CN108083424A - 一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液及制备和使用方法 - Google Patents

一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液及制备和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液及制备和使用方法，所述乳液由PHA微生物发酵液制备而成。本发明所述的基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液，直接利用聚羟基烷酸酯的微生物发酵液作为基材，经过适当改性后，直接涂覆于填料表面成膜，解决了聚羟基烷酸酯作为缓释碳源的高成本、传统填料表面生物亲和性差的问题；以微生物发酵液作为涂覆填料的材料，既可保证快速处理效果，又可以大幅度降低生产成本、避免传统碳源引起的有机物污染问题，具有极高的性价比和可操作性；同时，根据使用环境不同，通过调整微生物发酵液浓度，可以方便的控制水处理填料表面的附着量，具有很高的生产操作性。

Description

一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液及制备和使 用方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，尤其是涉及一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液及制备和使用方法，该乳液可涂覆于水处理填料表面，作为全生物基可生物降解缓释碳源。
背景技术
随着工业发展和人类生活提高，河水、湖泊水等地表水不同程度受到污染。目前对城市污水及工业污水的生物净化处理中，生物填料的采用和碳源的控制是污水生物处理技术的核心。目前在污水处理中，一般采用甲醇、乙醇、葡萄糖等液体有机碳作为碳源投加，但是这些碳源的大量消耗和投加量难以控制导致运行成本高，同时在进水水质波动情况下易造成碳源投加不足或者过量，影响出水水质。同时，在生物净化处理中使用的传统塑料填料由于亲水性和生物亲和性较差，导致填料的挂膜速度慢、挂膜量以及生物膜与填料的紧密度差，这些都成为制约生物处理效率的重要因素。
近年来，针对传统碳源存在的问题，很多学者对缓释碳源材料进行了研究，其中一类为生物基可完全降解的聚羟基烷酸酯。聚羟基烷酸酯是以可再生的农产品或农业废弃物为原料，通过工业生物工程技术直接在微生物体内合成的生物高分子，微生物在缺少氮或磷等营养成分时将其作为能量物质储存在体内，因而聚羟基烷酸酯具有高度的生物相容性，在水处理中微生物可根据水质情况，自适应摄取相应量的碳源，作为缓释碳源能够达到稳定供给。现有技术中有些中会采用聚羟基烷酸酯作为缓释材料或碳源，但是，聚羟基烷酸酯作为微生物发酵合成的高分子，其大规模化的生产和应用由于成本过高而得到极大的阻碍，这其中主要是对生物发酵液的分离提纯过程的费用过高。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液及制备和使用方法，以解决现有技术中存在的传统碳源对水质影响大、采用PHA类缓释碳源生产成本过高及传统塑料填料生物亲和性差导致处理效率低等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液，所述乳液由PHA微生物发酵液制备而成。
优选的，所述PHA微生物发酵液为聚3-羟基丁酸酯(PHB)发酵液、聚4-羟基丁酸酯(P4HB)发酵液、聚3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯(PHBV)发酵液、聚3-羟基丁酸-4-羟基丁酸酯(P3,4HB)发酵液、聚3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯(PHBHHx)发酵液中的一种或多种。
进一步的，乳液由以下组分组成：PHA微生物发酵液、去离子水、pH调节剂、表面活性剂、增稠剂、交联剂、防腐剂、填充剂及消泡剂。
进一步的，按质量份数计，乳液由以下组分组成：
优选的，所述pH调节剂为氢氧化钠、氨水、硫酸、碳酸氢钠、磷酸钠、磷酸二氢钠及氯化铵中的一种或多种；
优选的，所述表面活性剂为脂肪酸钠、烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、松香皂、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯中的一种或多种；
优选的，所述增稠剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、淀粉、琼脂中的一种或多种；
优选的，所述交联剂为硼砂、有机硼、硫酸铝、乙二醛中的一种或多种；
优选的，所述防腐剂为甲醛、乙酸钠中的一种或多种。
优选的，所述填充剂包括碳酸钙、滑石粉、硅藻土、蒙脱土、贝壳粉、云母粉、木粉中一种或多种；
优选的，所述消泡剂包括硅酮消泡液、豆油、GPE消泡剂中的一种或多种；
优选的，所述水处理用填料包括分散悬浮式填料、悬挂式填料、聚氨酯纤维条状填料、辫带式填料、空间立体网状填料中的一种或多种。
本发明还提供一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液的制备方法，包括如下步骤：
(1)取一定量的PHA微生物发酵液，向发酵液中加入等体积的去离子水，采用搅拌方式混合均匀；混合均匀后，采用离心机进行离心分离，结束后离心去除上清液，保留离心固相；
(2)向步骤(1)中获得的离心固相中按配比添加去离子水，搅拌均匀后，按配比添加交联剂、表面活性剂、增稠剂、填充剂成分，添加pH调节剂控制，搅拌，根据乳液起泡情况加入适量消泡剂，步骤(2)中的配比均指与PHA微生物发酵液的配比；
(3)按照配比加入防腐剂，继续搅拌，使混合体系混合均匀，制得乳液，步骤(3)中的配比指与PHA微生物发酵液的配比。
优选的，步骤(1)中混合温度为20～60℃，搅拌0.5h～3h；离心转速为1000～4000r/min，离心时间4～10min，离心温度为20～60℃；
步骤(2)中在离心固相中按配比添加去离子水，搅拌0.5h～1h后，添加pH调节剂控制pH＝9～10，按配比添加交联剂、表面活性剂、填充剂成分，添加pH调节剂控制混合液为中性，然后添加增稠剂，过程控制温度在20～60℃，搅拌0.5h～5h，根据乳液起泡情况加入适量消泡剂；
步骤(3)中搅拌0.5h～2h。
一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液的使用方法，方法为
采用浸渍提拉法或喷涂法将所述乳液涂覆在水处理用填料上，完成后，自然干燥或热风烘干，得到已涂覆基于微生物发酵液乳液的水处理填料；
或者，采用浸渍提拉法或喷涂法将所述乳液涂覆在填料编制用丝的表面，完成后，自然干燥或热风烘干，再将得丝编织于填料上，得到已涂覆基于微生物发酵液乳液的水处理填料。
进一步的，浸渍之前将乳液稀释，浸渍时间为0.2h～1h；优选的，浸渍之前将乳液稀释至固体含量在5％～70％。
优选的，使用喷涂法时喷涂0.01～1mm厚度的乳液。
相对于现有技术，本发明所述的基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液及制备和使用方法具有以下优势：
本发明所述的基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液，直接利用聚羟基烷酸酯的微生物发酵液作为基材，经过适当改性后，直接涂覆于填料表面成膜，解决了聚羟基烷酸酯作为缓释碳源的高成本、传统填料表面生物亲和性差的问题；
以微生物发酵液作为涂覆填料的材料，既可保证快速处理效果，又可以大幅度降低生产成本、避免传统碳源引起的有机物污染问题，具有极高的性价比和可操作性；
同时，根据使用环境不同，通过调整微生物发酵液浓度，可以方便的控制水处理填料表面的附着量，具有很高的生产操作性。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
将聚3-羟基丁酸酯微生物发酵液(原液干重10％)1L，加入等体积1L去离子水洗涤，在25℃下搅拌0.5h。搅拌结束后，将混合液在离心机中采用3000r/min的速度离心5min，离心温度为25℃，去除上清液，得到干重为31％的离心固相。
在离心固相中加入100ml的去离子水，在25℃下搅拌0.5h，加热至40℃，加入氢氧化钠溶液、磷酸钠调节至pH＝9～10，加入0.4g十二烷基硫酸钠、1g碳酸钙，出现气泡时加入1ml豆油消泡。恒温40℃下搅拌1h，加入硫酸溶液调节pH＝7。加入0.05g增稠剂甲基纤维素调节生物发酵乳液的粘度，控制粘度为15～30Pa·s。加入1g防腐剂甲醛，在40℃下搅拌0.5h后制得涂覆填料用聚3-羟基丁酸酯生物发酵乳液。
将辫带式填料完全浸入聚3-羟基丁酸酯生物发酵乳液，辫带填料(益生环保科技股份有限公司，DBⅡ型)的毛圈在完全润湿0.5h后提出，自然干燥后得到涂覆可生物降解碳源材料的辫带式填料。
实施例2
将聚3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯微生物发酵液(原液干重12％)1L，加入等体积1L去离子水，在30℃下搅拌0.5h。搅拌结束后，将混合液在离心机中采用3000r/min的速度离心8min，去除上清液，得到干重为38％的离心固相。
在离心固相中加入150ml去离子水，在30℃下搅拌0.5h，加热至45℃。加入氢氧化钠、磷酸钠调节pH＝9～10，加入1g十二烷基磺酸钠、0.5g滑石粉、硼砂0.1g，出现气泡时加入1ml豆油消泡。恒温45℃下搅拌1h，加入硫酸调节pH＝7。加入0.2g增稠剂淀粉调节生物发酵乳液的粘度为15～30Pa·s。加入1.5g防腐剂甲醛，45℃下搅拌0.5h后制得涂覆填料用聚3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯生物发酵乳液。
将软性纤维填料完全浸入所制得聚3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯生物发酵乳液，纤维丝完全润湿0.5h后提出，自然干燥后得到涂覆可生物降解碳源材料的软性纤维填料。
实施例3
将聚3-羟基丁酸-4-羟基丁酸酯微生物发酵液(原液干重8％)1L，加入等体积1L去离子水，在30℃下搅拌0.5h。搅拌结束后，将混合液在离心机中采用3500r/min的速度离心8min，离心去除上清液，得到干重为30％的离心固相。
在离心固相中加入80ml去离子水，在30℃下搅拌0.5h，加热至50℃。加入氨水、磷酸钠调节pH＝8～9，加入5g硬脂酸钠、2g滑石粉。乳液中出现气泡时加入0.1g硅酮消泡液消泡。恒温50℃下搅拌2h，加入硫酸调节pH＝7。加入0.02g增粘剂羟乙基纤维素，控制粘度为2.5～5Pa·s。加入0.5g防腐剂乙酸钠，继续在50℃下搅拌0.5h后制得涂覆填料用聚3-羟基丁酸-4-羟基丁酸酯生物发酵乳液。
将制得的聚3-羟基丁酸-4-羟基丁酸酯生物发酵乳液采用喷涂的方式，喷涂于弹性立体填料表面，自然干燥后得到涂覆可生物降解碳源材料的弹性立体填料。
实施例4
将聚4-羟基丁酸酯微生物发酵液(原液干重10％)1L，加入等体积1L去离子水，在20℃下搅拌0.5h。搅拌结束后，将混合液在离心机中采用2500r/min的速度离心5min，离心去除上清液，得到干重为40％的离心固相。
在离心固相中加入200ml的去离子水，在20℃下搅拌0.5h，加热至35℃。加入氨水、磷酸二氢钠调节pH＝9～9.5，加入3.5g松香皂、0.5g蒙脱土。乳液中出现气泡时加入0.05g硅酮消泡液消泡。恒温35℃下搅拌1h，加入硫酸调节pH＝7。加入0.1g增粘剂羟乙基纤维素，控制粘度为15～20Pa·s。加入0.8g防腐剂乙酸钠，继续在35℃下搅拌1h后制得涂覆填料用聚4-羟基丁酸酯生物发酵乳液。
将制得聚4-羟基丁酸酯生物发酵乳液采用喷涂的方式，喷涂于化纤网格丝(材质包括聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯中的一种)，通过60℃风道干燥。将已喷涂后的化纤网格丝编制辫带式填料，得到涂覆可生物降解碳源材料的辫带式填料。
实施例5
将聚3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯微生物发酵液(干重8％)1L，加入等体积1L去离子，在20℃下搅拌0.5h。搅拌结束后，将混合液在离心机中采用4500r/min的速度离心6min，离心去除上清液，得到干重为39％的离心固相。
在离心固相中加入150ml去离子水搅拌均匀，在25℃下搅拌0.5h，将体系加热至35℃。加入氢氧化钠、磷酸钠调节pH＝8～9，加入10g十二烷基磺酸钠、2g硅藻土、0.1g乙二醛，乳液中出现气泡时加入0.1g的GPE消泡剂。恒温35℃下搅拌1h，加入硫酸调节pH＝7。加入0.01g增粘剂羧甲基纤维素钠，控制粘度为2.5～5Pa·s。加入0.5g防腐剂乙酸钠，继续在35℃下后搅拌0.5h后制得涂覆填料用聚3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯生物发酵乳液。
将制得的聚3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯生物发酵乳液采用喷涂的方式，喷涂于多孔环填料表面，自然干燥后得到涂覆可生物降解碳源材料的多孔环填料。
将实施例1-5制成的材料(材料用量为2.5kg/m3容积)分别放入柱式反应器中，接入污水，温度控制在23℃，单位时间出水量为40L/h。各材料的处理效果见表1。
表1
对比例1-5采用的材料如表2所示。
表2
将对比例1-5制提供的材料分别放入柱式反应器中，接入污水。温度控制在23℃，单位时间出水量为40L/h。对比例1-5各材料消耗量见表3。
表3
实施例1-5与对比例1-5的使用成本见表4。
表4
对比例6采用未涂覆发酵液的辫式填料，对比例7采用未涂覆发酵液的多孔环填料。对比例6、7与实施例1、5的挂膜时间见表5。
表5
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液，其特征在于：所述乳液由PHA微生物发酵液制备而成。
2.根据权利要求1所述的基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液，其特征在于：所述PHA微生物发酵液为聚3-羟基丁酸酯发酵液、聚4-羟基丁酸酯发酵液、聚3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯发酵液、聚3-羟基丁酸-4-羟基丁酸酯发酵液、聚3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯发酵液中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液，其特征在于：由以下组分组成：PHA微生物发酵液、去离子水、pH调节剂、表面活性剂、增稠剂、交联剂、防腐剂、填充剂及消泡剂。
4.根据权利要求3所述的基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液，其特征在于：按质量份数计，由以下组分组成：
5.根据权利要求4所述的基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液，其特征在于：所述pH调节剂为氢氧化钠、氨水、硫酸、碳酸氢钠、磷酸钠、磷酸二氢钠及氯化铵中的一种或多种；
优选的，所述表面活性剂为脂肪酸钠、烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、松香皂、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯中的一种或多种；
优选的，所述增稠剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、淀粉、琼脂中的一种或多种；
优选的，所述交联剂为硼砂、有机硼、硫酸铝、乙二醛中的一种或多种；
优选的，所述防腐剂为甲醛、乙酸钠中的一种或多种；
优选的，所述填充剂包括碳酸钙、滑石粉、硅藻土、蒙脱土、贝壳粉、云母粉、木粉中一种或多种；
优选的，所述消泡剂包括硅酮消泡液、豆油、GPE消泡剂中的一种或多种；
优选的，所述水处理用填料包括分散悬浮式填料、悬挂式填料、聚氨酯纤维条状填料、辫带式填料、空间立体网状填料中的一种或多种。
6.权利要求1-2或4-5任一项所述的基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)取一定量的PHA微生物发酵液，向发酵液中加入等体积的去离子水，采用搅拌方式混合均匀；混合均匀后，采用离心机进行离心分离，结束后离心去除上清液，保留离心固相；
(2)向步骤(1)中获得的离心固相中按配比添加去离子水，搅拌均匀后，按配比添加交联剂、表面活性剂、增稠剂、填充剂成分，添加pH调节剂控制，搅拌，根据乳液起泡情况加入适量消泡剂，步骤(2)中的配比均指与PHA微生物发酵液的配比；
(3)按照配比加入防腐剂，继续搅拌，使混合体系混合均匀，制得乳液，步骤(3)中的配比指与PHA微生物发酵液的配比。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中混合温度为20～60℃，搅拌0.5h～3h；离心转速为1000～4000r/min，离心时间4～10min，离心温度为20～60℃；
步骤(2)中在离心固相中按配比添加去离子水，搅拌0.5h～1h后，添加pH调节剂控制pH＝9～10，按配比添加交联剂、表面活性剂、填充剂成分，添加pH调节剂控制混合液为中性，然后添加增稠剂，过程控制温度在20～60℃，搅拌0.5h～5h，根据乳液起泡情况加入适量消泡剂；
步骤(3)中搅拌0.5h～2h。
8.一种权利要求6所制备的基于微生物发酵液的涂覆水处理填料用乳液的使用方法，其特征在于：
采用浸渍提拉法或喷涂法将所述乳液涂覆在水处理用填料上，完成后，自然干燥或热风烘干，得到已涂覆基于微生物发酵液乳液的水处理填料；
或者，采用浸渍提拉法或喷涂法将所述乳液涂覆在填料编制用丝的表面，完成后，自然干燥或热风烘干，再将得丝编织于填料上，得到已涂覆基于微生物发酵液乳液的水处理填料。
9.根据权利要求8所述的乳液的使用方法，其特征在于：浸渍之前将乳液稀释，浸渍时间为0.2h～1h；优选的，浸渍之前将乳液稀释至固体含量在5％～70％。
10.根据权利要求8所述的乳液的使用方法，其特征在于：使用喷涂法时喷涂0.01～1mm厚度的乳液。
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