CN101671077B - 一种废水脱氮填料上的挂膜材料 - Google Patents

一种废水脱氮填料上的挂膜材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种废水脱氮填料上的挂膜材料，该挂膜材料包括聚酰胺、粘结在所述聚酰胺上的纳米级硅酸盐类无机物质，所述纳米级硅酸盐类无机物质在所述挂膜材料中占的比例为1％-20％(重量百分比)。该挂膜材料形成的填料可以显著提高废水中氨氮和硝态氮的去除率，即对废水中的氮的去除能力强。有机物聚酰胺与纳米级无机物硅酸盐相粘结，使得聚酰胺与硅酸盐类无机物质形成的挂膜材料的强度也增高，抗断裂能力增强，可防止挂膜材料在使用时发生断裂，影响脱氮效果。

Description

一种废水脱氮填料上的挂膜材料
技术领域
本发明涉及一种废水脱氮填料上的挂膜材料。
背景技术
目前我国近海岸海域水质污染严重，主要污染因子是氨氮，水体中氨氮主要来源于工业排放的含氮废水和生活污水，在废水或者污水处理中，现有的挂膜材料形成的填料，如软性填料和半软性填料形成的组合填料，一般都不是专门针对去除废水中的氨氮设计的，因此对废水中氨氮的去除能力较低，去除率不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种废水脱氮填料上聚酰胺类有机与无机杂化形成的挂膜材料，应用该材料可提高废水中氨氮的去除率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种废水脱氮填料上的挂膜材料，该挂膜材料包括聚酰胺、粘结在所述聚酰胺上的纳米级硅酸盐类无机物质，所述纳米级硅酸盐类无机物质在所述挂膜材料中占的比例为1％-20％(重量百分比)。
所述聚酰胺由环内酰胺或氨基酸或二元胺和二元酸的反应物聚合而成。
所述的环内酰胺为丁内酰胺或己内酰胺。
所述的二元胺为己二胺或对苯二胺，所述的二元酸为己二酸或对苯二甲酸。
所述的氨基酸为7-氨基庚酸。
所述纳米级硅酸盐类无机物质可选用硅藻土、蒙脱土、海泡石粉、沸石或高岭土中的一种或者其任意组合的混合物。
下面将“背景技术”中的组合填料与应用本发明挂膜材料的填料进行实验对比，处理综合化工废水，表1为组合填料与聚酰胺有机与无机杂化填料的处理氨氮数据的对比，表2为组合填料与聚酰胺类有机与无机杂化填料处理硝态氮数据的对比，如下所示：
表1
  进水氨氮浓度(mg/l)   33   46   57.5   62.5   64   70
  组合填料出水NH3-N浓度(mg/l)   18.15   24.38   28.75   28.125   27.52   29.4
  聚酰胺有机无机杂化填料出水NH3-N浓度(mg/l)   3.96   4.6   5.175   5   4.48   3.5
表2
  进水硝态氮浓度(mg/l)   32   48   60   65   67   70
  组合填料出水NO3 -N浓度(mg/l)   17   30   50   52   56   50
  聚酰胺有机无机杂化填料出水NO3 -N浓度(mg/l)   6.4   9.12   10.2   9.75   9.38   9.8
由于本发明采用了以上的技术方案，其优点如下：通过聚酰胺与纳米级硅酸盐类无机物质杂化形成的挂膜材料，应用于填料中时，该填料可以显著提高废水中氨氮和硝态氮的去除率，即对废水中的氮的去除能力强。有机物聚酰胺与纳米级无机物硅酸盐相粘结，使得聚酰胺与硅酸盐类无机物质形成的挂膜材料的强度也增高，抗断裂能力增强，可防止挂膜材料在使用时发生断裂，影响脱氮效果。
具体实施方式
下面进一步阐述本发明。
一种废水脱氮填料上的挂膜材料，该挂膜材料包括聚酰胺、粘结在聚酰胺上的纳米级硅酸盐类无机物质，纳米级硅酸盐类无机物质在挂膜材料中占的比例为1％-20％(重量百分比)。本实施例中，以挂膜材料上吸附的微生物的分子式和组成为蓝本，根据微生物分子式C60H87O23N12P、C18H19O9N、C11H29O7N和C5H7O2N来确定各种元素的百分比例，从而最终确定合成聚酰胺的单体。合成聚酰胺的单体可选用环内酰胺或氨基酸或二元胺和二元酸类物质，环内酰胺可选用丁内酰胺或己内酰胺，二元胺可为己二胺或对苯二胺，二元酸可为己二酸或对苯二甲酸，氨基酸可为7-氨基庚酸。下面具体阐述聚酰胺的制备方法：
方法一：采用溶液法通过己二胺和己二酸合成聚酰胺：
将称量好的己二胺2mol溶解于200ml去离子水中，将称量好的己二酸2mol加入到干燥洁净的三口烧瓶中，将三口烧瓶置于45℃～55℃的恒温水浴槽中。在搅拌条件下，将己二胺溶液逐渐加入到三口烧瓶中，补加去离子水，使得反应体系总量为1000ml，最后加入已经称量好的催化剂亚磷酸钠，亚磷酸钠占总重量的百分比为0.1％，同时进行搅拌，搅拌速度为80r/min，反应5h，将反应物置于空气中冷却时很快有结晶盐析出，将制得的盐再进行聚合反应。具体来说，将制成的盐和一定量的去离子水加入高压聚合釜中，通入氮气吹扫1～5min，开始逐渐升温并开始搅拌，温度升至50℃-60℃时搅拌转速调至200～400r/min.在120℃左右停留约40min，之后在1h内升温至200℃左右，在200℃左右停留40min，之后在30min内将温度升至210～220℃，此时釜内压力约为260psi(大约为1792.7kPa)，反应完毕后，在1h内将压力降为常压，在氮气保护下趁热将釜内产物取出，可观察到产物为白色或者微黄色，将产物置于100℃真空干燥箱中干燥12h以上，即得到聚酰胺。
方法二：通过己内酰胺合成聚酰胺：
将一定量的己内酰胺加入反应器中，加热熔融，待熔体温度达130℃时，开启真空泵减压蒸馏10-20min(要求体系压力在1.33kPa以内)，加入催化剂甲醇钠溶液在真空下反应，催化剂甲醇钠与单体己内酰胺的摩尔比为0.003，甲醇钠溶液可以以金属钠和甲醇为原料来制备，待熔体温度加热至135℃维持10min，停止抽真空和加热。加入一定量的甲苯二异腈酸酯(TDI)，搅匀，迅速注入已预热至160℃的模具中，在160-170℃恒温干燥箱中聚合5-30min，冷却后脱模，即制得聚酰胺。TDI是一种活化剂，该活化剂与单体己内酰胺的摩尔比为0.003。
纳米级硅酸盐类无机物质可选用硅藻土、蒙脱土、海泡石粉、沸石或高岭土中的一种或者其任意组合的混合物。将合成的聚酰胺与纳米级的硅酸盐类无机物质在溶剂中混合，硅酸盐类无机物质的含量占总重得1％～2％，溶剂可选用水或有机溶剂，上述提到的沸石是一种含水架状结构的多孔硅铝酸盐，由于其较大的比表面积、较高的化学和生物稳定性、良好的吸附性能和交换性能，可以作为一种极性吸附剂，可吸附有极性的分子和细菌，并对细菌有富集作用，不仅如此，有机物聚酰胺与纳米级无机物硅酸盐相粘结，使得聚酰胺与硅酸盐类无机物质形成的挂膜材料的强度也增高，抗断裂能力增强，可防止挂膜材料在使用时发生断裂，影响脱氮效果。
通过上述工艺，挂膜材料制成纺丝原液，然后将纺丝原液制成丝条。将丝条穿插和固着在耐腐蚀和耐高温的中心绳上，使丝条呈立体均匀排列辐射状态，可形成悬挂式立体弹性填料，中心绳选用耐腐蚀和耐高温和耐老化的材料。悬挂式立体弹性填料在有效区域内能立体全方位均匀舒展满布，使气、水、生物膜得到充分混渗接触交换，生物膜不仅能均匀地着床在每一根丝条上，保持良好的活性和空隙可变性，而且能在运行过程中获得较大的比表面积，从而能进行良好的新陈代谢。该种填料可以应用于厌氧、缺氧和好氧废水处理技术中，广泛应用于化工、炼焦、食品、造纸、冶金、垃圾渗滤液等所有含氮废水处理的行业中。
由本发明挂膜材料制得的填料置于待处理的废水中，每根填料具有一定的直径，应用于厌氧、缺氧和好氧工艺中，通过硝化和反硝化作用进行脱氮，废水中存在着有机氮、NH3-N、NOx-N等形式的氮，而其中以NH3-N和有机氮为主要形式。在通过填料进行生物脱氮处理过程中，有机氮被微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成NH3-N，而后NH3-N经硝化过程转化为NOx-N，最后通过反硝化作用使NOx-N转化成N2，而逸入大气。填料中沿其直径方向自外向内分布有碳化菌、亚硝化菌、硝化菌和水解酸化菌，首先在最外层好氧层，碳化菌可以把有机废物变为不易降解有机物和CO2，之后，亚硝化菌、硝化菌把NH3-N氧化为NO2-N和NO3-N，随着氧气被耗尽，在缺氧层和厌氧层，NO2-N和NO3-N可以被反硝化为N2，同时在最里层厌氧层，不易降解有机物可以变为容易降解有机物，作为反硝化碳源，也可以在此层发生厌氧氨氧化。填料的丝条上均匀附着于生物膜，使得在填料的表面进行硝化作用，而由于内部逐渐降低O2的浓度，从而保持填料内部一定深度的缺氧层不被氧气穿透，产生反硝化作用。硝化作用的产物可直接作为反硝化作用的底物被去除，避免了培养过程中硝酸盐的积累对硝化细菌的抑制，以及由于硝化作用造成的pH值下降，从而形成同步硝化反硝化，加速硝化反应的进程，生物脱氮工艺的效能大为提高。进一步来说，NH3-N转变为NO2-N或NO3-N后，NO2-N或NO3-N作为氧化剂，在去除同样的NH3-N和有机氮的情况下，避免了O2的大量利用和节省了100％的混合液回流。

Claims (5)

1.一种废水脱氮填料上的挂膜材料，其特征在于：该挂膜材料包括聚酰胺、粘结在所述聚酰胺上的纳米级硅酸盐类无机物质，所述纳米级硅酸盐类无机物质在所述挂膜材料中占的比例为1％-20％(重量百分比)，所述纳米级硅酸盐类无机物质选用硅藻土、蒙脱土、海泡石粉、沸石或高岭土中的一种或者其任意组合的混合物。
2.根据权利要求1所述的挂膜材料，其特征在于：所述聚酰胺由环内酰胺聚合而成，或者由氨基酸聚合而成，或者由二元胺和二元酸的反应物聚合而成。
3.根据权利要求2所述的挂膜材料，其特征在于：所述的环内酰胺为丁内酰胺或己内酰胺。
4.根据权利要求2所述的挂膜材料，其特征在于：所述的二元胺为己二胺或对苯二胺，所述的二元酸为己二酸或对苯二甲酸。
5.根据权利要求2所述的挂膜材料，其特征在于：所述的氨基酸为7-氨基庚酸。
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