CN108217968B

CN108217968B - 一种水体处理构件及其制备方法和应用

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Publication number: CN108217968B
Application number: CN201611152387.8A
Authority: CN
Inventors: 王迎春
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2036-12-14
Also published as: CN108217968A

Abstract

本发明涉及水处理领域，公开了一种水体处理构件及其制备方法和应用。具体地，本发明提供了一种水体处理构件，其中，该水体处理构件包括：载体，包覆结构，所述包覆结构为含有白色硅酸盐水泥、石灰石和白云母的材料硬化后形成的结构，所述包覆结构包裹一个或多个载体，和微生物，所述微生物附着于所述载体和/或所述包覆结构的表面和/或内部。将本发明提供的水体处理构件应用于污水处理中，可以很好地清除污水中的有机物。并且，将本发明提供的水体处理构件用于污水处理后，大部分仍保持完整，破损程度较低，这说明本发明提供的水体处理构件具有良好的机械强度。

Description

一种水体处理构件及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及水体处理领域，具体地，涉及一种水体处理构件，制备水体处理构件的方法，该水体处理构件在水体处理中的应用。

背景技术

在水体处理领域，固定化微生物普遍比未固定化的微生物性能好、稳定、降解有机物性能力强、耐毒、抗杂菌、耐冲击负荷。将固定化微生物制备成颗粒状、膜状和包埋制成凝胶，充填到反应器中用于连续流运行，微生物不会流失。固定化方法有载体结合法、交联法、包埋法、逆胶束酶反应系统和孔网状载体截陷固定技术。

1、载体结合法

以共价结合、离子结合和物理吸附等将微生物固定在非水溶性的载体上。载体有葡聚糖、活性炭、胶原、琼脂糖、多孔玻璃珠、高岭土、硅胶、氧化铝、羧甲基纤维素等。在污水处理中，这种固定方式要求生物膜载体表面具某种活性基团，通常可对载体表面进行改性，达到携带活性基的目的。

2、交联法

将微生物与2个或2个以上的官能团的试剂反应形成共价键的固定方法。交联剂有：戊二醇、双重氮联苯胺和六亚甲基二异氰酸酯。细胞间自交联是自然界普遍存在的一种现象，如活性污泥系统中菌胶团的形成以及厌氧污泥床中颗粒污泥的产生均是通过细胞间自交联实现的。为了进一步强化细胞间或酶间的这种自交联程度，可以认为的加入一些交联剂形成细胞间的稳固结合。交联剂在活性污泥系统中也有应用，有时认为地向曝气池内投加一定量的交联剂能得到更好的菌胶团，它有利于二沉池中泥水分离及有助于控制曝气池内微生物浓度。

3、包埋法

微生物固定化方法中，以包埋法最为常用：包埋法的原理是将微生物细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络空间中。通过聚合作用或通过离子网络形成，或通过沉淀作用，或改变溶剂、温度、pH值使细胞截留、凝胶聚合物的网络使其可以阻止细胞的快速泄露，同时能让底物物质缓慢渗入进去和产物扩散出来。

目前常规包埋材料可分为天然高分子多糖类和合成高分子化合物两大类。以与固定化酶相同的固定方法将酶活力强的微生物体固定在载体上，微生物体本身是多酶体系的固定化载体，将整个细胞固定化更有利于保持其原有活性，甚至可提高活性。

具体地，包埋法包括将微生物包埋在凝胶微小格子中，或者将微生物包裹在半透性的聚合物膜内的固定方法。格子型的包埋材料：聚丙烯酰胺(PACAM)凝胶、聚乙烯醇(PVA)、琼脂、硅胶等。微胶囊型的包埋材料有尼龙、乙基纤维素和硝酸纤维素。包埋技术是通过某些多聚体化合物包裹微生物，从而达到固定微生物的目的。它有两大特点，一是可快速、简捷地获得固定微生物；二是可以选择性地同时固定不同菌属的微生物。目前，该种技术在文献中已有大量报道，特别是在生物工程领域。由于研究目的的不同，所选用的多聚体包埋剂也不尽相同。在污水生物处理中，人们应用较多的包埋剂为PVA及海藻酸等。经过多聚体包埋处理后的微生物分别于多聚体骨架内，可以将它们制成颗粒或方块状等不同形状的材料。值得强调的是，多聚体在包埋处理了微生物后，一般其机械强度不够理想，加之微生物在包埋体的增长，使的包埋体的破损率较高。这些无疑在一定程度上限制了多聚体包埋技术在污水生物处理中的大规模应用。

因此，急需寻找一种既不影响微生物活性，同时具有较高机械强度的包埋材料。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供了一种水体处理构件，制备水体处理构件的方法，该水体处理构件在水体处理中的应用。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种水体处理构件，该水体处理构件包括：

载体，

包覆结构，所述包覆结构为含有白色硅酸盐水泥、石灰石和白云母的材料硬化后形成的结构，所述包覆结构包裹一个或多个载体，

和微生物，所述微生物附着于所述载体和/或所述包覆结构的表面和/或内部。

第二方面，本发明还提供了一种制备水体处理构件的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将载体、包覆材料、微生物和水混合；

(2)将由步骤(1)得到的混合物进行凝固和造粒；

其中，所述包覆材料含有白色硅酸盐水泥、石灰石和白云母。

第三方面，本发明还提供了上述水体处理构件在水体处理中的应用。

本发明提供的水体处理构件包括特殊的包覆结构(即，白色硅酸盐水泥、石灰石和白云母硬化后形成的结构)、载体和微生物，该包覆结构具有孔结构，其不仅具有良好的微生物固化效果，还不会影响附着在所述孔结构中的微生物的活性；另外，本发明提供的特殊的包覆结构与载体之间具有良好的吸附性；同时，由于载体的使用，不仅可以进一步吸附微生物，还可以增加水体处理构件的机械强度。

具体地，将本发明提供的水体处理构件应用于污水处理中，可以很好地清除污水中的有机物。并且，将本发明提供的水体处理构件用于污水处理后，大部分仍保持完整，破损程度较低，这说明本发明提供的水体处理构件具有良好的机械强度。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的水体处理构件的结构示意图。

附图标记说明

1 包覆结构 2 第一孔结构

3 第二孔结构 4 载体

5 微生物

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

如图1所示，第一方面，本发明提供了一种水体处理构件，该水体处理构件包括：

载体4，

包覆结构1，所述包覆结构为含有白色硅酸盐水泥、石灰石和白云母的材料硬化后形成的结构，所述包覆结构包裹一个或多个载体，

和微生物5，所述微生物附着于所述载体和/或所述包覆结构的表面和/或内部。

根据本发明，相对于100重量份的所述载体，所述包覆结构的含量可以为0.1-10重量份，所述微生物的含量为0.05-5重量份(以干基计)；

优选地，相对于100重量份的所述载体，所述载体的含量为1-10重量份，所述微生物的含量为0.5-2重量份。

根据本发明，对所述包覆结构的厚度没有特别的限定，只要可以包裹一个或多个载体并且可以附着足够量的微生物即可，例如，所述包覆结构的厚度可以为0.05-4mm，优选为0.1-2mm。在本发明中，所述包覆结构的厚度指的是硬质载体表面至包覆后形成的表面(即，包覆结构的表面)之间的厚度。

在本发明中，所述包覆结构的表面和/或内部具有第一孔结构2，微生物可以在其中自由进出。在优选的情况下，所述包覆结构的孔隙度为2-50％，优选为20-50％；所述第一孔结构的孔径可以为10-50μm，优选为10-20μm。在本发明中，孔隙度可以通过液体饱和法测得，孔径可以通过孔径分析仪测得。

在本发明中，所述微生物可以附着于所述第一孔结构内。

根据本发明，在所述包覆结构中，相对于100重量份的所述白色硅酸盐水泥，所述石灰石的含量可以为1-5重量份，所述白云母的含量可以为0.5-1重量份；

优选地，在所述包覆结构中，相对于100重量份的所述白色硅酸盐水泥，所述石灰石的含量为2-4重量份，所述白云母的含量为0.6-0.8重量份。

本发明对所述白色硅酸盐水泥、石灰石和白云母的来源均没有特别的限定，均可以通过常规的商购获得。

根据本发明，为了获得更好的微生物固化效果，所述载体的粒径小于等于30mm，优选为0.5-30mm，更优选为10-30mm。

在本发明中，所述载体的表面和/或内部具有第二孔结构3，微生物可以在其中自由进出。在优选的情况下，所述载体的孔隙度为0.5-2％，所述第二孔结构的孔径为0.1-10μm。

在本发明中，所述载体的孔隙度小于所述包覆结构的孔隙度，所述第二孔结构的孔径小于所述第一孔结构的孔径。

在本发明中，所述微生物可以附着于所述第二孔结构内。

在本发明中，所述载体可以选自火山岩、砂砾石、再生石子、花岗岩、大理石、石灰石、碎砖和再生骨料中的至少一种，优选为火山岩、石灰石和再生骨料中的至少一种。

本发明对所述载体的来源没有特别的限定，可以通过常规的商购获得。

根据本发明，对所述微生物的种类没有特别的限定，可以为本领域的常规选择，例如，各种好氧菌、厌氧菌或兼氧菌，优选地，所述微生物为光合菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌和醋酸杆菌中的至少一种。

本发明对所述微生物的形式没有特别的限定，例如，可以为固态和/或液态，优选为粉剂和/或溶液，更优选为粉剂。在本发明的一种优选的实施方式中，所述微生物为粉剂，且在所述粉剂中，具有活性的所述微生物的含量不少于1.2亿个/克。

本发明对所述微生物的来源没有特别的限定，可以通过常规的商购获得，也可以按照本领域常规使用的方法进行制备，例如，可以参见CN104278002A的说明书中实施例一公开的方法进行制备。

根据本发明，所述水体处理构件为不规则形状，粒径为1-35mm，优选为25-35mm。

(1)将载体、包覆材料、微生物和水混合；

(2)将由步骤(1)得到的混合物进行凝固和造粒；

根据本发明，在步骤(1)中，相对于100重量份的所载体，所述包覆材料的用量可以为0.1-10重量份，所述微生物的用量可以为0.05-5重量份，所述水的用量可以为0.1-30重量份；

优选地，相对于100重量份的所述载体，所述包覆结构的用量为1-10重量份，所述微生物的用量为0.5-2重量份，所述水的用量为10-30重量份。

根据本发明，在所述包覆材料中，相对于100重量份的所述白色硅酸盐水泥，所述石灰石的用量可以为1-5重量份，所述白云母的用量可以为0.5-1重量份；

优选地，在所述包覆材料中，相对于100重量份的所述白色硅酸盐水泥，所述石灰石的用量为2-4重量份，所述白云母的用量为0.6-0.8重量份。

在本发明中，为了获得更好的微生物固化效果，所述包覆材料的粒径可以小于等于30mm，优选为0.5-30mm，更优选为10-30mm。

根据本发明中，所述载体可以选自火山岩、砂砾石、再生石子、花岗岩、大理石、石灰石、碎砖和再生骨料中的至少一种，优选为火山岩、石灰石和再生骨料中的至少一种。

根据本发明，对所述微生物的种类没有特别的限定，可以为本领域的常规选择，例如，所述微生物为光合菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌和醋酸杆菌中的至少一种。

根据本发明，在步骤(1)中，对所述混合的方式没有特别的限定，可以为本领域的常规选择，只要可以使物料混合均匀即可，例如，在步骤(1)中，所述混合的方式可以为搅拌，所述搅拌的条件可以包括：速率为13-17r/min，时间为1-3min，温度大于等于4℃。

在本发明中，对混合过程中各物料的投料顺序没有特别的限定，例如，可以将载体、包覆材料、微生物和水同时投料，也可以将各物料依次进行投料；在优选的情况下，在混合的过程中，依次投入包覆材料、载体、微生物和水。

根据本发明，在步骤(2)中，所述凝固的条件可以包括：时间为4-8h，温度为1-40℃。

在本发明中，对所述造粒的方式没有特别的限定，可以在本领域常规使用的造粒机上进行造粒即可，在优选的情况下，所述造粒的过程使得所述水体处理构件为不规则形状，粒径为1-35mm，优选为25-35mm。

本发明还提供了由上述方法制备得到的水体处理构件。

第三方面，本发明还提供了上述水体处理构件在水体处理中的应用，特别是在污水处理、海绵城市建设、黑臭河道治理中的应用。

本发明还提供了一种污水处理设备，该污水处理设备包括上述水体处理构件。所述水体处理构件可以代替现有污水处理设备中的火山岩和陶粒等。所述污水处理设备可以为人工湿地、曝气生物滤池、接触氧化池等。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

以下实施例和对比例中，

白色硅酸盐水泥购自灵寿县远通矿产品贸易有限公司；

石灰石购自北京市朝阳区建材市场；

白云母购自灵寿县拓琳矿产品加工厂；

火山岩购自北京淇方天环保科技有限公司，粒径20-25mm；

复合菌剂购自广州市瀚潮环保科技有限公司，商品名为有机物降解微生物制剂。

实施例1

本实施例用于说明本发明提供的水体处理构件的制备及应用。

(1)包覆材料的制备

将100g白色硅酸盐水泥、3g石灰石和0.7g白云母在研磨机中进行磨制，以获得粒径小于80μm的包覆材料；

(2)水体处理构件的制备

将5kg由步骤(1)制备得到的包覆材料、100kg火山岩、1kg复合菌剂和20L水依次投料至小型混凝土搅拌机(50L)中，于室温条件下(25℃)，以15r/min的速率搅拌2min。然后，启动卸料开关和卸料门卸料，待出料完毕后，将搅拌后的混合料运送至晾晒场，于25℃下晾晒6h，待混合料凝固后，将其放入造粒机中进行造粒，以得到粒径为30mm的水体处理构件(结构如图1所示)，其中，由包覆材料形成的具有孔结构的包覆层(即包覆结构)的厚度为1mm。

经液体饱和法检测，包覆层的孔隙度为48％，载体的孔隙度为1％；

经孔径分析仪检测，包覆层中的孔结构的孔径为20μm，载体中的孔结构的孔径为5μm。

(3)水体处理构件在污水处理中的应用

将5kg由步骤(2)得到的水体处理构件置于污水处理设备中，将化学需氧量(COD)为200mg/L的模拟废水20L通入，用红龙鱼增氧机(15W功率)增氧72h后，打开出水口，对处理后的污水进行检测。

检测COD值为20mg/L，经计算，COD的去除率为90％。并且，经目测观察，使用后的水体处理构件大部分保持完整，破损程度较低。

实施例2

(1)包覆材料的制备

将100g白色硅酸盐水泥、4g石灰石和0.8g白云母在研磨机中进行磨制，以获得粒径小于80μm的包覆材料；

(2)水体处理构件的制备

将10kg由步骤(1)制备得到的包覆材料、100kg火山岩、2kg复合菌剂和30L水依次投料至小型混凝土搅拌机(50L)中，于室温条件下(25℃)，以13r/min的速率搅拌3min。然后，启动卸料开关和卸料门卸料，待出料完毕后，将搅拌后的混合料运送至晾晒场，于25℃下晾晒8h，待混合料凝固后，将其放入造粒机中进行造粒，以得到粒径为35mm的水体处理构件，其中，由包覆材料形成的具有孔结构的包覆层(即包覆结构)的厚度为2mm。

经液体饱和法检测，包覆层的孔隙度为40％，载体的孔隙度为2％；

经孔径分析仪检测，包覆层中的孔结构的孔径为18μm，载体中的孔结构的孔径为10μm。

(3)水体处理构件在污水处理中的应用

将5kg由步骤(2)得到的水体处理构件置于污水处理设备中，将COD为200mg/L的模拟废水20L通入，用红龙鱼增氧机(15W功率)增氧72h后，打开出水口，对处理后的污水进行检测。

检测COD值为12mg/L，经计算，COD的去除率为94％。并且，经目测观察，使用后的水体处理构件大部分保持完整，破损程度较低。

实施例3

(1)包覆材料的制备

将100g白色硅酸盐水泥、2g石灰石和0.6g白云母在研磨机中进行磨制，以获得粒径小于80μm的包覆材料；

(2)水体处理构件的制备

将1kg由步骤(1)制备得到的包覆材料、100kg火山岩、0.5kg复合菌剂和10L水依次投料至小型混凝土搅拌机(50L)中，于室温条件下(25℃)，以17r/min的速率搅拌1min。然后，启动卸料开关和卸料门卸料，待出料完毕后，将搅拌后的混合料运送至晾晒场，于25℃下晾晒4h，待混合料凝固后，将其放入造粒机中进行造粒，以得到粒径为25mm的水体处理构件，其中，由包覆材料形成的具有孔结构的包覆层(即包覆结构)的厚度为0.1mm。

经液体饱和法检测，包覆层的孔隙度为20％，载体的孔隙度为0.5％；

经孔径分析仪检测，包覆层中的孔结构的孔径为10μm，载体中的孔结构的孔径为2μm。

(3)水体处理构件在污水处理中的应用

检测COD值为28mg/L，经计算，COD的去除率为86％。并且，经目测观察，使用后的水体处理构件大部分保持完整，破损程度较低。

实施例4

按照实施例1的方法进行，所不同的是，在步骤(2)中，使用相同质量的石灰石(粒径20-30μm)代替实施例1中使用的火山岩。

经液体饱和法检测，包覆层的孔隙度为48％，载体的孔隙度为2％；

经孔径分析仪检测，包覆层中的孔结构的孔径为20μm，载体中的孔结构的孔径为8μm。

检测COD值为24mg/L，经计算，COD的去除率为88％。并且，经目测观察，使用后的水体处理构件大部分保持完整，破损程度较低。

对比例1

将5kg同等粒径的没有包覆结构的火山岩置于污水处理设备中，将COD为200mg/L的模拟废水20L通入，用红龙鱼增氧机(15W功率)增氧72h后，打开出水口，对处理后的污水进行检测。

检测COD值为70mg/L，经计算，COD的去除率为65％。并且，经目测观察，使用后的火山岩大部分破损。

对比例2

将5kg同等粒径的没有包覆结构的石灰石置于污水处理设备中，将COD为200mg/L的模拟废水20L通入，用红龙鱼增氧机(15W功率)增氧72h后，打开出水口，对处理后的污水进行检测。

检测COD值为34mg/L，经计算，COD的去除率为63％。并且，经目测观察，使用后的火山岩大部分破损。

通过将以上实施例1-4与对比例1-2相对比可知，将本发明提供的水体处理构件应用于污水处理中，可以很好地清除污水中的有机物。并且，将本发明提供的水体处理构件用于污水处理后，大部分仍保持完整，破损程度较低，这说明本发明提供的水体处理构件具有良好的机械强度。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种水体处理构件，其特征在于，该水体处理构件包括：

载体，

和微生物，所述微生物附着于所述载体和所述包覆结构的表面和/或内部；

其中，相对于100重量份的所述载体，所述包覆结构的含量为0.1-10重量份，所述微生物的含量为0.05-5重量份；

所述载体选自火山岩、砂砾石、花岗岩、大理石、石灰石、碎砖和再生骨料中的至少一种；

在所述包覆结构中，相对于100重量份的所述白色硅酸盐水泥，所述石灰石的含量为1-5重量份，所述白云母的含量为0.5-1重量份。

2.根据权利要求1所述的水体处理构件，其中，相对于100重量份的所述载体，所述包覆结构的含量为1-10重量份，所述微生物的含量为0.5-2重量份。

3.根据权利要求1或2所述的水体处理构件，其中，所述包覆结构的厚度为0.05-4mm。

4.根据权利要求3所述的水体处理构件，其中，所述包覆结构的厚度为0.1-2mm。

5.根据权利要求1或2所述的水体处理构件，其中，所述包覆结构的表面和/或内部具有第一孔结构，所述包覆结构的孔隙度为2-50%，所述第一孔结构的孔径为10-50μm。

6.根据权利要求5所述的水体处理构件，其中，所述微生物附着于所述第一孔结构内。

7.根据权利要求1所述的水体处理构件，其中，在所述包覆结构中，相对于100重量份的所述白色硅酸盐水泥，所述石灰石的含量为2-4重量份，所述白云母的含量为0.6-0.8重量份。

8.根据权利要求1或2所述的水体处理构件，其中，所述载体的粒径小于等于30mm。

9.根据权利要求8所述的水体处理构件，其中，所述载体的粒径为0.5-30mm。

10.根据权利要求9所述的水体处理构件，其中，所述载体的粒径为10-30mm。

11.根据权利要求1或2所述的水体处理构件，其中，所述载体的表面和/或内部具有第二孔结构，所述载体的孔隙度为0.5-2%，所述第二孔结构的孔径为0.1-10μm。

12.根据权利要求11所述的水体处理构件，其中，所述微生物附着于所述第二孔结构内。

13.根据权利要求1、2、7、9、10和12中任意一项所述的水体处理构件，其中，所述微生物为光合菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌和醋酸杆菌中的至少一种。

14.根据权利要求1、2、7、9和10中任意一项所述的水体处理构件，其中，所述微生物为粉剂。

15.根据权利要求1、2、7、9和10中任意一项所述的水体处理构件，其中，所述水体处理构件为不规则形状，粒径为1-35mm。

16.一种制备权利要求1-15中任意一项所述水体处理构件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将载体、包覆材料、微生物和水混合；

（2）将由步骤（1）得到的混合物进行凝固和造粒；

其中，所述包覆材料含有白色硅酸盐水泥、石灰石和白云母；

相对于100重量份的所述载体，所述包覆材料的用量为0.1-10重量份，所述微生物的用量为0.05-5重量份，所述水的用量为0.1-30重量份；

在所述包覆材料中，相对于100重量份的所述白色硅酸盐水泥，所述石灰石的用量为1-5重量份，所述白云母的用量为0.5-1重量份。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，在步骤（1）中，所述混合的方式为搅拌，所述搅拌的条件包括：速率为13-17r/min，时间为1-3min，温度大于等于4℃。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，在步骤（2）中，所述凝固的条件包括：时间为4-8h，温度为1-40℃；所述凝固的方式为晾晒和/或烘干。

19.权利要求1-15中任意一项所述的水体处理构件在水体处理中的应用。