CN108503037A - 新型生物膜载体的制备及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型生物膜载体的制备及其应用，该载体包括两种载体单体，分别为聚氨酯海绵和沸石粉，所述聚氨酯海绵和沸石粉两种载体在物理旋转下组合为新型生物膜载体。本发明效果是采用该方案能够提高载体的密度，使得载体和水的密度更加接近，避免了传统聚氨酯海绵容易漂浮于水中的弊端，有利于微生物对污染物的吸附和降解，生物量提高0.997±0.192g/L，脱氮效率提高了5.1±1.8％。该方案操作简单，不引入化学物质，一次性投资成本较低，易于在实际中应用。

Description

新型生物膜载体的制备及其应用
技术领域
本发明属于废水或污水的生物处理领域，具体涉及一种新型生物膜载体的制备及其应用。
背景技术
随着石化、食品和制药等工业的发展，以及人民生活水平的不断提高，城市污水和垃圾渗滤液中氮磷化合物的含量急剧上升，致使我国部分水体出现富营养化现象，因此，脱氮除磷已经逐渐成为环境工作者研究的重点之一。MBBR工艺是附着生长的生物膜法和悬浮生长的活性污泥法相结合的一种污水处理工艺，既具有传统生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少的特点，又具有活性污泥法的高效性和运转灵活性，被视为“未来最具有前景的污水处理技术”。
在MBBR应用中，生物膜载体的选择尤为重要，要求载体具有机械强度高、耐磨耐腐蚀、密度稍小于水(当挂上生物膜后密度与水相当)以及比表面积大、表面粗糙、利于微生物附着等特点。生物膜载体内存在溶解氧梯度，微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高，以好氧硝化菌及氨化菌为主；深入内部受到氧传递受阻及外部溶解氧大量的消耗而产生缺氧区，反硝化菌为优势菌种，从而导致同时硝化反硝化(SND)的发生。
目前MBBR工艺中常用的填料有聚乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚氨酯海绵、活性炭、沸石以及硅藻土等。近年来，随着污水处理厂出水水质要求的不断提高，传统生物膜载体已经很难满足现状需求。
发明内容
本发明针对传统填料存在不同弊端，其目的是提供一种新型生物膜载体的制备及其应用，以利于适宜载体与聚氨酯海绵进行结合来增大比表面积，从而使载体在附着生物膜后的密度与水的密度更加接近。由于新型载体的附着生物量增大，从而提高了MBBR工艺的处理效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种新型生物膜载体的制备，其中：该载体包括两种载体单体，分别为聚氨酯海绵和沸石粉，所述聚氨酯海绵和沸石粉两种载体在物理旋转下组合为新型生物膜载体。
所述新型生物膜载体制备所需的仪器为ZR4-6六联搅拌装置，将聚氨酯海绵按20％的填充率装入容积为1L的玻璃容器内，同时加入3g沸石粉，通过所述搅拌装置的控制面板控制，在搅拌装置的叶轮的搅动下，使沸石粉进入聚氨酯海绵内部。
首先在转速为100r/min的条件下，设置搅拌装置的第一个叶轮运行时间为1h，第二个叶轮的运行时间为2h，依次类推，第六个叶轮运行时间为6h。
上述过程运行完成后，将转速调至150r/min，依旧将第一个叶轮运行时间设为1h，第二个叶轮的运行时间设为2h，依次设置，第六个叶轮运行时间为6h。
按每次增加量50r/min来设置转速，最大转速为300r/min，在转速分别为100r/min、150r/min、200r/min、250r/min和300r/min的条件下，运行时间由1h进行至4h时，聚氨酯海绵吸附沸石粉的量均呈增加趋势，当运行时间超过4h后，新型载体的重量趋于稳定，此时聚氨酯海绵吸附沸石粉已达饱和；在运行时间为4h时，转速100r/min、150r/min、200r/min、250r/min和300r/min对应的沸石粉平均增量分别为0.0875g、0.1577g、0.1215g、0.0673g和0.0671g，因此本实验确定的最佳搅拌时间为4h，最佳转速为150r/min。
同时提供一种新型生物膜载体的应用。
本发明效果是：采用该技术方案能够(1)由于沸石粉和海绵的结合提高了载体的密度，使得载体和水的密度更加接近，避免了传统聚氨酯海绵容易漂浮于水中的弊端；载体能够更充分的在反应器内移动，因此传质效果好，有利于微生物对污染物的吸附和降解，相对于传统聚氨酯海绵的MBBR反应器，生物量提高了0.997±0.192g/L，脱氮效率提高了5.1±1.8％；(2)通过物理旋转，沸石粉可进入聚氨酯海绵的空隙内部，充分利用了海绵的多孔性，进一步提高了载体的比表面积，有利于更多物生物的附着，加大了附着生物量；(3)载体上同时硝化反硝化的发生是由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生溶解氧(DO)梯度。由于新型载体内部可以附着更大的生物量，增大了氧浓度梯度，这使得载体外部接触到氧气发生氨化及硝化反应，而内部氧气极少而发生反硝化反应，使得总氮(TN)的去除率提高了8.1±3.2％，SND性能提高了5.5±1.7％；(4)传统聚氨酯海绵和沸石粉的结合，不仅因提高了附着生物量而促进了微生物对氨氮的降解，沸石粉对氨的吸附也是提高氨氮去除率的一个重要途径；(5)本发明操作简单，不引入化学物质，一次性投资成本较低，易于在实际中应用。
附图说明
图1为本发明的生物膜载体结构示意图；
图2为新型载体制备示意图；
图3为移动床生物膜反应器结构示意图；
图4为本发明的载体与传统聚氨酯海绵载体对总有机碳(TOC)去除率的比较；
图5为本发明的载体与传统聚氨酯海绵载体对氨氮(NH4 +-N)去除率的比较；
图6为本发明的载体与传统聚氨酯海绵载体对总氮(TN)去除及同步硝化反硝化(SND)性能比较。
图中：
1、新型生物膜载体 2、聚氨酯海绵 3、沸石粉 4、ZR4-6六联搅拌装置的玻璃容器5、ZR4-6六联搅拌装置的控制面板 6、ZR4-6六联搅拌装置的叶轮 7、进水容器 8、蠕动泵9、MBBR反应器 10、曝气盘 11、气体流量计 12、曝气泵 13、出水容器
具体实施方式
结合附图对本发明的新型生物膜载体的制备及其应用加以说明。
聚氨酯海绵填料属于有机高分子填料，其多孔通透结构大大提高了产品比表面积，有利于微生物大量繁殖，是目前MBBR反应器常用的生物膜载体；沸石为多孔的硅酸盐，比表面积大，易于微生物附着挂膜。沸石经研磨得到的沸石粉不仅具有沸石的性质，还可去除水中氨氮95％，净化水质。因此，为避免引入其它化学物质，本发明的新型生物膜载体的制备选择沸石粉与聚氨酯海绵通过物理旋转进行结合，形成一种新型生物膜载体。
本发明的新型生物膜载体的制备过程为，该载体包括两种载体单体，分别为聚氨酯海绵2和沸石粉3，所述聚氨酯海绵2和沸石粉3两种载体在物理旋转下组合为新型生物膜载体1。
所述新型生物膜载体1制备所需的仪器为ZR4-6六联搅拌装置，将聚氨酯海绵2按20％的填充率装入容积为1L的玻璃容器内4，同时加入3g沸石粉3，通过所述搅拌装置的控制面板5控制，在搅拌装置的叶轮6的搅动下，使沸石粉3进入聚氨酯海绵2内部。
首先在转速为100r/min的条件下，设置搅拌装置的第一个叶轮6运行时间为1h，第二个叶轮6的运行时间为2h，依次类推，第六个叶轮6运行时间为6h。
上述过程运行完成后，将转速调至150r/min，依旧将第一个叶轮6运行时间设为1h，第二个叶轮6的运行时间设为2h，依次设置，第六个叶轮6运行时间为6h。
按每次增加量50r/min来设置转速，最大转速为300r/min，在转速分别为100r/min、150r/min、200r/min、250r/min和300r/min的条件下，运行时间由1h进行至4h时，聚氨酯海绵2吸附沸石粉3的量均呈增加趋势，当运行时间超过4h后，新型载体1的重量趋于稳定，此时聚氨酯海绵2吸附沸石粉3已达饱和；在运行时间为4h时，转速100r/min、150r/min、200r/min、250r/min和300r/min对应的沸石粉3平均增量分别为0.0875g、0.1577g、0.1215g、0.0673g和0.0671g，因此本实验确定的最佳搅拌时间为4h，最佳转速为150r/min。
所述聚氨酯海绵2长×宽×高为15×15×15mm，密度为28kg/m3，平均比表面积为0.846m2/g，每平方英寸含80孔；沸石粉3粒径为0.15mm，比重为2.1-2.6g/cm2，容重为1.5-1.8g/cm2，硬度为3.5-5.5。所述生物膜载体1的长×宽×高为15×15×15mm立方体，密度为32kg/m3。
对所述新型生物膜载体的应用加以说明，该应用是在移动床生物膜MBBR反应器中进行，该应用包括有如下的步骤：
①运行两个MBBR反应器9作为对比，其中第一MBBR反应器9以传统聚氨酯海绵2为生物膜载体，第二MBBR反应器9以所述新型生物膜载体1为生物膜载体，有效体积均为12L；
②作为对比，按20％的填充率将传统聚氨酯海绵2和新型生物膜载体1分别投加入所述两个MBBR反应器9内，接种污泥的混合液悬浮固体均为2.8g/L，传统聚氨酯海绵载体2和新型生物膜载体1均在MBBR反应器9内驯化15天，待载体上形成生物膜后便开始连续进水；
③所述移动床生物膜MBBR反应器的进水容器7内的实验用水为人工配制废水，即在自来水中溶解葡萄糖、(NH4)2SO4、KH2PO4、酵母粉及微量元素，制得水质为：TOC、NH4+-N、TP、NO2 --N、NO3 --N、酵母提取物分别为110-160、20-30、2.5-3.5、0.02-0.28、0.3-1.2、30mg/L，微量元素成分中MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、MnCl2·7H2O、ZnSO4·7H2O、CoCl2·6H2O、CuSO4·5H2O、Fe Cl3、Na2MoO4·2H2O分别为5.07、0.368、0.275、0.44、0.42、0.391、1.45、1.26mg/L；
④移动床生物膜MBBR反应器的进水容器7、蠕动泵8及MBBR反应器9通过软管连接，通过调节蠕动泵8的参数，即控制水流以1L/h的速度由进水容器7进入MBBR反应器9内，此时水力停留时间为12h；移动床生物膜MBBR反应器的曝气盘10、气体流量计11及曝气泵12由气管连接，将曝气泵12打开，通过调节移动床生物膜MBBR反应器的气体流量计11的旋转开关，控制空气以0.09m3/h的速度进入MBBR反应器9内，使得溶解氧在5.0-6.5mg/L范围内；MBBR反应器9与移动床生物膜MBBR反应器的出水容器13由软管连接，MBBR反应器9内的水以溢流的方式流入出水容器13内。
本发明的新型生物膜载体的制备及其应用采用如下步骤实现：
如图1所示，该种用于污水处理的新型生物载体1，主要由聚氨酯海绵2和沸石粉3构成，其中聚氨酯海绵2长×宽×高为15×15×15mm，密度为28kg/m3，平均比表面积为0.846m2/g，每平方英寸含80孔；沸石粉3粒径为0.15mm，比重为2.1-2.6g/cm2，容重为1.5-1.8g/cm2，硬度为3.5-5.5。
如图1、图2所示，将聚氨酯海绵2按20％的填充率装入1L的玻璃容器4内，同时加入3g沸石粉，将水加至1L。聚氨酯海绵2在加入到玻璃容器4内之前，在烘箱里60℃烘干2h后称量重量记为m1，在运行完每一个转速后，将6个容器内结合后的新型载体1取出分别放入烘箱里60℃烘干12h后称量重量，分别记为m2-1，m2-2，m2-3，m2-4，m2-5和m2-6，因此m2-m1的数值即为聚氨酯海绵2吸附沸石粉3的重量。每个条件运行3次取平均值，最终确定最佳转速和最佳结合时间。
具体实施步骤：首先设置转速为100r/min，设置第一个叶轮6运行时间为1h，第二个叶轮6的运行时间为2h，依次类推，第六个叶轮6运行时间为6h。在此转速阶段运行完后，按上述方法计算出m2与m1的质量差；其次调整转速到150r/min，依旧将第一个叶轮6运行时间设为1h，第二个叶轮6的运行时间设为2h，依次设置，第六个叶轮6运行时间为6h；按每次增加量50r/min来设置转速，最大转速为300r/min。实验结果表明，在转速分别为100r/min、150r/min、200r/min、250r/min和300r/min时，运行时间由1h进行至4h时，聚氨酯海绵2吸附沸石粉3的量均呈增加趋势，当运行时间超过4h后，新型载体1的重量趋于稳定，此时聚氨酯海绵2吸附沸石粉3已达饱和；在运行时间为4h时，转速100r/min、150r/min、200r/min、250r/min和300r/min对应的沸石粉3平均增量分别为0.0875g、0.1577g、0.1215g、0.0673g和0.0671g，因此本实验确定的最佳搅拌时间为4h，最佳转速为150r/min。所制得的新型生物膜载体1长×宽×高为15×15×15mm，密度为32kg/m3。
如图3所示，运行两个MBBR反应器9作为对比，其中第一反应器9以传统聚氨酯海绵2为生物膜载体，第二反应器9以上述新型载体1为生物膜载体，有效体积均为12L。按20％的填充率将载体分别投加入两个反应器内，接种污泥的混合液悬浮固体为2.8g/L。载体在反应器内驯化15天，待载体上形成生物膜后便开始连续进水。
实验用水为人工配水，模拟中等强度生活污水，即在自来水中溶解葡萄糖、(NH4)2SO4、KH2PO4、酵母粉及微量元素，制得水质为TOC、NH4+-N、TP、NO2 --N、NO3 --N、酵母提取物分别为110-160、20-30、2.5-3.5、0.02-0.28、0.3-1.2、30mg/L，微量元素成分中MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、MnCl2·7H2O、ZnSO4·7H2O、CoCl2·6H2O、Cu SO4·5H2O、Fe Cl3、Na2MoO4·2H2O分别为5.07、0.368、0.275、0.44、0.42、0.391、1.45、1.26mg/L。将配置好的合成废水装入进水容器7内，通过蠕动泵8将合成废水压入反应器9内。
移动床生物膜MBBR反应器的进水容器7、蠕动泵8及MBBR反应器9通过软管连接，通过调节蠕动泵8的参数，即控制水流以1L/h的速度由进水容器7进入MBBR反应器9内，此时水力停留时间为12h；移动床生物膜MBBR反应器的曝气盘10、气体流量计11及曝气泵12由气管连接，将曝气泵12打开，通过调节移动床生物膜MBBR反应器的气体流量计11的旋转开关，控制空气以0.09m3/h的速度进入MBBR反应器9内，使得溶解氧在5.0-6.5mg/L范围内；MBBR反应器9与移动床生物膜MBBR反应器的出水容器13由软管连接，MBBR反应器9内的水以溢流的方式流入出水容器13内。
图4描述了两个MBBR反应器9的有机物去除情况，从图中我们可以看出，以传统聚氨酯海绵2为生物膜载体的反应器9对TOC的平均去除率达到了90.2±4.7％，而以新型载体为生物膜载体的反应器9对TOC的平均去除率达到了95.4±2.9％，相比之下，上述方案中新型载体1的使用使得TOC的去除率提高了5.2±1.8％。
图5描述了两个MBBR反应器9对NH4 +-N的去除情况，从图中我们可以看出，以传统聚氨酯海绵2为生物膜载体的反应器9对NH4 +-N的平均去除率达到了90.1±4.3％，而以新型载体为生物膜载体的反应器9对NH4 +-N的平均去除率达到了95.2±2.5％，相比之下，上述方案中新型载体1的使用使得NH4 +-N的去除率提高了5.1±1.8％。
图6描述了两个MBBR反应器9对TN的去除情况及SND性能，两个MBBR反应器9对TN的去除率分别为73.6±9.8％和81.7±6.4％，SND性能分别为85.1±9.1％和90.6±7.3％。从图中的可以看出，无论是TN去除率还是SND性能，以新型载体为生物膜载体的反应器9的性能相对较好。

Claims (4)

1.一种新型生物膜载体的制备，其特征是：该载体包括两种载体单体，分别为聚氨酯海绵(2)和沸石粉(3)，所述聚氨酯海绵(2)和沸石粉(3)两种载体在物理旋转下组合为新型生物膜载体(1)；
所述新型生物膜载体(1)制备所需的仪器为ZR4-6六联搅拌装置，将聚氨酯海绵(2)按20％的填充率装入容积为1L的玻璃容器内(4)，同时加入3g沸石粉(3)，通过所述搅拌装置的控制面板(5)控制，在搅拌装置的叶轮(6)的搅动下，使沸石粉(3)进入聚氨酯海绵(2)内部；
首先在转速为100r/min的条件下，设置搅拌装置的第一个叶轮(6)运行时间为1h，第二个叶轮(6)的运行时间为2h，依次类推，第六个叶轮(6)运行时间为6h；
上述过程运行完成后，将转速调至150r/min，依旧将第一个叶轮(6)运行时间设为1h，第二个叶轮(6)的运行时间设为2h，依次设置，第六个叶轮(6)运行时间为6h；
按每次增加量50r/min来设置转速，最大转速为300r/min，在转速分别为100r/min、150r/min、200r/min、250r/min和300r/min的条件下，运行时间由1h进行至4h时，聚氨酯海绵(2)吸附沸石粉(3)的量均呈增加趋势，当运行时间超过4h后，新型载体(1)的重量趋于稳定，此时聚氨酯海绵(2)吸附沸石粉(3)已达饱和；在运行时间为4h时，转速100r/min、150r/min、200r/min、250r/min和300r/min对应的沸石粉(3)平均增量分别为0.0875g、0.1577g、0.1215g、0.0673g和0.0671g，因此本实验确定的最佳搅拌时间为4h，最佳转速为150r/min。
2.根据权利要求1所述的新型生物膜载体的制备，其特征是：所述聚氨酯海绵(2)长×宽×高为15×15×15mm，密度为28kg/m3，平均比表面积为0.846m2/g，每平方英寸含80孔；沸石粉(3)粒径为0.15mm，比重为2.1-2.6g/cm2，容重为1.5-1.8g/cm2，硬度为3.5-5.5。
3.根据权利要求1所述的新型生物膜载体的制备，其特征是：所述生物膜载体(1)长×宽×高为15×15×15mm立方体，密度为32kg/m3。
4.根据权利要求1所述新型生物膜载体的应用，该应用是在移动床生物膜MBBR反应器中进行，该应用包括有如下的步骤：
①运行两个MBBR反应器(9)作为对比，其中第一MBBR反应器(9)以传统聚氨酯海绵(2)为生物膜载体，第二MBBR反应器(9)以所述新型生物膜载体(1)为生物膜载体，有效体积均为12L；
②作为对比，按20％的填充率将传统聚氨酯海绵(2)和新型生物膜载体(1)分别投加入所述两个MBBR反应器(9)内，接种污泥的混合液悬浮固体均为2.8g/L，传统聚氨酯海绵载体(2)和新型生物膜载体(1)均在MBBR反应器(9)内驯化15天，待载体上形成生物膜后便开始连续进水；
③所述移动床生物膜MBBR反应器的进水容器(7)内的实验用水为人工配制废水，即在自来水中溶解葡萄糖、(NH4)2SO4、KH2PO4、酵母粉及微量元素，制得水质为：TOC、NH4+-N、TP、NO2 --N、NO3 --N、酵母提取物分别为110-160、20-30、2.5-3.5、0.02-0.28、0.3-1.2、30mg/L，微量元素成分中MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、MnCl2·7H2O、ZnSO4·7H2O、CoCl2·6H2O、CuSO4·5H2O、Fe Cl3、Na2MoO4·2H2O分别为5.07、0.368、0.275、0.44、0.42、0.391、1.45、1.26mg/L；
④移动床生物膜MBBR反应器的进水容器(7)、蠕动泵(8)及MBBR反应器(9)通过软管连接，通过调节蠕动泵(8)的参数，即控制水流以1L/h的速度由进水容器(7)进入MBBR反应器(9)内，此时水力停留时间为12h；移动床生物膜MBBR反应器的曝气盘(10)、气体流量计(11)及曝气泵(12)由气管连接，将曝气泵(12)打开，通过调节移动床生物膜MBBR反应器的气体流量计(11)的旋转开关，控制空气以0.09m3/h的速度进入MBBR反应器(9)内，使得溶解氧在5.0-6.5mg/L范围内；MBBR反应器(9)与移动床生物膜MBBR反应器的出水容器(13)由软管连接，MBBR反应器(9)内的水以溢流的方式流入出水容器(13)内。
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