CN105152306A - 一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，属于水处理技术领域。本发明的步骤为：1)将生物膜反应器中的老化生物膜填料取出，投放入洗脱容器中，用低浓度的表面活性剂溶液浸泡悬浮填料，同时以一定转速搅拌，1-1.5h后取出填料；2)用一定频率的超声对填料进行进一步处理，持续时间3-10min；3)用水冲洗悬浮填料，去除已松动却未脱离的老化生物膜。本发明解决了生物膜处理制药废水过程中，生物膜不易自然脱落再生，影响处理效率的问题，能够较高效地去除老化生物膜，并且不会产生对环境有害的二次污染物，是一种对环境友好的处理方法。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，更具体地说，是一种低浓度表面活性剂和超声技术联用短时间低成本处理制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法。
背景技术
作为常用的生物膜处理装置，移动床生物膜反应器具有容积负荷高、耐冲击性强、操作方便等优点。利用移动床生物膜反应器处理污水，经过一段时间后，生物膜会老化并难以自然脱落，这使得污水处理效率大幅降低，因此要求一段时间后人工去除老化生物膜，促进生物膜的再生，提高污染物的去除效率。
制药废水具有成分复杂，高COD，高盐度，悬浮物多，负荷波动大等特征，移动床生物膜反应器是处理制药废水的常用工艺。在处理过程中，生物膜在填料表面生长成熟老化，填料表面会带有其他悬浮杂质和盐结晶，导致老化膜很难用普通方法去除。
常用的生物膜控制方法主要分为物理法和化学法。物理法包括提高水力剪切力、增大曝气强度、水力反冲洗、振动筛、超声等。物理方法大部分是填料表面生物膜的原位去除方法，操作较为繁琐，能耗较大。而其中超声法是生物膜的异位去除方法，其对单一物种细菌生物膜的处理效率较高。但由于制药废水生物膜具有物种多样性和多相异质性，与填料紧密结合，且填料表面有盐结晶和其他固体杂质，故超声法处理制药废水生物膜的效果受到限制。
化学法包括酸、碱、氧化剂等，其主要机理是对微生物新陈代谢环节产生阻碍，钝化酶的活性，溶解微生物细胞壁。化学法是常用的生物膜异位去除方法，去除效率高，但是对生物膜再生不利。例如，利用酸碱处理老化生物膜，处理效率较高，但会破坏形成生物膜的微生物的细胞结构，并影响生物膜的再生。而利用氧化剂不仅会破坏生物膜细胞结构，还有可能对生物膜依附的填料表面性能产生不良影响。
关于老化生物膜的去除，经检索，中国专利申请号201410734593.4，申请日为2015年3月4日，发明创造名称为：一种悬浮老化生物膜填料修复再生方法；该申请案涉及一种老化悬浮生物膜填料修复再生方法，包括：1)将生物膜反应器中的老化生物膜悬浮生物填料取出晾干；2)启动振动筛，使老化且松动的生物膜和在此积聚生成的污泥脱落并随后排出；3)酸碱化学洗脱；采用先混合酸洗，后碱洗；4)酶制剂进一步洗脱；所述酶制剂为蛋白酶；5)将步骤4)处理后的填料晾干，并将填料放回生物膜反应器；6)生物膜再生；通入空气或者氧气，同时加入微量元素营养液实现对生物膜的最终更新。该申请案可以去除悬浮填料表面老化、结垢的生物膜，有效、快速地实现生物填料的更新再利用。然而该申请案对老化生物膜振动处理后利用酸、碱、酶制剂等多种试剂进行后续洗脱，虽然处理效果好，但需要耗费大量成本，并且酸碱废液会对环境产生污染，还会对填料表面结构造成一定程度的损坏。
中国专利申请号201080017850.2，申请日为2010年4月1日，发明创造名称为：用于自表面除去微生物的方法；该申请案用于在接触包括(但不限于)含水系统的系统表面上除去微生物生物膜的方法，其包括向含水系统中加入有效量的基于碳硅烷的表面活性剂，以自水系中的表面基本上去除微生物生物膜，同时由于其非常低的排放浓度，在排放时对非目标水生有机体存在极小的危险。但该申请案需要将碳硅烷表面活性剂和氧化性及非氧化性杀生物剂相结合，在处理过程中需要经过搅拌、生理盐水稀释、超声等步骤，在转移过程中需要保证无菌条件，应用条件严苛，适用于实验室少量生物膜的去除，不适于大规模工程应用。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明鉴于制药废水生物膜处理过程中，如果不及时去除填料表面的老化生物膜，会导致生物膜系统对废水的处理效率大大降低的问题，提供了一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法；本发明采用表面活性剂和超声联用技术，不仅可以快速高效地去除老化生物膜，为生物膜的更新再生创造良好条件，且不会产生有毒副产物。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其步骤为：
步骤一、将表面生物膜已老化的悬浮填料从移动床生物膜反应器中取出，投放入洗脱容器中，采用表面活性剂溶液浸泡；
步骤二、对步骤一所得填料进行超声处理；
步骤三、用水冲洗步骤二所得填料，去除已松动却未脱离的老化生物膜。
更进一步地，步骤一所述表面活性剂为阴离子表面活性剂，具体可为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或鼠李糖脂中的一种，所述表面活性剂溶液的质量浓度为50-100mg/L。
更进一步地，步骤一采用表面活性剂溶液浸泡填料的同时，以250-400r/min的转速搅拌，搅拌装置为增力电动搅拌器，搅拌处理时间为1-1.5h。
更进一步地，步骤一中表面活性剂溶液用量为填料体积的3-4倍。一般移动床生物膜反应器的填料填充率为30％-50％时处理效果较好，本发明中适当添加液相体积，使得搅拌更加均匀，有利于提高老化生物膜去除效率。
更进一步地，步骤二中超声频率为25-35kHz，超声处理时间为3-10min。一般超声清洗常用频率为28、40、59、68kHz，频率越高对清洗对象损坏越小，空化强度也越弱。本发明采用25-35kHz的清洗频率能够保证较大的强度，有利于短时间获得好的清洗效果。
更进一步地，步骤三中采用压力为0.2-0.3MPa的水冲洗填料。
更进一步地，所述填料的直径为10-35mm，比重0.96-0.98g/cm3，填料堆积个数为58000-365000个/m3，有效比表面积为350-850m2/m3，孔隙率为85％-92％。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其采用表面活性剂处理生物膜，不同于酸碱或氧化剂，表面活性剂利用其亲疏水的特性与生物膜的EPS(胞外聚合物)结合并乳化脂质，可以快速高效地促进老化生物膜脱离载体表面，为生物膜的更新再生提供了良好条件；
(2)本发明的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其采用表面活性剂处理后再使用超声对生物膜进行处理，不仅不需要添加超声清洗剂，节省了成本，且与表面活性剂反应后，生物膜的EPS大分子结构被破坏，再经过超声处理，容易从填料表面脱离，老化生物膜的去除效果好；
(3)本发明的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，采用低浓度表面活性剂溶液与超声联用的技术，总处理时间不超过2小时，去除效率达到60％，且表面活性剂在去除老化生物膜方面具有低毒性、高效性、专一性等优点，老化生物膜的处理成本低，处理效果好。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明将低浓度表面活性剂和超声联用短时间处理悬浮填料老化生物膜的方案作进一步的描述。
实施例1
本实施例的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，利用表面活性剂和超声联用的技术异位去除老化生物膜。其步骤为：
步骤一、将表面生物膜已老化的悬浮填料从处理四环素废水的移动床生物膜反应器中取出，投放入洗脱容器中。本实施例中悬浮填料的直径为25mm，比重为0.96g/cm3，堆积个数为58000个/m3，有效表面积为350m2/m3，孔隙率为85％。选用鼠李糖脂作为脱膜剂(即表面活性剂)，调配成质量浓度为100mg/L的鼠李糖脂溶液，以4倍填料体积的溶液浸泡填料，并用300r/min的转速进行搅拌，1h后取出填料。
步骤二、用频率为30kHz的超声对步骤一所得填料进行超声处理，超声处理时间为5min。本实施例采用30kHz的超声清洗频率能够保证较大的强度，有利于短时间获得好的清洗效果。
步骤三、采用压力为0.3MPa的水冲洗步骤二所得填料，该水压条件使用自来水即可达到，不需要用高压水泵，节省了电力成本，去除已松动却未脱离的老化生物膜。
本实施例的去除悬浮填料老化生物膜的方法，利用阴离子表面活性剂去除老化生物膜，其作用原理是表面活性剂分子具有固定的亲水和亲油基团，能够连接胞外聚合物(EPS)分子和水分子，在外界搅拌作用下大分子有机物会脱离生物膜，并且其增溶作用可以增加脱离生物膜表面的大分子的溶解度。不同于酸碱或氧化剂，表面活性剂利用其亲疏水的特性与生物膜的EPS结合并乳化脂质，可以快速高效地促进老化生物膜脱离载体表面，为生物膜的更新再生提供了良好条件。且表面活性剂在去除老化生物膜方面具有低毒性、高效性、专一性等优点，用表面活性剂处理生物膜不会产生有毒副产物，也不会影响微生物细胞结构和载体表面性质。其中，阴离子表面活性剂在水中解离后生成亲水性阴离子，具有较好的去污、发泡、分散、乳化、润湿等特性，其产量居不同种类表面活性剂的首位。此外，超声技术能破坏生物膜与填料表面的吸附，气泡的振动对填料表面进行擦洗，引起生物膜层的破坏和细胞的破碎，其原理类似于水力剪切或振动筛，但其处理效率更高，用时更短。
值得说明的是，由于表面活性剂的成本比酸碱高，所以本实施例采用低浓度表面活性剂溶液短时间处理表面生物膜已老化的悬浮填料。与表面活性剂反应后，胞外聚合物被破坏的生物膜再经过超声处理，容易从填料表面脱离。在传统超声处理过程中，需要添加适量超声清洗剂，其与填料表面老化膜反应，促进超声清洗的脱附效果。经过表面活性剂处理后，表面活性剂与老化生物膜EPS结合，促进老化膜的脱落，促进了后续超声处理的效果，由于表面活性剂的存在故不需要添加额外的超声清洗剂，这样不仅能确保处理效率，也能减少处理成本，提高其应用的可能性。
实验证明，悬浮填料老化生物膜自然脱落率不到5％。采用低浓度表面活性剂溶液，并与超声联用，总处理时间不超过2小时，去除效率能达到60％，本实施例的老化生物膜脱落率高达66.7％，老化生物膜处理成本低，处理效果好。鼠李糖脂是包含连接于脂肪酸烷基链的一个或两个鼠李糖分子的糖脂。与其他表面活性剂相比，鼠李糖脂处理老化生物膜具有毒性作用小，处理效率高，在极端环境条件下处理效果稳定的优点。研究表明，同样条件下，十二烷基硫酸钠对生物膜的去除率为10％，而鼠李糖脂则为55％。
实施例2
本实施例的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其步骤为：
步骤一、将表面生物膜已老化的悬浮填料从处理维生素C废水的移动床生物膜反应器中取出，投放入洗脱容器(增力电动搅拌器)中。本实施例中悬浮填料的直径为10mm，比重为0.97g/cm3，堆积个数为205000个/m3，有效表面积为650m2/m3，孔隙率为88％。选用十二烷基硫酸钠作为脱膜剂(即表面活性剂)，调配成质量浓度为75mg/L的十二烷基硫酸钠溶液，以3倍填料体积的溶液浸泡填料，并用250r/min的转速进行搅拌，1.5h后取出填料。
步骤二、用频率为25kHz的超声对步骤一所得填料进行超声处理，超声处理时间为10min。
步骤三、采用压力为0.25MPa的水冲洗步骤二所得填料，去除已松动却未脱离的老化生物膜。
本实施例的老化生物膜脱落原理及效果基本同实施例1，其生物膜脱落率为55％。
实施例3
本实施例的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其步骤为：
步骤一、将表面生物膜已老化的悬浮填料从处理四环素废水的移动床生物膜反应器中取出，投放入洗脱容器(增力电动搅拌器)中。本实施例中悬浮填料的直径为35mm，比重为0.98g/cm3，堆积个数为365000个/m3，有效表面积为850m2/m3，孔隙率为92％。选用十二烷基苯磺酸钠作为脱膜剂(即表面活性剂)，调配成质量浓度为80mg/L的十二烷基苯磺酸钠溶液，以3倍填料体积的溶液浸泡填料，并用400r/min的转速进行搅拌，1.2h后取出填料。
步骤二、用频率为35kHz的超声对步骤一所得填料进行超声处理，超声处理时间为3min。
步骤三、采用压力为0.2MPa的水冲洗步骤二所得填料，去除已松动却未脱离的老化生物膜。
本实施例的老化生物膜脱落原理及效果基本同实施例1，其生物膜脱落率为58.2％。
实施例4
本实施例的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其步骤为：
步骤一、将表面生物膜已老化的悬浮填料从处理庆大霉素废水的移动床生物膜反应器中取出，投放入洗脱容器(增力电动搅拌器)中。本实施例中悬浮填料的直径为25mm。选用鼠李糖脂作为脱膜剂(即表面活性剂)，调配成质量浓度为50mg/L的鼠李糖脂溶液，以3.5倍填料体积的溶液浸泡填料，并用400r/min的转速进行搅拌，1h后取出填料。
步骤二、用频率为30kHz的超声对步骤一所得填料进行超声处理，超声处理时间为6min。
步骤三、采用压力为0.25MPa的水冲洗步骤二所得填料，去除已松动却未脱离的老化生物膜。
本实施例的老化生物膜脱落原理及效果基本同实施例1，其生物膜脱落率为62％。
实施例1～4所述的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，解决了生物膜处理制药废水过程中，生物膜不易自然脱落再生，影响处理效率的问题，采用表面活性剂和超声联用技术，不仅可以快速高效地去除老化生物膜，为生物膜的更新再生创造良好条件，且不会产生有毒副产物，不会产生对环境有害的二次污染物，是一种环境友好的处理方法。
Claims (7)
1.一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其步骤为：
步骤一、将表面生物膜已老化的填料投放入洗脱容器中，采用表面活性剂溶液浸泡；
步骤二、对步骤一所得填料进行超声处理；
步骤三、用水冲洗步骤二所得填料。
2.根据权利要求1所述的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其特征在于：步骤一所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或鼠李糖脂中的一种，所述表面活性剂溶液的质量浓度为50-100mg/L。
3.根据权利要求2所述的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其特征在于：步骤一采用表面活性剂溶液浸泡填料的同时，以250-400r/min的转速搅拌，搅拌处理时间为1-1.5h。
4.根据权利要求3所述的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其特征在于：步骤一中表面活性剂溶液用量为填料体积的3-4倍。
5.根据权利要求2～4任一项所述的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其特征在于：步骤二中超声频率为25-35kHz，超声处理时间为3-10min。
6.根据权利要求5所述的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其特征在于：步骤三中采用压力为0.2-0.3MPa的水冲洗填料。
7.根据权利要求6所述的一种异位去除制药工业废水悬浮填料老化生物膜的方法，其特征在于：所述填料的直径为10-35mm，比重0.96-0.98g/cm3，填料堆积个数为58000-365000个/m3，有效比表面积为350-850m2/m3，孔隙率为85％-92％。
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