CN103130336A - 一种增强生物填料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种增强生物填料及其制备方法。所述增强生物填料包括：多孔性基材；和粘附在所述多孔性基材上的短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料。通过根据本发明的方法制备的增强生物填料所粘附的粉体不易脱落，耐水力冲击性能好；接触角比较小，生物亲和性强；不仅具有高比表面积，同时具有微生物群落和营养缓释功能，排泥方便。

Description

一种增强生物填料及其制备方法
技术领域
本发明涉及废水处理领域，并且具体地，涉及一种增强生物填料及其制备方法。
背景技术
在废水处理领域中，由于成本的优势，常使用微生物来处理各种来源的废水，例如城市生活废水和工业废水，如煤气化工艺产生的废水等。在用微生物处理废水的过程中，常使用填料作为微生物繁殖生长的载体。微生物大量生长，在填料上形成膜状生物群落，构成的食物链可有效地去除水中的有机污染物，这种填料被称为生物填料。
现有的生物填料种类繁多，例如定型固定式填料、悬挂式填料、悬浮式填料以及组合填料等。该类型的填料一般采用聚氯乙烯(PVC)塑料，聚氨酯发泡塑料以及其它有机聚合物等改性加工而成。一般来说生物填料比表面积越大，在处理废水时越能有效地吸附难降解物质，提高难降解物质的停留时间。其表面组成及其结构越稳定，材质表面的生物适应性越好，这样形成的生物膜面积就越大，膜稳定性越好。
在目前的活性污泥处理工艺中，各种组合后或者改性后的生物填料逐步改善了填料比表面小，挂膜慢的问题。例如，中国专利(申请号：96229685.6)公开了使用胶粘剂将活性炭颗粒粘附到母体材料制备复合生物填料，通过粘附活性炭增加填料比表面积，并利用颗粒活性炭和生物膜的协同作用，提高填料处理废水稳定性。但是，在使用颗粒活性炭胶粘母体材料的情况下，在水处理过程中，由于水流作用，颗粒活性炭容易脱落，造成生物挂膜损失，失效相对较快，处理工作周期短。
因此，具有重要意义的是开发出这样的增强生物填料，其在保持较高的比表面积的同时，在活性炭等对基材的粘附能力方面得到改进，同时具有微生物群落和营养缓释功能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了深入细致的研究。发明人发现，通过在制备负载有活性炭颗粒的生物填料的制备过程中引入短切活性碳纤维，可以克服在所制备的产品中活性炭容易脱落，从而造成失效快，周期短的缺陷。由此，本发明得以完成。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种增强生物填料，所述增强生物填料包括：
多孔性基材；和
粘附在所述多孔性基材上的短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料。
根据本发明的第二方面，本发明还提供一种用于制备增强生物填料的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)将所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料均匀混合，以得到混合物；
(b)将粘合剂喷涂在所述多孔性基材的表面上；和
(c)将步骤(a)中得到的所述混合物与步骤(b)中得到的表面涂敷有粘合剂的多孔性基材混合，以制备表面粘附有所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料的所述增强生物填料。
通过根据本发明的方法制备的增强生物填料所粘附的粉体(如活性炭颗粒等)不易脱落，耐水力冲击性能好；接触角比较小，生物亲和性强；不仅具有高比表面积，而且排泥方便。同时可以根据需要制备具有微生物群落和营养缓释功能的生物填料。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案的增强生物填料的表面结构示意图。
图2是活性炭直接粘附在基材表面上的生物填料的表面结构示意图。
图3是显示在本发明中进行地下煤气化废水处理试验的过程中所使用的反应器的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种增强生物填料及其制备方法。所述增强生物填料可以克服活性炭容易脱落，从而造成失效相对较快，周期短的缺陷。通过在填料表面负载短切活性碳纤维和活性炭颗粒，可以在提高生物填料比表面积的同时，利用两种材料的结构特性复合增强该填料的机械性能，即：同时实现作为新型填料的功能体(高比表面积)和增强体(机械性能)作用。其原理如下：选取具有高比表面的短切活性碳纤维和活性炭颗粒作为增强材料，前者为纤维状，具有一维高拉伸强度，后者为近似球形状，具有三维均向性。将两种材料通过基体相材料固定在填料表面上，形成一种高比表面的超混杂复合增强层。如图2中的示意图所示，当活性炭颗粒直接粘附在基材表面上时，在实际使用中，长期的流体冲刷会使固定相层的活性炭颗粒吹落，造成比表面损失，使用效果会很大程度上减弱。如图1中的示意图所示，在加入短切活性碳纤维后，纤维会与活性炭颗粒随机交错，并以随机方式半埋或者全埋地固定在固定相层上，当在使用中有外部流体冲刷时，活性炭颗粒会受到短切活性碳纤维拉伸牵制作用，所以不会轻易脱落。由于短切活性碳纤维和活性炭颗粒的随机分布，所以无论受到任何方向的冲刷，活性炭颗粒都会受到纤维的牵制作用；与此同时由于选取高比表面积纤维，整体填料比表面积会得到提高。
基于以上内容，本发明提供一种增强生物填料，所述增强生物填料包括：
多孔性基材；和
粘附在所述多孔性基材上的短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料。
根据本发明的某些实施方案，所述短切活性碳纤维的直径为5-40μm，优选为10-30μm，并且更优选为约20μm，长度为50-1000μm，优选为250-750μm，并且更优选为约500μm。
根据本发明的某些实施方案，所述活性炭颗粒的直径为30-150μm，优选为40-80μm，并且更优选为45-75μm。
根据本发明的某些实施方案，基于所述短切活性碳纤维和所述活性炭颗粒的总重量，所述短切活性碳纤维的量为1-50重量％，优选为10-30重量％，并且更优选为15重量％左右。
根据本发明的某些实施方案，基于所述短切活性碳纤维和所述活性炭颗粒的总重量，所述活性炭颗粒的量为50-99重量％，优选为70-90重量％，并且更优选为85重量％左右。
在本发明中，对所述多孔性基材没有具体限制，只要是普通用于废水处理的多孔性基材即可。根据本发明的某些实施方案，所述多孔性基材选自聚氨酯发泡材料、聚醚发泡材料、丝瓜纤维材料等，包含但不限于以上材料中的一种或多种。根据本发明的某些优选实施方案，所述多孔性基材的孔径为0.1-10mm，更优选1-5mm。对所述多孔性基材的形状没有特别限制，其可以为球形、方形、以及柱状等。
根据本发明的某些实施方案，所述用于废水处理的生物材料包含用于废水处理的菌剂和用于所述菌剂的营养物。所述用于废水处理的菌剂选自硝化菌、反硝化菌和脱硫菌中的一种或多种。所述用于所述菌剂的营养物选自碳酸钠、碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸氢盐、尿素中的一种或多种。
另外，本发明提供一种用于制备增强生物填料的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)将所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料均匀混合，以得到混合物；
(b)将粘合剂喷涂在所述多孔性基材的表面上；和
(c)将步骤(a)中得到的所述混合物与步骤(b)中得到的表面涂敷有粘合剂的多孔性基材混合，以制备表面粘附有所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料的所述增强生物填料。
根据本发明的某些实施方案，步骤(a)包括将所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料均匀混合，并且将得到的混合物放置在回转箱中进行混合。
根据本发明的某些实施方案，步骤(b)包括将所述多孔性基材固定在转盘的支架上，并且在旋转转盘的同时，将粘合剂喷涂在所述多孔性基材的表面上。
根据本发明的某些实施方案，步骤(c)包括将步骤(b)中得到的表面涂敷有粘合剂的多孔性基材放置到步骤(a)中的所述回转箱中，以制备表面粘附有所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料的所述增强生物填料。
根据本发明的某些实施方案，在以上所述的用于制备增强生物填料的方法中，所述回转箱的转速为100-300rpm。
根据本发明的某些实施方案，所述短切活性碳纤维的直径为5-40μm，优选为10-30μm，并且更优选为约20μm，长度为50-1000μm，优选为250-750μm，并且更优选为约500μm。
根据本发明的某些实施方案，所述活性炭颗粒的直径为30-150μm，优选为40-100μm，并且更优选为45-75μm。
根据本发明的某些实施方案，基于所述短切活性碳纤维和所述活性炭颗粒的总重量，所述短切活性碳纤维的量为1-50重量％，优选为10-30重量％，并且更优选为15重量％左右。
根据本发明的某些实施方案，基于所述短切活性碳纤维和所述活性炭颗粒的总重量，所述活性炭颗粒的量为50-99重量％，优选为70-90重量％，并且更优选为85重量％左右。
在本发明中，对所述多孔性基材没有具体限制，只要其是普通用于废水处理的多孔性基材即可。根据本发明的某些实施方案，所述多孔性基材选自聚氨酯发泡材料、聚醚发泡材料、丝瓜纤维材料等，包含但不限于以上材料中的一种或多种。根据本发明的某些优选实施方案，所述多孔性基材的孔径为0.1-10mm，更优选1-5mm。
根据本发明的某些实施方案，所述用于废水处理的生物材料包含用于废水处理的菌剂和用于所述菌剂的营养物。所述用于废水处理的菌剂选自硝化菌、反硝化菌和脱硫菌中的一种或多种。所述用于所述菌剂的营养物选自碳酸钠、碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸氢盐、尿素中的一种或多种。所述用于所述菌剂的营养物可以起到两种作用：造孔剂；提供微生物生长所必需的营养元素。
在根据本发明的上述用于制备增强生物填料的方法，对所使用的粘合剂没有具体限制，只要其可以将短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料牢固地粘附在所述多孔性基材上即可。根据本发明，所述粘合剂优选为具有低粘度、长固化周期和常温固化的热塑性高分子胶粘剂。在本发明的某些实施方案中，采用一种混合粘合剂，其通过将RESOTHANE-SF-TM-C3902(一种有机高分子树脂单体，天津三成化工有限公司)、POLYHARD-UN50(一种有机高分子硬化剂，天津三成化工有限公司)和THINNER260(一种醇类有机溶剂，天津三成化工有限公司)以100∶33∶40的重量比混合而得到。
在根据本发明的上述用于制备增强生物填料的方法中，步骤(a)可以任选地以下列方式之一进行：
1)干法：将活性炭颗粒(100目-500目，粉体粒径大约为30μm-150μm)和短切活性碳纤维(直径为5-40μm并且长度为50-1000μm)分别在50-150℃干燥4-8小时，然后以1∶1-99∶1的以重量计的比例混合，以得到混合粉体；将30-100重量份的混合粉体，1重量份的粉状菌剂(硝化菌，反硝化菌，脱硫菌或其复合菌剂等)，1重量份的可溶性小分子营养物质(比如碳酸钠，碳酸氢钠，葡萄糖，磷酸氢盐，尿素等等混合物)混合；和将得到的混合物在回转箱中以100-300rpm的转速旋转混合；
2)湿法：将1重量份的可溶性小分子营养物质(比如碳酸钠，碳酸氢钠，葡萄糖，磷酸氢盐，尿素等等混合物)，5-50重量份的水，和1重量份的菌剂(硝化菌，反硝化菌，脱硫菌或其复合菌剂等)搅拌混合。将得到的混合液体喷洒到30-100重量份的活性炭颗粒(100目-500目，粉体粒径大约为30μm-150μm)和短切活性碳纤维(直径为5-40μm并且长度为50-1000μm)上，其中所述活性炭颗粒和短切活性碳纤维的重量比为1∶1-99∶1，进行搅拌。将得到的混合物在50-150℃真空干燥4-8小时。如果出现板结则用粉碎机和球磨机将板结的混合物磨碎至100-400目。将得到的混合物在回转箱中以100-300rpm的转速旋转混合。
具体地，在根据本发明的上述用于制备增强生物填料的方法中，步骤(b)和(c)包括：
1.取填料基材，用溶剂清洗其表面，具体地，聚氨酯发泡材料和聚醚发泡材料用水或者乙醇等清洗；丝瓜纤维材料用水清洗，以使得该填料基材的表面和以下粘合剂有较好的粘合作用；
2.配制粘合剂；
3.将处理后的填料基材固定在转盘的支架上，旋转转盘，并将转速控制在100-300rpm的范围内，同时以高压雾化方式将上述粘合剂喷涂附着到填料基材表面，直到粘合剂刚好布满填料表面为止；
4.将上述带有粘结剂的填料基材放入上述回转箱中，快速转动回转箱0.5小时至1小时；
5.将上述回转箱中粘有粉体的块状材料置入振动筛上回收多余的粉体(时间控制在直到没有多余粉体出来即可)；
6.将上述粘有粉体的生物填料基材放在超声波发生器中，超声环境下放置0.5小时；
7.常温下通风放置，直至粘合剂彻底固化为止；和
8.按照步骤4至8重复一遍。
测试方法
在根据本发明的方法中，对得到的增强生物填料关于形貌、水力冲击和废水处理等进行表征。所述表征方法具体描述如下。
1.形貌观察
取制备后生物填料的骨架材料一段，剪切成1mm的长段，且注意无损坏其表面，固定在载玻片上，通过奥林巴斯CX21显微镜在100倍的放大倍数下进行观察。
2.水力冲击实验
取生物填料样品50个，在真空下于60℃干燥8小时。采用分析天平(DENVER INSTRUMENT TB203)进行称重，得到试验前生物填料样品的平均重量(A)。然后将其装入圆柱形有机玻璃反应器(尺寸Φ130mm×240mm)中并且利用空气进行曝气。所述圆柱形有机玻璃反应器的底部设有曝气装置，内装3L水，曝气量为4L/min，连续曝气144小时。将填料取出，用真空烘箱(DZG-6050D真空干燥箱，上海森信实验仪器有限公司)在不抽真空的条件下60℃干燥4小时，然后在真空中在60℃干燥8小时。将最终的填料用分析天平称重，得到试验后生物填料样品的平均重量(B)。通过下列等式计算在水力冲击实验中的填料表面粉体损失率(％)。
填料表面粉体损失率(％)＝(A-B)/A×100％
3.地下煤气化废水处理
主要实施步骤如下：
1，制作反应器，该反应器有进水口，出水口，斜板以及曝气装置，其底部为20cm×20cm的正方形，具体装置示意图和尺寸如图3所示，其中：1为出水孔，2为进水口，3为曝气管，并且4为多孔斜板；
2，装填380个新制备填料并接种污泥驯化，其中填料尺寸规格为2cm×2cm×2cm；
3.1针对来自于地下煤气化的低浓度煤气化废水(CODCr大约700mg/L，其中CODCr根据GB 11914-89方法测量)，用蠕动泵控制地下煤气化废水进水速度，稳定运行后速度控制在57L/D，连续运行20天，室温平均25℃，并固定周期取样测CODCr；
3.2针对来自于地下煤气化的高浓度煤气化废水(CODCr大约5500mg/L，其中CODCr根据GB 11914-89方法测量)，用蠕动泵控制地下煤气化废水进水速度，稳定运行后速度控制在13L/D，连续运行20天，并固定周期取样测CODCr。
实施例
实施例1(具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料的制备及其性能表征)
通过下列步骤制备具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料。
1.将活性炭颗粒(椰壳，北京科诚光华有限公司，粉体粒径：30-80μm，比表面积大约1000m2/g)和短切活性碳纤维(STC1300，江苏苏通碳纤维有限公司，直径为10-30μm，长度0.05-0.5mm，即：Φ(10-30)μm*(50-500)μm，比表面积大约1300m2/g)分别在120℃干燥4小时；然后将600g经干燥的活性炭颗粒和100g经干燥的短切活性碳纤维放置到回转箱(圆筒形，直径40cm，长度100cm，旋转速度为100rpm)中，通过旋转进行充分混合；将10ml硝化菌剂(芭顿超级硝化细菌，广州金采虹公司，菌浓度为每毫升菌液5-7亿个硝化菌)混合在70mL水中，然后将混合后菌液喷洒在上述混合物上；最后将10g可溶性小分子营养物质(即碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸二氢钠、尿素的混合物，其中碳酸氢钠∶葡萄糖∶磷酸二氢钠∶尿素＝1∶10∶1∶1(重量比)，化学纯，北京化工厂)加入到回转箱中与之混合，备用；
2.取块状聚氨酯发泡材料(立方体，20mm×20mm×20mm)，用水清洗其表面，将其在空气中放置，直至没有明显液态水出现，然后在真空常温干燥8小时；
3.将RESOTHANE-SF-TM-C3902(天津三成化工有限公司)、POLYHARD-UN50(天津三成化工有限公司)和THINNER260(天津三成化工有限公司)(对应重量比例为100∶33∶40)均匀混合，以得到粘合剂均匀稀溶液；
4.将处理后的聚氨酯发泡材料置入圆筒形容器(容器尺寸：直径为80cm，高度为100cm，材料为普通玻璃，顶部无盖，顶部中心轴处配有高压雾化喷枪)中。将该容器固定在旋转转盘上，并将转速控制在100rpm范围内，同时以高压雾化方式将上述粘合剂均匀稀溶液喷涂附着到聚氨酯发泡材料表面，直到粘合剂刚好布满填料表面为止；
5.将上述带有粘结剂的聚氨酯发泡材料放入回转箱中，快速转动回转箱0.5小时；
6.将上述回转箱中粘有粉体的块状材料置入振动筛(普通铁丝网筛，4目)上回收多余的粉体；
7.将上述粘有粉体的聚氨酯发泡材料放在超声波发生器(KH-500DB数控超声波清洗器)中，常温，100％功率超声环境下放置0.5小时；
8.将得到的聚氨酯发泡材料常温下通风放置，直至粘合剂彻底固化为止；和
9.按照步骤4至8重复一遍。
根据以上测试方法部分中公开的内容对得到的填料关于形貌、水力冲击和废水处理等进行表征。
结果发现：
在通过奥林巴斯CX21显微镜的样品表面形貌观察试验中，可以清晰看到活性碳纤维和颗粒活性炭已经混合负载到聚氨酯发泡材料的表面。
通过水力冲击实验测量的填料表面粉体损失率(％)为14重量％。
当进水CODCr在700mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为0.991kg/m3；当进水CODCr在5500mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为1.575kg/m3。
比较例1(根据与中国专利申请CN96229685.6中公开的方法类似的方式制备的炭粉改性生物填料及其性能表征)
通过下列步骤制备炭粉改性生物填料。
1.将活性炭颗粒(椰壳，北京科诚光华有限公司，粉体粒径：30-80μm，比表面积大约1000m2/g)在120℃干燥4小时；然后将700g经干燥的活性炭颗粒放置到回转箱(圆筒形，直径40cm，长度100cm旋转速度为100rpm)中；将10ml硝化菌剂(芭顿超级硝化细菌，广州金采虹公司，菌浓度为每毫升菌液5-7亿个硝化菌))混合在70mL水中，然后将混合后菌液喷洒在上述活性炭颗粒上；最后将10g可溶性小分子营养物质(即碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸二氢钠、尿素的混合物，其中碳酸氢钠∶葡萄糖∶磷酸二氢钠∶尿素＝1∶10∶1∶1(重量比)，化学纯，北京化工厂)加入到回转箱中与之混合，备用；
2.取块状聚氨酯发泡材料(立方体，20mm×20mm×20mm)，用水清洗其表面，将其在空气中放置，直至没有明显液态水出现，然后在真空常温干燥8小时；
3.将RESOTHANE-SF-TM-C3902(天津三成化工有限公司)、POLYHARD-UN50(天津三成化工有限公司)和THINNER260(天津三成化工有限公司)(对应重量比例为100∶33∶40)均匀混合，以得到粘合剂均匀稀溶液；
4.将处理后的聚氨酯发泡材料置入圆筒形容器(容器尺寸：直径为80cm，高度为100cm，材质普通玻璃，顶部无盖，顶部中心轴处配有高压雾化喷枪)，该容器固定在旋转转盘上，并将转速控制在100rpm范围内，同时以高压雾化方式将上述粘合剂均匀稀溶液喷涂附着到聚氨酯发泡材料表面，直到粘合剂刚好布满填料表面为止；
5.将上述带有粘结剂的聚氨酯发泡材料放入回转箱中，快速转动回转箱0.5小时；
6.将上述回转箱中粘有粉体的块状材料置入振动筛(普通铁丝网筛，4目)上回收多余的粉体；
7.将上述粘有粉体的聚氨酯发泡材料放在超声波发生器(KH-500DB数控超声波清洗器)中，常温，100％功率超声环境下放置0.5小时；
8.将得到的聚氨酯发泡材料常温下通风放置，直至粘合剂彻底固化为止；和
9.按照步骤4至8重复一遍。
根据以上测试方法部分中公开的内容对得到的填料关于形貌、水力冲击和废水处理等进行表征。
结果发现：
在通过奥林巴斯CX21显微镜的样品表面形貌观察试验中，可以清晰看到只有颗粒活性炭负载到聚氨酯发泡材料的表面。
通过水力冲击实验测量的填料表面粉体损失率(％)为20重量％。
当进水CODCr在700mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为0.941kg/m3；当进水CODCr在5500mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为1.451kg/m3。
实施例2(具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料的制备及其性能表征)
通过干法制备具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料。
1.将活性炭颗粒(椰壳，北京科诚光华有限公司，粉体粒径：30-80μm，比表面积大约1000m2/g)和短切活性碳纤维(STC1300，江苏苏通碳纤维有限公司，直径为10-30μm，长度0.05-0.5mm，即：Φ(10-30)μm*(50-500)μm，比表面积大约1300m2/g)，分别在120℃干燥4小时，然后将600g经干燥的活性炭颗粒和100g经干燥的短切活性碳纤维放置到回转箱(圆筒形，直径40cm，长度100cm，旋转速度为100rpm)中，通过旋转进行充分混合；将70重量份的混合粉体，1重量份的粉状硝化菌剂，1重量份的可溶性小分子营养物质(即碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸二氢钠、尿素的混合物，其中碳酸氢钠∶葡萄糖∶磷酸二氢钠∶尿素＝1∶10∶1∶1(重量比)，化学纯，北京化工厂)混合；和将得到的混合物在回转箱(圆筒形，直径40cm，长度100cm，旋转速度为100rpm)中旋转混合；
以下步骤同实施例1制备步骤2到步骤9。
根据以上测试方法部分中公开的内容对得到的填料通过废水处理等进行表征。
结果发现：
当进水CODCr在5500mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为1.623kg/m3。
实施例3(具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料的制备及其性能表征)
通过下列步骤制备具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料。
1.将活性炭颗粒(椰壳，北京科诚光华有限公司，粉体粒径：30-80μm，比表面积大约1000m2/g)和短切活性碳纤维(STC1300，江苏苏通碳纤维有限公司，直径为5-40μm，长度0.1-0.5mm，即：Φ(10-30)μm*(100-500)μm，比表面积大约1300m2/g)分别在120℃干燥4小时；然后将350g经干燥的活性炭颗粒和250g经干燥的短切活性碳纤维放置到回转箱(圆筒形，直径40cm，长度100cm，旋转速度为100rpm)中，通过旋转进行充分混合；将10ml硝化菌剂(芭顿超级硝化细菌，广州金采虹公司，菌浓度为每毫升菌液5-7亿个硝化菌)混合在70mL水中，然后将混合后菌液喷洒在上述混合物上；最后将10g可溶性小分子营养物质(即碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸二氢钠、尿素的混合物，其中碳酸氢钠∶葡萄糖∶磷酸二氢钠∶尿素＝1∶10∶1∶1(重量比)，化学纯，北京化工厂)加入到回转箱中与之混合，备用；
以下步骤同实施例1制备步骤2到步骤9。
根据以上测试方法部分中公开的内容对得到的填料通过废水处理等进行表征。
结果发现：
当进水CODCr在5500mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为1.837kg/m3。
实施例4(具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料的制备及其性能表征)
通过下列步骤制备具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料。
1.将活性炭颗粒(椰壳，北京科诚光华有限公司，粉体粒径：30-80μm，比表面积大约1000m2/g)和短切活性碳纤维(STC1300，江苏苏通碳纤维有限公司，直径为10-30μm，长度0.1-0.5mm，即：Φ(10-30)μm*(100-500)μm，比表面积大约1300m2/g)分别在120℃干燥4小时；然后将793g经干燥的活性炭颗粒和7g经干燥的短切活性碳纤维放置到回转箱(圆筒形，直径40cm，长度100cm，旋转速度为100rpm)中，通过旋转进行充分混合；将10ml硝化菌剂(芭顿超级硝化细菌，广州金采虹公司，菌浓度为每毫升菌液5-7亿个硝化菌)混合在70mL水中，然后将混合后菌液喷洒在上述混合物上；最后将10g可溶性小分子营养物质(即碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸二氢钠、尿素的混合物，其中碳酸氢钠∶葡萄糖∶磷酸二氢钠∶尿素＝1∶10∶1∶1(重量比)，化学纯，北京化工厂)加入到回转箱中与之混合，备用；
以下步骤同实施例1制备步骤2到步骤9。
根据以上测试方法部分中公开的内容对得到的填料通过废水处理等进行表征。
结果发现：
当进水CODCr在5500mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为1.480kg/m3。
实施例5(具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料的制备及其性能表征)
通过下列步骤制备具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料。
1.将活性炭颗粒(椰壳，北京科诚光华有限公司，粉体粒径：80-150μm，比表面积大约1000m2/g)和短切活性碳纤维(STC1300，江苏苏通碳纤维有限公司，直径为10-30μm，长度0.05-0.5mm，即：Φ(10-30)μm*(50-500)μm，比表面积大约1300m2/g)分别在120℃干燥4小时；然后将200g经干燥的活性炭颗粒和100g经干燥的短切活性碳纤维放置到回转箱(圆筒形，直径40cm，长度100cm，旋转速度为100rpm)中，通过旋转进行充分混合；将10ml硝化菌剂(芭顿超级硝化细菌，广州金采虹公司，菌浓度为每毫升菌液5-7亿个硝化菌)混合在70mL水中，然后将混合后菌液喷洒在上述混合物上；最后将10g可溶性小分子营养物质(即碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸二氢钠、尿素的混合物，其中碳酸氢钠∶葡萄糖∶磷酸二氢钠∶尿素＝1∶10∶1∶1(重量比)，化学纯，北京化工厂)加入到回转箱中与之混合，备用；
以下步骤同实施例1制备步骤2到步骤9。
根据以上测试方法部分中公开的内容对得到的填料通过废水处理等进行表征。
结果发现：
当进水CODCr在5500mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为1.511kg/m3。
实施例6(具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料的制备及其性能表征)
通过下列步骤制备具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料。
1.将活性炭颗粒(椰壳，北京科诚光华有限公司，粉体粒径：30-80μm，比表面积大约1000m2/g)和短切活性碳纤维(STC1300，江苏苏通碳纤维有限公司，直径为10-30μm，长度0.5-1.0mm，即：Φ(10-30)μm*(500-1000)μm，比表面积大约1300m2/g)分别在120℃干燥4小时；然后将800g经干燥的活性炭颗粒和200g经干燥的短切活性碳纤维放置到回转箱(圆筒形，直径40cm，长度100cm，旋转速度为100rpm)中，通过旋转进行充分混合；将10ml硝化菌剂(芭顿超级硝化细菌，广州金采虹公司，菌浓度为每毫升菌液5-7亿个硝化菌)混合在70mL水中，然后将混合后菌液喷洒在上述混合物上；最后将10g可溶性小分子营养物质(即碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸二氢钠、尿素的混合物，其中碳酸氢钠∶葡萄糖∶磷酸二氢钠∶尿素＝1∶10∶1∶1(重量比)，化学纯，北京化工厂)加入到回转箱中与之混合，备用；
以下步骤同实施例1制备步骤2到步骤9。
根据以上测试方法部分中公开的内容对得到的填料通过废水处理等进行表征。
结果发现：
当进水CODCr在5500mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为1.571kg/m3。
实施例7(具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料的制备及其性能表征)
通过下列步骤制备具有超混杂复合增强层的高比表面聚氨酯生物填料。
1.将活性炭颗粒(椰壳，北京科诚光华有限公司，粉体粒径：80-150μm，比表面积大约1000m2/g)和短切活性碳纤维(STC1300，江苏苏通碳纤维有限公司，直径为10-30μm，长度0.5-1.0mm，即：Φ(10-30)μm*(500-1000)μm，比表面积大约1300m2/g)分别在120℃干燥4小时；然后将600g经干燥的活性炭颗粒和100g经干燥的短切活性碳纤维放置到回转箱(圆筒形，直径40cm，长度100cm，旋转速度为100rpm)中，通过旋转进行充分混合；将10ml硝化菌剂(芭顿超级硝化细菌，广州金采虹公司，菌浓度为每毫升菌液5-7亿个硝化菌)混合在70mL水中，然后将混合后菌液喷洒在上述混合物上；最后将10g可溶性小分子营养物质(即碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸二氢钠、尿素的混合物，其中碳酸氢钠∶葡萄糖∶磷酸二氢钠∶尿素＝1∶10∶1∶1(重量比)，化学纯，北京化工厂)加入到回转箱中与之混合，备用；
以下步骤同实施例1制备步骤2到步骤9。
根据以上测试方法部分中公开的内容对得到的填料通过废水处理等进行表征。
结果发现：
当进水CODCr在5500mg/L左右时，以上所述的用于地下煤气化废水处理试验的装置平均每立方反应器每天有机物处理负荷为1.498kg/m3。
通过将实施例1和比较例1中观察到的显微镜结果比较可知，在实施例1中得到的填料中，活性碳纤维和活性炭颗粒均匀地负载在基材表面上，而在比较例1中得到的填料中，只有活性炭颗粒负载在基材表面上。
在同样的实验条件下，具有活性碳纤维和活性炭混合增强的生物填料在水力冲击以后的填料表面粉体损失率(％)为14重量％，而只有活性炭颗粒改性的生物填料在水力冲击后的填料表面粉体损失率(％)为20重量％，说明通过活性碳纤维的加入，使得粉体表面机械强度增强。
通过实际处理地下煤气化废水运行可以看出，低浓度废水运行时，活性碳纤维和活性炭颗粒混合增强改性填料比只有活性炭颗粒改性的填料处理负荷提高5.31％；高浓度废水运行时，处理负荷提高8.55％。
本领域技术人员应当理解，在不背离本发明范围的情况下，可以进行多种修改和改变。这样的修改和改变意欲落入如后附权利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims (22)

1.一种增强生物填料，所述增强生物填料包括：
多孔性基材；和
粘附在所述多孔性基材上的短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料。
2.根据权利要求1所述的增强生物填料，其中所述短切活性碳纤维的直径为5-40μm并且长度为50-1000μm。
3.根据权利要求1所述的增强生物填料，其中所述活性炭颗粒的直径为30-150μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的增强生物填料，其中基于所述短切活性碳纤维和所述活性炭颗粒的总重量，所述短切活性碳纤维的量为1-50重量％。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的增强生物填料，其中基于所述短切活性碳纤维和所述活性炭颗粒的总重量，所述短切活性碳纤维的量为10-30重量％。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的增强生物填料，其中所述多孔性基材选自聚氨酯发泡材料、聚醚发泡材料、丝瓜纤维材料中的一种或多种。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的增强生物填料，其中所述多孔性基材的孔径为0.1-10mm。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的增强生物填料，其中所述用于废水处理的生物材料包含用于废水处理的菌剂和用于所述菌剂的营养物。
9.根据权利要求8所述的增强生物填料，其中所述用于废水处理的菌剂选自硝化菌、反硝化菌和脱硫菌中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的增强生物填料，其中所述用于所述菌剂的营养物选自碳酸钠、碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸氢盐、尿素中的一种或多种。
11.一种用于制备根据权利要求1所述的增强生物填料的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)将所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料均匀混合，以得到混合物；
(b)将粘合剂喷涂在所述多孔性基材的表面上；和
(c)将步骤(a)中得到的所述混合物与步骤(b)中得到的表面涂敷有粘合剂的多孔性基材混合，以制备表面粘附有所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料的所述增强生物填料。
12.根据权利要求11所述的方法，其中步骤(a)包括将所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料均匀混合，并且将得到的混合物放置在回转箱中进行混合。
13.根据权利要求11所述的方法，其中步骤(b)包括将所述多孔性基材固定在转盘的支架上，并且在旋转转盘的同时，将粘合剂喷涂在所述多孔性基材的表面上。
14.根据权利要求11所述的方法，其中步骤(c)包括将步骤(b)中得到的表面涂敷有粘合剂的多孔性基材放置到步骤(a)中的所述回转箱中，以制备表面粘附有所述短切活性碳纤维、活性炭颗粒和用于废水处理的生物材料的所述增强生物填料。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述短切活性碳纤维的直径为5-40μm并且长度为50-1000μm。
16.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述活性炭颗粒的直径为30-150μm。
17.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中在得到的所述增强生物填料中，基于所述短切活性碳纤维和所述活性炭颗粒的总重量，所述短切活性碳纤维的量为1-50重量％。
18.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中在得到的所述增强生物填料中，基于所述短切活性碳纤维和所述活性炭颗粒的总重量，所述短切活性碳纤维的量为10-30重量％。
19.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述多孔性基材选自聚氨酯发泡材料、聚氨酯发泡材料、聚醚发泡材料、丝瓜纤维材料的一种或多种。
20.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述用于废水处理的生物材料包含用于废水处理的菌剂和用于所述菌剂的营养物。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述用于废水处理的菌剂选自硝化菌、反硝化菌和脱硫菌中的一种或多种。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述用于所述菌剂的营养物选自碳酸钠、碳酸氢钠、葡萄糖、磷酸氢盐、尿素中的一种或多种。
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