CN1898303A - 细菌载体材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由无机非金属材料颗粒与塑料粒子组成的复合材料。该复合材料尤其适合作为用于净化装置的细菌载体材料。它的特征在于适于细菌可以附着于较大的表面，以及可使该复合材料悬浮于净化装置的介质中的比重。本发明的复合材料的另一优点在于，由于复合材料特定的表面结构，粘附污泥与饱和细菌能够从其表面脱落，从而使材料再生。

Description

细菌载体材料
技术领域
本发明涉及由无机非金属颗粒与塑料粒子组成的复合材料，其尤其适合作为细菌的载体材料。该载体材料的一个优选应用领域是污水处理装置的生物阶段。
技术背景
在当前用于污水处理的大多数生物方法中，主要是利用微生物使用氧对有机污染物进行氧化的能力。因此，对于污水处理装置的运行，非常关心的是提供一种载体材料，其为污水处理装置中的细菌提供适合的生存条件。为此，关键在于，一方面提供细菌能在其形成菌落的尽可能大的表面；而另一方面，载体材料的比重相应于待处理液体的比重，使得载体材料可悬浮在该液体中并通过现有的流动而循环。所需细菌载体的另一个标准是具有足够光滑的表面，使在载体材料上积聚的污泥，包括饱和细菌在内，可以时常从载体上脱落，从而为新生细菌的生长提供空间并因此使污水处理单元再生。
已知在固定床过滤器中使用熔岩和/或小圆石作为细菌载体。但是，其缺点是载体比水比重大，因此不能悬浮。另一缺点是压力损失大。在污水处理装置中使用这些材料作为细菌载体的又一缺点是，在该情况下污染问题没有得到满意解决，并且该类载体材料的表面积太小。
另外，已知在污水处理装置中使用塑料载体，尤其是模塑材料基塑料载体。但是，它们的缺点在于最大仅为600m2/m3的小的表面积，以及它们部分地倾向于漂浮。
还使用陶瓷基载体，但是它们也不理想，因为，一方面，它们不可悬浮，另一方面，它们的生产成本太高。
发明概述
鉴于上述现有技术，本发明的目的是提供用于污水处理装置的细菌载体材料，其具有大的比表面积以利于细菌形成菌落，其可悬浮于污水处理装置的含水介质中，并且其在运行期间通过足够光滑的表面使得污泥及饱和细菌脱落。
通过权利要求1的复合材料实现了本发明的这个目的。从属权利要求2和3描述了复合材料的优选实施方案。
本发明还涉及本发明的复合材料在作为细菌载体材料中的用途。权利要求4-6中描述了本发明的该方面。
本发明还涉及本发明的复合材料的制备方法。权利要求7和8描述了该方法。
发明详述
1.定义
1.1除非另有所指，本说明书中所用的术语“孔”、“有孔的”以及“孔隙率”的意思是指开放的孔。因此，这些术语涉及可从外界到达的孔。
1.2“比表面积”是按照DIN 66131采用BET方法通过氮吸附测定的。
1.3可到达的(开放)“孔隙率”是按照DIN 66133利用水银孔隙率计测定的。
1.4“粒度”是按照DIN 53477通过筛分分析测定的。
1.5“孔隙率”由式(I)定义：
P＝V×100％/(1/S+V)           (I)
其中P是孔隙率[％]，S是真比重[g/cm3]，并且V是比孔容[cm3/g]。
1.7“比孔容”和“孔径”是按照DIN 66133使用水银孔隙率计测定的。当通过水银孔隙率计测量比孔容时，检测渗透入样品的水银的量以及所需的压力。通过这些数据，利用水银的已知毛细力，可以得到孔容和孔径。基于水银只能渗入可到达的孔这一事实，测量只能确定开放孔隙率。
1.8“真比重”(固体比重)是按照DIN 66137-2测定的。
2.无机非金属材料
在本发明的复合材料中所用的无机非金属材料的作用是提供足够大的表面积以用于细菌形成菌落。除了比表面积的大小外，其结构也是适合细菌形成菌落的关键。对于细菌形成菌落，特别优选无机非金属材料具有可从外界到达的孔并且该孔不是太小，以确保与周围介质有充分的材料交换。
根据本发明，通过具有下列特征的惰性材料满足上述要求：
-10,000m2/m3至1,000,000m2/m3的比表面积，
-10％至80％的孔隙率
-至少50％的孔具有0.1μm至1000μm的孔径，以及
-多于50％的颗粒具有0.1mm至50mm的粒度
材料的比表面积优选为25,000m2/m3至500,000m2/m3，更优选为100,000m2/m3至500,000m2/m3。类似地，有利地使用其中至少80％的孔的孔径优选为0.5μm至100μm的材料，更优选为5μm至50μm。还优选70％的材料的粒度为0.1mm至50mm，更优选为1mm至20mm。所用材料的(开放)孔隙率优选为40％至80％，更优选为50％至70％。
无机非金属材料(下述塑料材料亦然)的特征还在于，当它在周围介质中(即，通常在含水介质中)用作细菌载体时，它在周围介质中是惰性的，也就是说它既不溶解也不发生化学反应。
对无机非金属材料的化学组成不作具体限定，只要它满足上述要求即可。例如，可以根据本发明使用下列无机非金属材料：沸石、活性炭、粘土颗粒、多孔硅酸盐材料。
DE 100 22 798公开了一种特别优选的材料。
使用常规技术制备本发明的无机非金属材料。
通过研磨和/或筛分得到无机非金属材料的适当粒度。
3.塑料粒子
根据本发明使用的塑料粒子的作用是，一方面，通过与无机非金属材料结合，使复合材料的比重与周围介质的比重相应，从而使该复合材料悬浮于该介质中。
另一方面，通过比无机非金属材料更光滑的塑料材料表面，使污泥和饱和细菌从复合材料的表面脱离。
为实现该目的，希望塑料粒子的比重为0.6g/cm3至1.2g/cm3，优选为0.9g/cm3至1.1g/cm3；比表面积为50m2/m3至1000m2/m3，优选为100m2/m3至500m2/m3；并且多于50％的塑料粒子的粒径为5mm至100mm，优选8mm至60mm。
基本上每种塑料材料都适用于本发明，只要能够由其制得满足上述条件的粒子即可。本发明使用的典型塑料为PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PU(聚氨酯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)以及PVC(聚氯乙烯)。
对塑料粒子的形状不作具体限定，可以使用球形、盘形、透镜状或立方体形的粒子，混合形状的粒子以及完全不规则形状的粒子。
通过制备过程确定颗粒的大小与形状。
4.复合材料
复合材料的一个基本特征是既有无机非金属材料颗粒又有塑料粒子。它们的相对重量比(无机非金属材料∶塑料粒子)通常为85∶15至15∶85。成分的精确重量比可以通过所需复合材料的比重以及成分的比重来确定，并且可由本领域所属技术人员容易地实现。
当用作污水处理装置中的细菌载体材料时，根据污水处理装置中介质的比重来确定复合材料的比重。考虑到颗粒的可悬浮性，有利地选择复合材料的比重使之与介质比重的偏差不超过20％。更优选复合材料的比重与介质比重的偏差不超过10％。特别优选复合材料的比重在介质比重的±5％范围内。这就是说，例如对于比重为1g/cm3的介质，复合材料的比重应为0.8g/cm3至1.2g/cm3，优选0.9g/cm3至1.1g/cm3，更优选0.95g/cm3至1.05g/cm3。
希望复合材料的成分互相结合，从而当使用时(例如，当用于污水处理装置的运行时)，它们能够承受产生的机械载荷。对于成分的结合方式不作具体限定，并且可以包括在塑料粒子熔融条件下挤压，以及成分的粘结。
对复合材料内成分的空间排列也不作具体限定。因此，在本发明的复合材料中，除了无机非金属材料颗粒与塑料粒子之间的接触点外，还可以存在无机非金属颗粒自身之间的和/或塑料粒子自身之间的接触点。
还优选选择复合材料的成分并使之互相结合，从而使复合材料的比表面积为500m2/m3至750,000m2/m3，更优选为10,000m2/m3至700,000m2/m3。对复合材料颗粒的大小与形状基本不作限定。但是，已证实具有环形底面的盘形颗粒是有利的，其直径为1cm至10cm，优选2cm至6cm，并且厚度为2mm至20mm，优选5mm至10mm，其中这些盘形颗粒可以具有较大的空腔。
5.复合材料的应用
本发明的复合材料特别适合用作污水处理装置的生物处理阶段的细菌载体材料。其用量通常相当于反应器的5体积％至50体积％，优选10体积％至40体积％。
非必须地，当应用该材料时，可以把相应的细菌植入载体材料中。
本发明的复合村料的用途不局限于污水处理装置。实际上，它也可以作为细菌载体而用于许多其它用途，例如化学工业中的生物反应器、食品工业中的发酵反应器等。对于这些应用，可能需要调节成分以满足稳定性、比重、毒性等方面的现有规定和要求。基于本领域所属技术人员的一般专业知识，以及在常规试验的帮助下，可以容易地进行调节。
6.复合材料的制备
可通过下列步骤由所述成分制备本发明的复合材料
(1)混合无机非金属材料与塑料粒子；
(2)将所述混合物填充在所需的模具中；
(3)熔融塑料粒子的表面；以及如果需要
(4)将熔融的塑料粒子与无机非金属材料的颗粒挤压在一起；
其中步骤(4)可与步骤(3)同时进行，或在步骤(3)之后进行。
通过在高于塑料熔点的温度下把塑料粒子加热5分钟至60分钟，进行步骤(3)中的熔融。优选地，只应熔融颗粒的边缘区域，从而使颗粒的结构与形状通过它的核得以保持。但是，颗粒的轻微变形是无害的。
制备方法通常包括无机非金属材料与塑料材料的混合，以适合的烧结形状进行填充，以及如果需要的话，挤压。然后按照具有温度参数与驻留时间(VWZ)参数的预定烧结程序，在烧结设备中烧结混合物。在驻留时间时间内，塑料粒子在烧结设备中完成共烧结，以包裹无机非金属材料。
在一个优选实施方案中，使用塑料粉末实现无机非金属材料与塑料粒子的结合。可在熔融前的任何适合的时间添加塑料粉末。塑料粉末的粒度优选为0.2mm至1.5mm，更优选为0.2mm至1.0mm。小的粒度有助于成分的熔融以及所导致的结合。塑料粉末因而起到媒介的作用。
塑料粉末的适宜材料是塑料粒子的材料，当然也可以使用相似的材料。在此处“相似的材料”是指材料的比重为0.6g/cm3至1.2g/cm3，优选0.9g/cm3至1.1g/cm3。另外，塑料粉末的熔点应当与塑料粒子的熔点相近。优选地，塑料粉末的熔点应当高于塑料粒子熔点不超过10％并且低于塑料粒子熔点不超过30％。
优选使用的塑料粉末的量取决于所用的其它材料，并且可以通过简单的基本试验来确定。在任何情况下都希望塑料粉末的量应至少多至能够防止成分从复合材料中脱离。另一方面，不希望把塑料粉末的相对量提高得太多，以致于超过了简单覆盖所有表面所需的量。
7.实施例
通过与具有下列性质的陶瓷材料相结合来制备复合材料。
原材料：
硅酸盐材料
孔径：                             0.1μm至100μm
材料比重：                         2.2g/cm3
孔隙率：                           60％
比表面积                           350,000m2/m3
塑料材料：
HDPE
比重：                             1.035g/cm3
塑料粉末：
HDPE
比重：                             0.951g/cm3
软化温度：                         84℃(Vicat B50 to ISO 306)
加工温度：                         230℃
驻留时间：                         20分钟.
比重：                             ca.1g/cm3
粒度：                             20mm至50mm
比表面积                           ca.175,000
复合材料可悬浮于污水处理装置的介质中，并能使细菌形成菌落。在处理装置的测试操作时发现，由于细菌和污泥可从载体中除去，细菌形成菌落的载体可以良好地再生。

Claims (8)

1.一种比重为0.8g/cm3至1.2g/cm3的复合材料，包括下列成分：
(a)一种或多种无机非金属材料的颗粒，其具有10,000m2/m3至1,000,000m2/m3的比表面积，10％至80％的孔隙率，其中至少50％的孔具有0.1μm至1000μm的孔径，并且其中超过50％的颗粒具有0.1mm至50mm的粒度；以及
(b)一种或多种塑料粒子，其具有0.6g/cm3至1.2g/cm3的比重，50m2/m3至1000m2/m3的比表面积，其中大于50％的塑料粒子具有0.01mm至100mm的粒度。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中无机非金属材料的比表面积为25,000m2/m3至500,000m2/m3。
3.根据权利要求1或2中的一项或多项所述的复合材料，其中无机非金属材料与塑料粒子的重量比为15∶85至85∶15。
4.权利要求1-3中的一项或多项所述的复合材料，在作为细菌载体材料中的用途。
5.根据权利要求4所述的用途，用于水处理装置中。
6.根据权利要求4或5所述的用途，其中复合材料的比重相应于周围介质的比重。
7.一种制备权利要求1-3中一项或多项所述的复合材料的方法，包括下列步骤：
(1)混合无机非金属材料与塑料粒子；
(2)将混合物填充在模具中；
(3)熔融塑料粒子的表面；以及如果需要
(4)将熔融的塑料粒子与无机非金属材料的颗粒压在一起；
其中步骤(4)可与步骤(3)同时进行，或在步骤(3)之后进行。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在步骤(3)之前加入塑料粉末，该塑料粉末是由与塑料粒子相同或相似的材料制成。
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