CN103951084A - 一种基于网状载体的固定化直筒状生物活性填料制备及应用 - Google Patents

一种基于网状载体的固定化直筒状生物活性填料制备及应用 Download PDF

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Abstract

一种基于网状载体的固定化直筒状生物活性填料制备及应用，属于水处理领域。直筒状生物活性填料由包埋体和载体两部分组成；载体是以聚乙烯、聚丙烯为主要材料，并添加聚乙烯醇亲水材料经热熔或板材热压而成的直筒状载体；载体的网状结构，可使包埋体贯穿网孔和载体形成铆固结构而增加填料整体稳定性；包埋液由细菌浓缩液和聚乙烯醇溶液混合组成；包埋液均匀涂布于网状载体上，经硼酸二次交联后形成包埋体，并结合于网状载体得到生物活性填料。本发明所制备的固定化直筒状生物活性填料，不仅解决了细菌优势建立困难、易流失等问题，而且提高了反应器处理能力，缩短了启动时间，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于网状载体的固定化直筒状生物活性填料制备及应用
技术领域
本发明属于水处理领域，特别涉及一种基于网状载体的固定化直筒状生物活性填料制备及应用。
背景技术
微生物细胞固定化技术可以大幅度提高微生物浓度，使微生物不易流失、缩短反应器启动时间、抗毒性和耐酸碱、耐盐能力明显增强，能纯化和创造特性细菌的生态优势，产生特性高效反应，显示出良好的应用前景。微生物细胞常用的固定化方法有吸附法、交联法和包埋法。其中,以包埋法最为常用，已成功地用于微生物细胞包埋的材料有:聚乙烯醇、琼脂、K-卡拉胶、明胶、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、聚氨酯等。上述包埋材料具有对微生物无毒性、传质性能好、不易被生物分解、性质稳定、机械强度高、寿命长、价格低等特点。
目前，传统的细菌包埋方法是将细菌与包埋材料结合在一起，形成包埋体，例如微球、包埋块等。此方法操作简单，但局限性大，无法理想应用到工程实际当中。我们经过多年研究，在传统的包埋方法上做了改进，将包埋体与载体结合在一起，形成整体的生物活性填料。由于包埋体和载体的有机结合，使生物活性填料具有更多的性能，其继承了原有单纯细菌与包埋材料的所有优点；由于载体材料的应用使生物活性填料具有各种载体所具有的特性，例如易流动性、比表面积大、不易堵塞等优点；还可根据需要做成可悬浮式、可沉淀式、可漂浮式或者区域“固定式”等具有其它功能的各种形式的生物活性填料。实验研究表明，利用现有的拉西环、鲍尔环、阶梯环、悬浮改性填料等传统载体与包埋体通过粘附方式结合起来制得的生物活性填料均存在整体稳定性差，包埋体容易脱落，造成细菌流失等问题。
针对上述问题，我们开发出一种整体稳定性好的固定化生物活性填料具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于开发出一种基于网状载体的固定化直筒状生物活性填料，该生物活性填料载体的网状结构设计，使包埋体通过网孔和载体交联形成整体的铆固结构，包埋体不易脱落，并且包埋体能在网状结构上形成毫米级的薄膜结构，使制得的生物活性填料整体稳定性好，整体通透性好，传质效果较高。网状载体设计为直筒状，水流对生物活性填料的切向摩擦可以加快生物活性填料表面生物膜的更新，避免杂菌生长，中空结构可使流体穿过，不会造成生物膜堵塞。
为了实现上述状态，本发明采用了以下技术方案：
一种基于网状载体的固定化直筒状生物活性填料，其特征在于：所述的直筒状生物活性填料整体是中空直筒状，具有网孔的载体被包含菌体的包埋体通过网孔和载体交联形成整体的铆固结构，包埋体在网状结构上形成毫米级的薄膜结构。
网状载体以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂高分子材料为主，添加适量聚乙烯醇（PVA）亲水材料，通过丝条热熔成型或板材热压成孔方式，制成具有网状筒壁的筒状结构载体，筒状结构直径为0.5-3cm，高为0.5-3cm，其筒壁的网孔形状可为圆形、菱形、正方形、矩形。优选网孔的丝径0.5-2mm。
上述一种基于网状载体的直筒状生物活性填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂高分子材料为主，添加适量聚乙烯醇（PVA）亲水材料，通过丝条热熔成型或板材热压成孔等方式，制成网状壁面的直筒状结构载体；
（2）将聚乙烯醇溶液与细菌浓缩液混合形成的包埋液均匀涂布在直筒状结构载体的外表面上，根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将涂布有包埋液的直筒状结构载体放入饱和硼酸溶液中1-3h后，调节硼酸溶液pH到8-10，交联3-24h，将其取出，洗净表面残留物质，得到生物活性填料。
聚乙烯醇（PVA）的添加量可以根据需要适当调整，此为现有技术，优选聚乙烯醇（PVA）的质量百分含量为5-10%。
本发明基于网状载体的直筒状生物活性填料应用于水处理。
本发明所述的基于网状载体的固定化直筒状生物活性填料的有益效果主要体现在：
1.网状结构的设计，使包埋体通过网孔形成整体的铆固结构，包埋体不易脱落，使制得的生物活性填料整体稳定性好，有利于保持较高的细菌浓度；
2.网状载体设计为直筒状，水流对生物活性填料的切向（筒壁外表面切向）摩擦可以促使生物填料沿中心轴旋转，进而加快生物活性填料表面生物膜的更新，避免杂菌的生长，中空结构可使流体穿过，不会造成筒状内腔生物膜堵塞；
3.实验研究表明，以传统填料为载体固定化得到的生物活性填料，稳定性差，2天内包埋材料几乎全部脱落，而以网状载体固定化得到的生物活性填料整体稳定性好，填料寿命在3年以上；
4.固定化制得的生物活性填料，整体密度可接近于水、大于水或者小于水，可制成悬浮式、沉淀式或者漂浮式，可根据水处理工况条件的需求制成具有某种功能的生物活性填料，例如可固定式等；
5.网状载体由聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂为主要材料，添加了聚乙烯醇（PVA）亲水材料，改善了载体的亲水性，增加了载体与包埋体粘结的强度，提高了整体的稳定性；
6.生物活性填料由于网状骨架结构的存在使包埋体可以实现结构厚度较小的同时又不失整体结构对水处理运行环境的变化性，较小的厚度能实现较高的传质效率和包埋体较高的利用率，如果用包埋体自身材料做成如此厚度在水处理工艺处理单元里无法实现良好的填料性能；
7.固定化生物活性填料包菌量大，可建立菌群优势，处理效率高；
8.生物活性填料的表面积全部为有效面积，避免了材料的浪费。
附图说明
图1为直筒状生物活性填料示意图；
图2为Ⅰ-Ⅰ剖面示意图；
图3为Ⅱ-Ⅱ剖面示意图。
图中1.网丝，2.包埋体。
具体实施方式
下面结合实施案例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实例1
1.网状载体的制备
以聚丙烯等高分子聚合物为主要材料，添加亲水材料聚乙烯醇（PVA）（优选5%的含量），制成直径为0.5‐1.5cm，高为0.5‐1.5cm的直筒状结构网面载体，其网孔形状为正方形，丝径为0.5mm。
2.硝化细菌的处理
以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，将筛选富集培养后的硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到3.5×109个/mL的硝化细菌浓缩液。
3.硝化细菌包埋液的获取
称取聚乙烯醇500g，加入4000ml超纯水后加热至90℃溶解15min，取出搅拌均匀后再加热至90℃溶解5min，取出后搅拌均匀并冷却至30℃，将4000ml聚乙烯醇溶液和制备好的1000ml浓缩液混合，并加入100g碳酸钙，搅拌均匀后制成5000ml包埋液。
4.包埋液和网状载体的结合
将包埋液均匀涂布在网状载体外表面，确保网状载体表面全部被包埋液覆盖均匀。
5.硝化细菌生物活性填料的制备
将步骤（4）中涂抹包埋液的网状载体放入饱和硼酸溶液中，使其处于淹没状态，静置3h，调节溶液pH至9.0，静置4h完成固定化，清洗，得到硝化细菌生物活性填料，
此生物活性填料比重在0.95‐1.10之间。
6.生物活性填料活性的应用
向100L的反应器中投加包埋好的筒状生物活性填料，填充率为30%，水温25±2℃，HRT=4h，pH为7.5‐8.5，溶解氧为2.0‐4.0mg/L，NH4 +‐N浓度为160mg/L，生物活性填料在气提的作用下成悬浮流化状态，按时测定反应器的硝化效果。出水检测结果表明，反应器在培养1周后恢复到包埋前的硝化活性的97.5%，NH4 +‐N浓度在3mg/L以下，去除率在98.1%以上，生物活性填料连续运行3年，不出现脱落，硝化效果稳定。
实例2
1.网状载体的制备
以聚乙烯等高分子聚合物为主要材料，添加亲水材料聚乙烯醇（PVA）（含量6%），制成直径为1.0‐2.0cm，高为1.0‐2.0cm的直筒状网状载体，其网孔形状为菱形，丝径0.5mm。
2.硝化细菌的处理
以城市污水厂二沉池剩余污泥为菌源，将筛选富集培养后的硝化细菌菌悬液离心浓缩，得到3.5×109个/mL的硝化细菌浓缩液。
3.硝化细菌包埋液的获取
称取聚乙烯醇5kg，加入40L超纯水后加热至90℃溶解15min，取出搅拌均匀后再加热至90℃溶解5min，取出后搅拌均匀并冷却至30℃，将40L聚乙烯醇溶液和制备好的10L硝化细菌浓缩液混合，并加入1kg碳酸钙，搅拌均匀后制成50L包埋液。
4.包埋液和网状载体的结合
将包埋液均匀涂布在直筒状载体表面，确保网状载体表面全部被包埋液覆盖均匀。
5.硝化细菌生物活性填料的制备
将步骤（4）中涂抹包埋液的网状载体放入饱和硼酸溶液中，使其处于淹没状态，静置3h，调节溶液pH至9.0，静置4h完成固定化，清洗，得到硝化细菌生物活性填料，此生物活性填料比重在0.95‐1.10之间。
6.生物活性填料活性的应用
向1m3的实验室中成熟的A2O反应器的好氧池中投加包埋好的直筒状生物活性填料，填充率为30%，水温20±2℃,HRT=2.5h，溶解氧为2.0‐4.0mg/L，进水水质为城市生活污水（NH4 +‐N浓度为40‐70mg/L），按时测定好氧池的硝化能力，检测结果表明，反应器在培养1周后达到稳定状态，出水NH4 +‐N浓度为5mg/L以下，去除率在90%以上，运行1年后仍无包埋体脱落现象，硝化性能稳定。
上述实例表明，利用网状载体进行硝化细菌固定化制备生物活性填料操作过程简单，包埋体与载体通过网孔形成的整体铆固结构，使制得的生物活性填料整体稳定性好、包埋体不易脱落，细菌浓度较高，可在培养1周后恢复到包埋前硝化活性的97.5%，且此生物活性填料稳定性好，使用寿命长，具有较好的应用前景。

Claims (4)

1.一种基于网状载体的直筒状生物活性填料，其特征在于：所述的直筒状生物活性填料整体是中空直筒状，具有网孔的载体被包含菌体的包埋体通过网孔和载体交联形成整体的铆固结构，包埋体在网状载体上形成毫米级的薄膜结构。
2.权利要求1的一种基于网状载体的直筒状生物活性填料，其特征在于：网状载体以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或ABS树脂高分子材料为主，添加适量聚乙烯醇（PVA）亲水材料，通过丝条热熔成型或板材热压成孔方式，制成具有网状筒壁的筒状结构载体，筒状结构直径为0.5-3cm，高为0.5-3cm，其筒壁的网孔形状为圆形、菱形、正方形或矩形，网丝的丝径0.5-2mm。
3.制备权利要求1或2的一种基于网状载体的直筒状生物活性填料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS树脂高分子材料为主，添加适量聚乙烯醇（PVA）亲水材料，通过丝条热熔成型或板材热压成孔方式，制成网状壁面的直筒状结构载体；
（2）将菌液和聚乙烯醇溶液混合形成的包埋液均匀涂布在直筒状结构载体的外表面上，根据聚乙烯醇-硼酸二次交联方法，将涂布有包埋液的直筒状载体放入饱和硼酸溶液中1-3h后，调节硼酸溶液pH到8-10，交联3-24h，将其取出，洗净表面残留物质，得到直筒状生物活性填料。
4.权利要求1或2的任一一种基于网状载体的直筒状生物活性填料用于水处理。
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