、孔隙结构、比表面积、材料等都对生物的吸附、载体的传质和水处理能力有非常重要的影响，故生物载体在生物膜法中有着重要的影响和作用。
目前广泛应用的生物载体材料各异，样式繁多。主要有无机类、有机类以及有机无机复合型载体等。无机类的如天然无机矿物材料直接作为载体或经过改性后用做载体，如陶土颗粒、砂粒、活性炭、火山岩颗粒等，大部分的无机载体存在表面粗糙、生物亲和力好的特点，且来源广泛，很容易获得，因此价格低廉，但是普遍存在着载体比重大、流态化能耗高，因此运行费用较高。
有机类的载体的有天然材料也有有机合成的。天然有机类一般是由天然材料直接经过加工而成，如木材颗粒，玉米秸秆等，这类材料生物相容性好、生物降解性好而导致寿命较短，但是其密度、孔径等不便加以控制。
发明内容
本发明的目的就是提供一种生物膜生长迅速，培养容易，比表面积大的高亲和性生物载体。
本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的。
一种高亲和性生物载体，该生物载体的原料为天然竹子，经过筛选、加工、浸泡、化学改性、烘烤、碱洗、干燥步骤，即得高亲和性生物载体。
所述的筛选是指要选取3年以上的竹材。
所述的加工是指分片、成条、切割成尺寸为1mm～5mm左右的方块颗粒。
所述的浸泡是指在水中浸泡24小时以上。
所述的化学改性是指在氧化过程，即浸泡后的竹子与氧化剂在水中反应2小时以上。所述氧化剂是指Fe2+和H2O2、辣根过氧化酶/H2O2、过氧化硫酸铵、高溴酸钾中之一。
所述烘烤是指在惰性气体保护下，100-200摄氏度烘烤15分钟以上。
所述烘烤需控制表面碳化程度不超过20％。
所述碱洗是指在碱性溶液中浸泡5小时以上，碱性溶液是指NaOH、KOH、LiOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2中之一。
所述的一种高亲和性生物载体，用于生物膜法进行污水处理。
本发明具有下述优点：
1、本发明是以天然竹子为基本原料制备的高生物亲和性生物载体，可以应用在众多的水处理技术及设备中，如接触氧化，曝气生物滤池，各型生物流化床。
2、本发明的生物载体具有如下特点：高效生物亲和性，生物膜生长迅速，培养容易，比表面积大，生物膜不易脱落，载体不易结块，且载体比重合理，运行节能。
3、本发明生物载体密度略重于水，流化过程需要曝气量小，更为节能。
4、通过对竹子里所含的戊聚糖进行交联反应，使本发明生物载体具有高亲 水性表面，生物亲和性显著提高，更利于微生物的附着和生长。
本发明使用竹子作为主要原料来生产生物载体，选择竹子的原因在于其原料来源广泛易得，价格较为低廉；竹子本身就是一种有机生物材料，和微生物膜有良好的相容性，挂膜容易；而且竹材料可以缓慢降解而不造成长久污染，避免了现有塑料载体等造成的白色污染。通过化学、物理改性的竹子载体可以改变其原有比较表面积和孔径的大小，可以提升其比表面积以及生物亲和性。
本发明经过筛选多种材料后采用以天然竹子为原材料来制备载体。
经过测定，干竹子的比重在0.68～0.8之间，而浸泡水后的竹子比重在1.1-1.2之间(根据生长年限以及不同品种有一定的差异)，比较适合在水中流化。未加工过的竹子横断面孔径基本为较为规则的圆孔，尺寸大多在30-50µ
m，而侧断面的孔径一般为长圆形
状，长约40-80µ
m，宽约20-30µ
m。无论在微生物接触到的是横向或者纵向加工面，都非常适合微生物的固着。
竹材的化学成分在不同的属种之间会有一些差别,一般来讲整竹由50％～70％的全纤维素、30％的戊聚糖和20％～25％的木素组成。竹茎中可溶性淀粉的含量为2％左右,淀粉总量为2％～6％,蛋白质含量为1.5％～6％,脂肪含量为2％～4％。竹茎在存放和使用过程中极易受到虫害及霉菌的影响,这与竹茎中糖类与淀粉的丰富含量有关。这就决定了竹材料有天然的生物亲和性，极易被微生物附着。因此对于载体就有积极的意义。
同时由于竹材料中的多种聚糖、蛋白质、脂肪以及纤维素都可以被生物降解而成为生物代谢的原料。这对于作为载体有利有弊。有利方面在于载体可以被生物降解，最终不会造成污染，而弊端在于如果不加以控制，过快的降解速度会造成载体寿命过短，更换频繁，一方面增加劳动强度，同时也会增加投资及运行成本。对竹子载体的表面化学改性是利用了竹子中含有较多的有机物，如 淀粉、戊聚糖以及纤维素等，这些都是可以经过化学反应来改变其性能的。
因此对天然竹材料物理加工控制其尺寸以及孔径，并通过化学改性来降低其降解性是必要的。
本发明中所涉及物理改性是指对其进行浸泡抽提，去除了大量可溶性有机物，并且扩张了竹材料的孔径。而对竹子载体的化学改性是对原有材料物理改性以及表面化学改性，使之更加适合作为生物载体来使用。
本发明中烘烤的目的是去除可挥发性的污染物并使材料表面被碳化，大幅度增加材料的孔隙率。
本发明中的化学改性主要利用了材料中的有机成分戊聚糖，戊聚糖一个非常重要的性质就是其氧化交联性质，也就是在氧化剂存在条件下，戊聚糖在水溶液中能相互交联，使溶液粘度增加。在化学改性中氧化剂是必需的，戊聚糖氧化交联常用的氧化剂是过氧化氢和过氧化物酶，另外，其它一些可以产生游离基的氧化剂也可以使戊聚糖发生氧化交联反应，如过硫酸氨、高碘酸钠等。可以产生游离基的氧化剂才能使戊聚糖发生氧化交联反应。可以有效地促进戊聚糖的氧化交联。交联后，戊聚糖的吸水能力大大增加，吸水量可以达到它本身重量的10倍。
本发明在制备过程充分地利用了竹子的多孔的物理结构以及其化学特征。在蒸煮，烘烤等过程中去除了大量的污染物，不会给水处理***带来瞬间过大负荷的压力，同时使得原来的孔隙率增大，粗糙多孔的表面可以保证了较强的附着力和摩擦力，利于微生物的附着和栖居，不会清洗脱落。后续化学改性将其中的戊聚糖交联，形成了三维立体结构，使得原来溶于水的戊聚糖大部分被固定在空隙表面，不会溶解在水中而造成污染，而且经过交联的戊聚糖吸水性好，更有利于初始微生物的附着和生长。竹子中的纤维素和木质素都是难降解的， 经过部分碳化后其成分改变为含硅以及碳更高，可以降低竹子材料在水中的降解速度，大大延长载体的使用寿命。
附图说明
图1是原竹颗粒以及本发明生物载体SEM照片比较。
具体实施方式
下面结合附图对发明作进一步的说明。
本发明对改性前后载体的性能进行了研究，具体如下：
一、本发明生物载体性能研究评价试验
1、仪器和设备：电子天平，量筒，烧杯，马弗炉，生物流化床模型，曝气机等实验室常用设备。
2、测试方法如下：
a)密度测定：
干密度测量：将称重过的竹子投加在盛水的量筒中，读取前后体积差，然后计算密度。
湿密度测量方法及过程：将经过浸泡充分吸水的竹条取出，控水约30min至观察表面无水渗出。然后测试方法同干密度测定。
b)COD—重铬酸盐法《GB11914-89》
c)TP—钼酸铵分光光度法《GB11893-89》
d)NH3-N—纳氏试剂分光光度法《HJ535-2009》
e)挂膜评价为感官评价。
3、检测对象：
a)本发明生物载体制备方法如下：以3年生以上的竹材为原料，分片，成 条，切成3mm左右的方块颗粒；在水中浸泡24h以上，打捞晾干；再将方块颗粒打捞至含有的Fe2+和H2O2水中反应2h以上；取出晾干；氮气保护下，将以上步骤得到的中间产品在烘箱中200℃烘烤20min，取出冷却至室温；得到中间产品投入到含0.5％浓度NaOH溶液中浸泡24h后烘干，即为本发明生物载体。
b)原竹颗粒载体制备方法如下：以竹子为原料，分片，剖成条，切成3mm左右的方块颗粒。
4、试验结果及说明
本试验结果如表一所示。
表一本发明生物载体性能研究评价表
以上表格说明：本发明的生物载体与原竹颗粒载体相比较，本发明的生物载体的性能发生很大的变化，其密度更加接近水，亲水性增强且孔隙率增加。具体见说明书附图1，在说明书附图1中左图是原竹颗粒载体表面SEM照片，右图是本发明生物载体表面SEM照片，右图生物载体的孔隙率明显大于左图载体的孔隙率。
二、挂膜试验
将试验一中的检测对象进行挂膜试验，比较发现，达到同样的挂膜量，本发明生物载体比原竹颗粒的时间短大约3-5天，生物培养过程减少了大约10-20％左 右。说明本发明生物载体具有优良的挂膜性能。
三、本发明生物载体处理污水试验
以流化床中试设备来处理化粪池污水，用现有技术中很常见的空心多面球作为流化床载体(直径为2-3cm)，污水在流化床中实际停留时间约2.1小时，后经沉淀后排出。再以同重量的本发明生物载体代替多面空心球，经生物培养驯化后，比较稳定运行阶段进出水指标，水力停留时间仍维持在2.1小时。
采用多面空心球以及本发明生物载体的生物膜培养采用以下的方法：
取污水处理厂活性污泥6L，加入营养液至25L(C:N:P＝100：5：1)，另外投加载体共2kg。开始闷曝3天，然后采用间歇曝气方式培养污泥，控制曝气和厌氧时间比大致为3:1；后面每天沉降后置换上层清液为营养液，总培养时间为7天。以后逐渐定量引入化粪池水进行生物驯化，每天观察挂膜情况并监测出水COD，NH3‐N，TP，至每天出水污染指标基本稳定视为载体挂膜水平达到稳定期。
为取得较为准确的结果，两种载体应用对比数据采用了挂膜稳定后连续运行30天的平均数据。
对比结果如下：
备注：表中所有的污染指标单位均为mg/L。
以上试验结果说明，采用本发明生物载体挂膜达到稳定时间比多面空心球要快约3天左右，最终稳定运行阶段载体上生物膜量要大于同重量的多面空心球载体。
Claims (5)
1.一种高亲和性生物载体，其特征在于：该生物载体的原料为天然竹子，经过筛选、加工、浸泡、化学改性、烘烤、碱洗、干燥步骤，即得高亲和性生物载体；所述的筛选是指要选取3年以上的竹材；所述的加工是指分片、成条、切割成尺寸为1mm～5mm的方块颗粒；所述的浸泡是指在水中浸泡24小时以上；
所述的化学改性是指在氧化过程，即浸泡后的竹子与氧化剂在水中反应2小时以上；所述烘烤是指在惰性气体保护下，100-200摄氏度烘烤15分钟以上。
2.如权利要求1所述的一种高亲和性生物载体，其特征在于：所述氧化剂是指Fe2+和H2O2、辣根过氧化酶/H2O2、过氧化硫酸铵、高溴酸钾中之一。
3.如权利要求1所述的一种高亲和性生物载体，其特征在于：所述烘烤需控制表面碳化程度不超过20％。
4.如权利要求1所述的一种高亲和性生物载体，其特征在于：所述碱洗是指在碱性溶液中浸泡5小时以上，碱性溶液是指NaOH、KOH、LiOH、Mg(OH)2、Ca(OH)2中之一。
5.如权利要求1所述的一种高亲和性生物载体，用于生物膜法进行污水处理。
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