CN108862565A - 一种生物膜载体及其反应系统和应用 - Google Patents

一种生物膜载体及其反应系统和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物膜载体及其反应系统和应用，所述生物膜载体包括塑料壳体和聚氨酯海绵，所述塑料壳体上设有若干贯通的交替孔，所述聚氨酯海绵固定在所述交替孔内。本发明提供的生物膜载体采用塑料和海绵结合的方式，使得载体和水的密度更加接近，避免了传统聚氨酯海绵富集微生物后在低曝气量下容易沉积于反应器底部的弊端，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。

Description

一种生物膜载体及其反应系统和应用
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，特别涉及生物处理废水(污水)技术领域，尤其涉及一种生物膜载体及其反应系统和应用。
背景技术
磺胺类药物(Sulfonamides,SAs)是指具有对氨基苯磺酰胺结构的一类药物；其中，磺胺类抗生素是人工合成的高效广谱抗菌药，广泛应用于农业、水产、畜牧养殖和人类疾病治疗中，是用于预防和治疗人的细菌性感染作全身用药的第一类化学治疗药。据世界卫生组织调查显示，目前我国住院患者抗生素药物使用率高达80％，远远高于30％的国际水平，而且我国在畜牧养殖业中也广泛使用磺胺类抗生素。使用抗生素后人体及动物不会全部吸收，会有30％-90％随排泄进入环境中。磺胺类抗生素，如磺胺嘧啶(SDZ)和磺胺甲恶唑(SMZ)，被认为是在水生环境中存在较高浓度的代表性抗生素，抗生素污染不仅会导致抗性基因的广泛传播造成生态污染，而且会危害人类健康。目前，污水处理厂通常采用传统的活性污泥系统，旨在去除有机碳和营养物质，而没有考虑在废水处理过程中不易去除的低浓度的磺胺类抗生素。在城市生态系统中，污水处理厂被认为是磺胺类抗生素进入水生环境的主要途径。抗生素的存在导致抗生素抗性基因的广泛传播，可能会危及人类和水生生态系统的健康。
尽管活性炭吸附、膜过滤、臭氧氧化和高级氧化等先进处理能够显着地去除废水中的抗生素，但这些技术由于运行成本高和难以解决的问题而不适用于某些城市污水处理厂。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物膜载体及其反应系统和应用，采用塑料和海绵结合的方式，使得载体和水的密度更加接近，避免了传统聚氨酯海绵富集微生物后在低曝气量下容易沉积于反应器底部的弊端，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。
为此，本发明技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种生物膜载体，包括塑料壳体和聚氨酯海绵，所述塑料壳体上设有若干贯通的交替孔，所述聚氨酯海绵固定在所述交替孔内。
优选地，所述塑料壳体为圆柱形，沿轴向设有若干贯通的交替孔；所述聚氨酯海绵的形状与所述交替孔相对应，恰好塞入所述交替孔内且不脱落；
优选地，所述交替孔为4个，且均为半径相同的圆心角为90°的扇形。
优选地，所述聚氨酯海绵的密度为20-30kg/m3，例如可以是21kg/m3、22kg/m3、23kg/m3、24kg/m3、25kg/m3、26kg/m3、27kg/m3、28kg/m3及所述范围内的所有取值，由于篇幅的限制不再列举，优选为24-28kg/m3；
生物处理工艺被认为是去除磺胺类抗生素的一种既环保而且经济有效的处理方法，这也是传统物理和化学处理技术的有效替代方法，就处理抗生素废水而言，膜生物反应器系统(MBR)被认为优于常规活性污泥法。因为其能省去二沉池，节省成本，对微生物和各种致病菌具有高效截留作用，能阻止抗性基因的传播。此外，较长的固体停留时间和较小的絮凝尺寸可以有效提高MBR中的生物降解潜力和吸附能力。同时，吸附和生物降解是生物处理过程中废水中抗生素最主要的两种去除机制。
此外，以前的研究表明，生物载体附着生长技术可以促进慢生长细菌的富集，能够进一步增强了MBR生物降解抗生素的潜力。生物载体附着生长技术可以在生物膜内实现不同的氧化还原条件，这可以形成复杂的微生物结构并能够提高MBR的处理性能的稳定性。
因此，在本发明中，生物膜载体的密度包括聚氨酯海绵的密度和塑料壳体的密度，二者综合得出生物膜载体的密度，本发明中生物膜载体的密度与水密度更加接近，避免了传统聚氨酯海绵富集微生物后在低曝气量下容易沉积于反应器底部的弊端，本发明的生物膜载体能够更充分的在反应器内移动，传质效果好，有利于微生物对污染物的吸附和降解。另外，在本发明的生物膜载体表面挂膜后在在生物膜载体的内部形成厌氧条件，外部仍为好氧条件，有利于硝化菌和反硝化菌的富集，使得载体外部接触到氧气发生氨化及硝化反应，而内部缺少氧气而发生反硝化反应，使得总氮(TN)的去除率相对CSMBR提高了约7％。
优选地，所述聚氨酯海绵的平均比表面积为0.5-1.0m2/g，若比表面积过高，则载体传质效果较差，若比较面积过低，则载体表面挂膜效果较差，例如可以是0.5m2/g、0.6m2/g、0.7m2/g、0.8m2/g、0.9m2/g、1.0m2/g及所述范围内的所有取值，由于篇幅的限制不再列举，优选为0.7-0.9m2/g；
优选地，在所述聚氨酯海绵中，每平方英寸含60-100孔，若孔密度过高，则载体传质效果较差，若孔密度过低，则载体表面挂膜效果较差，例如可以是65孔、70孔、75孔、80孔、85孔、90孔、95孔、100孔及所述范围内的所有取值，由于篇幅的限制不再列举，优选为70-80孔。
优选地，所述塑料壳体的密度为800-1000kg/m3，若壳体密度过高，则载体沉积在水底，不易随水流动，若壳体密度过低，则载体漂浮在水面，不易随水流动，例如可以是810kg/m3、820kg/m3、830kg/m3、840kg/m3、850kg/m3、860kg/m3、870kg/m3、880kg/m3、890kg/m3、900kg/m3、910kg/m3、920kg/m3、930kg/m3、940kg/m3、950kg/m3、960kg/m3、970kg/m3、980kg/m3、990kg/m3及所述范围内的所有取值，由于篇幅的限制不再列举，优选为900-1000kg/m3；
优选地，所述塑料壳体的平均比表面积为400-600m2/m3，若壳体的平均比表面积过高或过低，则会导致载体传质效果较差，例如可以是410m2/m3、420m2/m3、430m2/m3、440m2/m3、450m2/m3、460m2/m3、470m2/m3、480m2/m3、490m2/m3、500m2/m3、510m2/m3、520m2/m3、530m2/m3、540m2/m3、550m2/m3、560m2/m3、570m2/m3、580m2/m3、590m2/m3、600m2/m3及所述范围内的所有取值，由于篇幅的限制不再列举，优选为450-550m2/m3；
优选地，所述塑料壳体的孔隙率高于90％，优选为高于95％。
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及微生物附着挂膜；塑料载体是最常用的生物载体具有比重接近于水，轻微搅拌下易于随水自由运动的特性；传质效果好，有利于微生物对污染物的吸附和降解；在生物膜载体的表面和内部可以分别形成好氧和厌氧条件，可在反应器中同时存在不同的氧化还原条件，丰富了微生物的多样性，有利于形成稳定的生态结构，从而提高对抗生素的去除性能。因此，为避免引入其它化学物质，本发明将塑料与聚氨酯海绵通过物理结合，形成一种海绵塑料生物载体，以提高传统的一体式好氧膜生物反应器系统(CSMBR)对抗生素的处理性能。
第二方面，本发明提供一种好氧膜生物反应系统，所述好氧膜生物反应系统的生物膜载体为本发明第一方面所述的生物膜载体。
优选地，所述好氧膜生物反应系统的工作体积为2-5L，若体积过小，则去除抗生素效果不佳，若体积过大，则成本过高，不易控制。例如可以是2L、2.5L、3L、3.5L、4L、4.5L、5L及所述范围内的所有取值，由于篇幅的限制不再列举，优选为3-4L；
优选地，在所述好氧膜生物反应系统中，若填充率过小或过大，则去除抗生素效果不佳；生物膜载体的填充率为15-35％，例如可以是15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％及所述范围内的所有取值，由于篇幅的限制不再列举，优选为20-30％。
第三方面，本发明提供如第二方面所述的好氧膜生物反应系统的制备方法，包括以下步骤：将生物膜载体投加到好氧膜生物反应器中，接种活性污泥，使生物膜载体在好氧膜生物反应器中驯化，待生物膜载体上形成生物膜后，制备完成。
优选地，所述悬浮固体的密度为4-6g/L，若密度过小，则能够去除抗生素的微生物量较少，去除抗生素效果不佳，若密度过大，则造成膜污染，不易控制。例如可以是4g/L、4.2g/L、4.4g/L、4.6g/L、4.8g/L、5g/L、5.2g/L、5.4g/L、5.6g/L、5.8g/L、6g/L及所述范围内的所有取值，由于篇幅的限制不再列举，优选为5-5.5g/L；
优选地，所述驯化的时间为13-18d，若时间过短，则微生物完成驯化率较低，去除抗生素效果不佳，若时间过长，则微生物容易老化，去除抗生素效果不佳，例如可以是13d、13.5d、14d、14.5d、15d、15.5d、16d、16.5d、17d、17.5d、18d及所述范围内的所有取值，由于篇幅的限制不再列举，优选为14-15d。
第四方面，本发明提供如第二方面所述的好氧膜生物反应系统在处理含抗生素废水方面的应用。
优选地，所述抗生素为磺胺类抗生素(例如磺胺甲氧嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺异恶唑、磺胺嘧啶或磺胺甲恶唑中任意一种或至少两种的混合物，例如可以是磺胺甲氧嘧啶和磺胺二甲氧嘧啶的混合物，磺胺二甲嘧啶、磺胺异恶唑和磺胺嘧啶的混合物，磺胺甲氧嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑的混合物，磺胺二甲氧嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺异恶唑和磺胺甲恶唑的混合物等)，优选为磺胺嘧啶和/或磺胺甲恶唑。
与现有技术相比，本发明至少存在以下有益效果：
本发明提供的生物膜载体采用塑料和海绵结合的方式，使得载体和水的密度更加接近，避免了传统聚氨酯海绵富集微生物后在低曝气量下容易沉积于反应器底部的弊端，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。
另外，由于载体表面和内部分别形成好氧和厌氧条件，有利于硝化菌和反硝化菌的富集，这使得载体外部接触到氧气发生氨化及硝化反应，而内部缺少氧气而发生反硝化反应，使得总氮(TN)的去除率相对CSMBR提高了7-8％。
由于本发明的生物膜载体的存在，本发明的好氧膜生物反应系统(SPSMBR)可以同时存在不同的氧化还原条件，丰富了微生物的多样性，有利于形成稳定的生态结构；同时，生物膜载体上富集了大量的能够降解磺胺类抗生素的微生物，使得磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑作的去除率相对于传统的一体式好氧膜生物反应器系统分别提高了超过15％。
另外，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为本发明的好氧膜生物反应器(MBR)的结构示意图。
图2为生物膜载体1的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
实施例1
聚氨酯海绵的长×宽×高为10×10×5mm3，密度为28kg/m3，平均比表面积为0.846m2/g，每平方英寸含100孔；塑料壳体的高为10mm，形状为圆柱体，直径为10mm，设有四个孔，密度为960kg/m3，平均比表面积为0.625m2/kg，孔隙率为95％。
实施例2
聚氨酯海绵的长×宽×高为10×10×5mm3，密度为20kg/m3，平均比表面积为0.5m2/g，每平方英寸含70孔；塑料壳体的高为10mm，形状为圆柱体，直径为10mm，设有四个孔，密度为800kg/m3，平均比表面积为500m2/m3，孔隙率为95％。
实施例3
聚氨酯海绵的长×宽×高为10×10×5mm3，密度为30kg/m3，平均比表面积为0.75m2/g，每平方英寸含80孔；塑料壳体的高为10mm，形状为圆柱体，直径为10mm，设有四个孔，密度为860kg/m3，平均比表面积为400m2/m3，孔隙率为98％。
实施例4
聚氨酯海绵的长×宽×高为10×10×5mm3，密度为28kg/m3，平均比表面积为1.0m2/g，每平方英寸含60孔；塑料壳体的高为10mm，形状为圆柱体，直径为10mm，设有四个孔，密度为900kg/m3，平均比表面积为450m2/m3，孔隙率为97％。
实施例5
聚氨酯海绵的长×宽×高为10×10×5mm3，密度为28kg/m3，平均比表面积为0.9m2/g，每平方英寸含80孔；塑料壳体的高为10mm，形状为圆柱体，直径为10mm，设有四个孔，密度为1000kg/m3，平均比表面积为550m2/m3，孔隙率为96％。
生物膜载体制备所需的工具为剪刀和小镊子，将聚氨酯海绵用剪刀剪切为合适的尺寸(能够塞进塑料壳体的孔内，不易脱落即可)，用小镊子将合适尺寸的聚氨酯海绵载体塞进塑料壳体的交替孔内。
对比例1
与实施例1相同，区别仅在于聚氨酯海绵的密度为15kg/m3，其余均相同。
对比例2
与实施例1相同，区别仅在于聚氨酯海绵的密度为35kg/m3，其余均相同。
对比例3
与实施例1相同，区别仅在于聚氨酯海绵的平均比表面积为0.2m2/g，其余均相同。
对比例4
与实施例1相同，区别仅在于聚氨酯海绵的平均比表面积为1.5m2/g，其余均相同。
对比例5
与实施例1相同，区别仅在于聚氨酯海绵每平方英寸含50孔，其余均相同。
对比例6
与实施例1相同，区别仅在于聚氨酯海绵每平方英寸含120孔，其余均相同。
对比例7
与实施例1相同，区别仅在于塑料壳体的密度为700kg/m3，其余均相同。
对比例8
与实施例1相同，区别仅在于塑料壳体的密度为1300kg/m3，其余均相同。
对比例9
与实施例1相同，区别仅在于塑料壳体的平均比表面积为0.313m2/kg，其余均相同。
对比例10
与实施例1相同，区别仅在于塑料壳体的平均比表面积为0.833m2/kg，其余均相同。
对比例11
与实施例1相同，区别仅在于塑料壳体的孔隙率为80％，其余均相同。
对比例12
本实施例采用传统的一体式好氧膜生物反应器系统(CSMBR)。
实施例13性能测试
将实施例1-5和对比例1-11的生物膜载体放入好氧膜生物反应器(MBR)中，按照图1所示的位置安装，载体在反应器内驯化14天，待载体上形成生物膜后便开始连续进水。
在图1中，1为生物膜载体，4为进水容器，5为进水蠕动泵，6为压力传感器，7为无纸记录仪，8为出水蠕动泵，9为MBR反应器，10为曝气条，11为气体流量计，12为曝气泵，13为出水容器，14为膜组件。图2为生物膜载体1的局部放大图，2为塑料壳体，3为聚氨酯海绵。
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(Total Organic Carbon,简称TOC，总有机碳)、NH4 +-N、TP(Total Phosphorus，总磷量)、TN(Total Nitrogen，总氮量)、分别为90-110mg/L、16-20mg/L、2.5-3.5mg/L、16-20mg/L，微量元素成分中MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、MnCl2·7H2O、ZnSO4·7H2O、CoCl2·6H2O、CuSO4·5H2O、FeCl3、Na2MoO4·2H2O的浓度分别为5.07mg/L、0.368mg/L、0.275mg/L、0.44mg/L、0.42mg/L、0.391mg/L、1.45mg/L、1.26mg/L，磺胺类抗生素中磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺甲恶唑(SMZ)都为5ug/L。将配置好的合成废水装入进水容器内，通过进水蠕动泵将合成废水压入MBR反应器内。
MBR反应器的进水容器、蠕动泵及MBR反应器通过软管连接，通过调节进水蠕动泵的参数，即控制水流以500mL/h的速度由进水容器进入MBR反应器内，此时水力停留时间为12h；MBR反应器的曝气条、气体流量计及曝气泵由气管连接，将曝气泵打开，通过调节MBR反应器的气体流量计的旋转开关，控制气流量，使得溶解氧在5.0-6.0mg/L范围内；MBR反应器中的孔径为0.1um、有效表面积为0.4m2、材料为聚偏氟乙烯中空纤维(PVDF)的微滤膜组件与MBR反应器出水的压力传感器由软管连接，再通过软管连接MBR反应器的出水蠕动泵，MBR反应器内的水以抽吸出水的方式流入出水容器内，调节出水蠕动泵的参数，即控制出水速度，此时膜通量为6.25L/(h.m2)，压力传感器通过电线连接无纸记录仪，实时监测跨膜压差。
表1为杂质去除率的统计结果，从表1可以看出，实施例1-5中对于TOC、NH4-N和TN的去除率均高于对比例1-12，本发明的SPSMBR系统与CSMBR系统对NH4+-N和TOC的平均去除率基本都达到了90％以上；SPSMBR系统对TP的平均去除率也高于对比例1-12；而SPSMBR系统对TN的平均去除率达到了61.47％，相比于CSMBR去除率提高了10％。
表1
表2为SPSMBR与CSMBR对磺胺嘧啶(SDZ)和磺胺甲恶唑(SMZ)去除率性能，SPSMBR与CSMBR对SDZ的去除率分别为91％和76％，SMZ去除率分别为88％和71％。从图中的可以看出，无论是SDZ还是SMZ的去除率，都以新型SPSMBR的性能相对较好。
表2
综上所述，本发明提供的生物膜载体采用塑料和海绵结合的方式，使得载体和水的密度更加接近，避免了传统聚氨酯海绵富集微生物后在低曝气量下容易沉积于反应器底部的弊端，载体能够更充分的在反应器内移动，传质效果好，有利于微生物对污染物的吸附和降解。
另外，由于载体表面和内部分别形成好氧和厌氧条件，有利于硝化菌和反硝化菌的富集，这使得载体外部接触到氧气发生氨化及硝化反应，而内部缺少氧气而发生反硝化反应，使得总氮(TN)的去除率相对CSMBR提高了7-8％。由于本发明的生物膜载体的存在，本发明的好氧膜生物反应(SPSMBR)系统可以同时存在不同的氧化还原条件，丰富了微生物的多样性，有利于形成稳定的生态结构；同时，生物膜载体上富集了大量的能够降解磺胺类抗生素的微生物，使得磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑作的去除率相对于传统的一体式好氧膜生物反应器系统分别提高了超过15％。
最后，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，具有广阔的市场前景和潜在的经济价值。
应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
申请人声明，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物膜载体，其特征在于，所述生物膜载体包括塑料壳体和聚氨酯海绵，所述塑料壳体上设有若干贯通的交替孔，所述聚氨酯海绵固定在所述交替孔内。
2.根据权利要求1所述的生物膜载体，其特征在于，所述塑料壳体为圆柱形，沿轴向设有若干贯通的交替孔；所述聚氨酯海绵的形状与所述交替孔相对应，恰好塞入所述交替孔内且不脱落；
优选地，所述交替孔为4个，且均为半径相同的圆心角为90°的扇形。
3.根据权利要求1或2所述的生物膜载体，其特征在于，所述聚氨酯海绵的密度为20-30kg/m3，优选为24-28kg/m3；
优选地，所述聚氨酯海绵的平均比表面积为0.5-1.0m2/g，优选为0.7-0.9m2/g；
优选地，在所述聚氨酯海绵中，每平方英寸含60-100孔，优选为70-80孔。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的生物膜载体，其特征在于，所述塑料壳体的密度为800-1000kg/m3，优选为900-1000kg/m3；
优选地，所述塑料壳体的平均比表面积为400-600m2/m3，优选为450-550m2/m3；
优选地，所述塑料壳体的孔隙率高于90％，优选为高于95％。
5.一种好氧膜生物反应系统，其特征在于，所述好氧膜生物反应系统的生物膜载体为权利要求1-4中任一项所述的生物膜载体。
6.根据权利要求5所述的好氧膜生物反应系统，其特征在于，所述好氧膜生物反应系统的工作体积为2-5L，优选为3-4L；
优选地，在所述好氧膜生物反应系统中，生物膜载体的填充率为15-35％，优选为20-30％。
7.根据权利要求5或6所述的好氧膜生物反应系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将生物膜载体投加到好氧膜生物反应器中，接种活性污泥，使生物膜载体在好氧膜生物反应器中驯化，待生物膜载体上形成生物膜后，制备完成。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述悬浮固体的密度为4-6g/L，优选为5-5.5g/L；
优选地，所述驯化的时间为13-18d，优选为14-15d。
9.根据权利要求5或6所述的好氧膜生物反应系统在处理含抗生素废水方面的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述抗生素为磺胺类抗生素，优选为磺胺嘧啶和/或磺胺甲恶唑。
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