CN105523643A - 一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料及其制备方法，其特征在于按重量份计，其原料组分包括：卡拉胶60~80份，聚丙烯酰胺5~15份，多孔淀粉5~8份，微生物4~8份，生长因子0.1~0.3份，无机粉体1~4份，交联剂1~3份，钾盐0.5~0.8份。该发明采用卡拉胶、聚丙烯酰胺复合凝胶为包埋剂以及多孔淀粉为吸附剂作为载体，无机粉体为添加剂，用于包埋微生物，应用于污水处理，可有效吸附去除重金属离子以及降解有机物，其制备工艺简单，成本低，具有市场应用前景。

Description

一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料及其制备方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料及其制备方法。
背景技术
地球上水占70%的面积，其中海水占97.3%，可用淡水只占2.7%，在淡水中77.2%存在雪山冰川中，22.4%存在土壤中和地下水（降水与地表水渗入），只有0.4%为地表水，地表水为河流、湖泊、冰川等水体。我国水资源概况：我国大小河川总长42万公里，湖泊7.56万平方公里，占国土总面积的0.8%，水资源总量28000亿m3，人均2300立方米，只占世界人均拥有量的1/4，居121位，为13个贫水国之一。目前中国640个城市有300多个缺水，2.32亿人年均用水量严重不足。
我国污水、废水排放量每天约为1×108m3之多。水污染现状更是触目惊心，一项调查表明，全国目前已有82%的江河湖泊受到不同程度的污染，每年由于水污染造成的经济损失高达377亿元。水源污染源于城市工业、生活污水排放。水利部水资源司和国家环保局的调查表明，1988年全国城市污水排放量达340亿吨，大量污水排入江河湖泊。长江、黄河、珠江、海河、滦河、辽河、松花江七大水系，接纳了全国城市污水排放量的70%。全国目前有381座城市面临水污染威胁。水污染环境问题尤为突出，呈现出迅速恶化趋势，生活污水直排、随处泼洒。由于农村地区的居民居住分散，不可能对生活污水进行统一处理，所以农村地区生活污水对水资源的污染呈上升趋势。
目前，我国农业每年的化肥使用量已经超过4000万吨，而利用率却只有30%~40%。农药的年使用量达120万吨以上，其中10%~20%附在植物体上，其余都散落在土壤和水中。并且，农药化肥和地膜的使用量有逐年大幅提高的趋势这些都将对水体造成严重的危害。据国家环保总局在全国23个省市的调查，90%的规模化养殖场没有经过环境影响评价，60%的养殖场缺乏必要的污染防治措施。我国农村有近7亿人的饮用水中大肠杆菌超标，1.7亿人的饮用水受到有机污染。
工业污水不经处理即排入河道，给河流和附近的人、畜及其它生物都带来了无穷的危害。这些污水中含有汞、铬、镍、铜、铁和氮、酚等有害物质，不但会使河里的水生生物变形或绝生，而且用这些污水灌溉过的庄稼，不是枯萎，就是籽粒含有毒素，人、畜吃了这些籽粒或蔬菜，有的中毒，有的得病，影响了工农业生产和人民的身体健康。据统计1985年全国污水排放量达342亿t其中工业废水占75%，生活污水占25%。80%以上的污水未经处理直接排入水域造成水体污染。1990年全国污水排放总量为量为414亿t，其中工业废水占72%生活污水占23%。由此可见，工业废水始终是我国水域的主要污染源。总的来说目前我国水资源污染严重。
对于污水处理，目前包埋微生物技术得到广泛、有效应用的一种手段。微生物包埋技术是生物工程领域中的一项新兴技术。包埋微生物用于污水处理方便高效、环保经济、低成本，对微生物毒性小，包埋微生物密度高，可有效解决外界因素对微生物的影响。卡拉胶、多孔淀粉、聚丙烯酰胺作为高分子材料，以其安全、环保及优良的工艺性能，是包埋微生物良好载体。
公开号为102424484A的专利公开了一种污水处理材料，该发明以成本较低的硫作为自养源，利用生物自养反硝化原理对污水进行脱氮处理，能有效地去除水中的硝态氮。本发明利用微生物处理污水，此外微生物无外界保护易失活，易流失，对污水处理效果不佳，不能有效降解有机物。公开号为102060371A的专利公开了一种用于污水处理的复合材料，该发明由重量配比为28~48％的磁性多壁碳纳米管、12~26％的菠萝蛋白酶和28~50％的添加剂制备得到，此发明所用的材料磁性多壁碳纳米管性价比不高，成本高，不能有效吸附去除重金属离子。
发明内容
目前污水处理材料存在对重金属离子的吸附去除效果不佳，对有机物降解性不足，成本高的缺陷，针对这些缺陷。本发明提供一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料及其制备方法，该发明采用卡拉胶与聚丙稀铣胺复合凝胶为包埋剂，多孔淀粉为吸附剂作为包埋微生物载体，再添加无机粉体与助剂制备得到一种可有效吸附去除重金属离子以及降解有机物，其制备工艺简单，成本低，具有市场应用前景。
本发明通过以下技术方案达到发明目的：
一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料，其特征在于：包括如下原料重量份：
卡拉胶40~60份，
聚丙烯酰胺15~20份，
多孔淀粉10~15份，
微生物4~8份，
生长因子0.1~0.3份，
无机粉体1~4份，
交联剂1~3份，
钾盐0.5~0.8份；
所述的一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料，由如下方法制备而得：
(1)将40~60重量份卡拉胶、80~90重量份水加入到反应器中，温度控制在80~90℃，不断搅拌至溶解，冷却至40~50℃加入15~20重量份聚丙烯酰胺搅拌溶解，超声分散，最后得到混合溶液；
(2)将4~8重量份微生物、10~15重量份多孔淀粉、0.1~0.3重量份生长因子、5~10重量份水加入到混合机中，在100~200r/min搅拌条件下，反应5~10分钟，得到多孔淀粉混合液，在4000~4200r/min的搅拌条件下将培养好的微生物离心3~5min，用生理盐水洗涤再离心得到欲固定化的微生物包括假单胞菌、酵母菌、活性污泥、硫酸盐还原菌、芽孢杆菌中的至少一种；所述的生长因子为NH4NO3、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4中至少一种；
(3)将步骤(1)所得到的混合溶液与步骤(2)所得到的多孔淀粉混合液以及1~4重量份无机粉体，1~3重量份交联剂，0.5~0.8重量份钾盐，0.2~0.4重量份氯化钙加入到反应器中搅拌反应2~3h，温度控制在40~50℃，pH值控制在6.8~7，最后用生理盐水洗涤，得到包埋微生物的污水处理复合凝胶材料。
所述的无机粉体是粒径在1~5μm的重质碳酸钙、膨润土、海泡石、沸石、蒙脱土中的至少一种。
所述的交联剂为环氧氯丙烷、Ｎ,Ｎ，-亚甲基丙烯酰胺、Ｎ,Ｎ，-甲叉双丙烯酰胺中的一种。
所述的钾盐为氯化钾、硫酸钾、碳酸钾中的一种。
本发明以卡拉胶、聚丙烯酰胺、多孔淀粉为载体采用复合方法包埋微生物用于污水处理。具体的说是先通过多孔淀粉的吸附性，吸附包埋微生物，再添加微生物所需的微量元素，保障微生物的生长与活性，然后卡拉胶与聚丙稀铣胺形成复合凝胶包埋多孔淀粉，这样可有效防止添加的助剂对微生物的影响，防止微生物的失活、流失，聚丙烯酰胺的引入改善了卡拉胶的水溶膨胀性，此外添加无机粉体可改善载体的机械强度，调节固定化颗粒的比重，提高抗水力、有机负荷冲击能力。利用载体的吸附性以及微生物处理进行污水处理，可有效吸附去除重金属离子以及降解有机物，其制备工艺简单，成本低，具有市场应用前景。
本发明具有以下的突出特点和有益效果：
1、本发明一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料，利用卡拉胶与聚丙烯酰胺形成复合凝胶，可有效吸附重金属离子与有机物。
2、本发明一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料，利用多孔淀粉的包埋微生物，使微生物的活性不被影响，添加生长因子，提高其活性，从而有效的去除重金属离子以及降解有机物。
3、本发明一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料其制备工艺简单，成本低，具有市场应用前景。
具体实施方式
实施例1
(1)将46重量份卡拉胶、84重量份水加入到反应器中，温度控制在86℃，不断搅拌至溶解，冷却至44℃加入17重量份聚丙烯酰胺搅拌溶解，超声分散，最后得到混合溶液；
(2)将7重量份活性污泥、12重量份多孔淀粉、0.14重量份KH2PO4、7重量份水加入到混合机中，在130r/min搅拌条件下，反应7分钟，得到多孔淀粉混合液；
(3)将步骤(1)所得到的混合溶液与步骤(2)所得到的多孔淀粉混合液以及3重量份海泡石，2重量份Ｎ,Ｎ，-亚甲基丙烯酰胺，0.7重量份碳酸钾，0.24重量份氯化钙加入到反应器中搅拌反应2.2h，温度控制在44℃，pH值控制在6.8，最后用生理盐水洗涤，得到包埋微生物的污水处理复合凝胶材料。
实施例2
(1)将44重量份卡拉胶、82重量份水加入到反应器中，温度控制在84℃，不断搅拌至溶解，冷却至42℃加入16重量份聚丙烯酰胺搅拌溶解，超声分散，最后得到混合溶液；
(2)将6重量份酵母菌、11重量份多孔淀粉、0.12重量份K2HPO4、6重量份水加入到混合机中，在110r/min搅拌条件下，反应6分钟，得到多孔淀粉混合液；
(3)将步骤(1)所得到的混合溶液与步骤(2)所得到的多孔淀粉混合液以及2重量份膨润土，1.2重量份Ｎ,Ｎ，-甲叉双丙烯酰胺，0.6重量份硫酸钾，0.22重量份氯化钙加入到反应器中搅拌反应2.1h，温度控制在42℃，pH值控制在6.9，最后用生理盐水洗涤，得到包埋微生物的污水处理复合凝胶材料。
实施例3
(1)将40重量份卡拉胶、80重量份水加入到反应器中，温度控制在80℃，不断搅拌至溶解，冷却至40℃加入15重量份聚丙烯酰胺搅拌溶解，超声分散，最后得到混合溶液；
(2)将4重量份假单胞菌、10重量份多孔淀粉、0.1重量份NH4NO3、5重量份水加入到混合机中，在100r/min搅拌条件下，反应5分钟，得到多孔淀粉混合液；(3)将步骤(1)所得到的混合溶液与步骤(2)所得到的多孔淀粉混合液以及1重量份重质碳酸钙，1重量份环氧氯丙烷，0.5重量份氯化钾，0.2重量份氯化钙加入到反应器中搅拌反应2h，温度控制在40℃，pH值控制在6.8，最后用生理盐水洗涤，得到包埋微生物的污水处理复合凝胶材料。
实施例4
(1)将48重量份卡拉胶、86重量份水加入到反应器中，温度控制在88℃，不断搅拌至溶解，冷却至46℃加入18重量份聚丙烯酰胺搅拌溶解，超声分散，最后得到混合溶液；
(2)将7重量份硫酸盐还原菌、13重量份多孔淀粉、0.2重量份MgSO4、8重量份水加入到混合机中，在150r/min搅拌条件下，反应8分钟，得到多孔淀粉混合液；
(3)将步骤(1)所得到的混合溶液与步骤(2)所得到的多孔淀粉混合液以及4重量份沸石，2.4重量份Ｎ,Ｎ，-甲叉双丙烯酰，0.8重量份氯化钾，0.28重量份氯化钙加入到反应器中搅拌反应2.3h，温度控制在48℃，pH值控制在6.9，最后用生理盐水洗涤，得到包埋微生物的污水处理复合凝胶材料。
实施例5
(1)将54重量份卡拉胶、88重量份水加入到反应器中，温度控制在90℃，不断搅拌至溶解，冷却至48℃加入19重量份聚丙烯酰胺搅拌溶解，超声分散，最后得到混合溶液；
(2)将8重量份芽孢杆菌、14重量份多孔淀粉、0.3重量份NH4NO3、9重量份水加入到混合机中，在200r/min搅拌条件下，反应9分钟，得到多孔淀粉混合液；
(3)将步骤(1)所得到的混合溶液与步骤(2)所得到的多孔淀粉混合液以及4重量份蒙脱土，3重量份环氧氯丙烷，0.8重量份硫酸钾，0.4重量份氯化钙加入到反应器中搅拌反应3h，温度控制在50℃，pH值控制在7，最后用生理盐水洗涤，得到包埋微生物的污水处理复合凝胶材料。
表一各实施例的性能数据
检测项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
Cd2+去除率(%) 92.5 93.5 92.4 96.2 97.4
Pb2+去除率(%) 96.4 95.4 96.8 96.9 99.5
Zn2+去除率(%) 96.2 96.6 94.7 93.8 98.1
Hg2+去除率(%) 98.7 94.8 97.6 98.6 96.8
Cu2+去除率(%) 95.3 95.6 95.3 99.4 93.8
有机物降解率(%) 98.7 94.8 96.8 98.7 97.4

Claims (4)

1.一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料，其特征在于：包括如下原料重量份：
卡拉胶40~60份，
聚丙烯酰胺15~20份，
多孔淀粉10~15份，
微生物4~8份，
生长因子0.1~0.3份，
无机粉体1~4份，
交联剂1~3份，
钾盐0.5~0.8份；
所述的一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料，由如下方法制备而得：
(1)将40~60重量份卡拉胶、80~90重量份水加入到反应器中，温度控制在80~90℃，不断搅拌至溶解，冷却至40~50℃加入15~20重量份聚丙烯酰胺搅拌溶解，超声分散，最后得到混合溶液；
(2)将4~8重量份微生物、10~15重量份多孔淀粉、0.1~0.3重量份生长因子、5~10重量份水加入到混合机中，在100~200r/min搅拌条件下，反应5~10分钟，得到多孔淀粉混合液，在4000~4200r/min的搅拌条件下将培养好的微生物离心3~5min，用生理盐水洗涤再离心得到欲固定化的微生物包括假单胞菌、酵母菌、活性污泥、硫酸盐还原菌、芽孢杆菌中的至少一种；所述的生长因子为NH4NO3、K2HPO4、KH2PO4、MgSO4中至少一种；
(3)将步骤(1)所得到的混合溶液与步骤(2)所得到的多孔淀粉混合液以及1~4重量份无机粉体，1~3重量份交联剂，0.5~0.8重量份钾盐，0.2~0.4重量份氯化钙加入到反应器中搅拌反应2~3h，温度控制在40~50℃，pH值控制在6.8~7，最后用生理盐水洗涤，得到包埋微生物的污水处理复合凝胶材料。
2.根据权利要求1所述的一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料，其特征在于：所述的无机粉体是粒径在1~5μm的重质碳酸钙、膨润土、海泡石、沸石、蒙脱土中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料，其特征在于：所述的交联剂为环氧氯丙烷、Ｎ,Ｎ，-亚甲基丙烯酰胺、Ｎ,Ｎ，-甲叉双丙烯酰胺中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料，其特征在于：所述的钾盐为氯化钾、硫酸钾、碳酸钾中的一种。
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