CN109231433A - 一种污水处理用生物膜复合载体材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污水处理用生物膜载体材料技术领域，具体涉及一种污水处理用生物膜复合载体材料及制备方法。本发明的所述一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法包括：将十二烷基硫酸钠、柠檬酸钠溶解于水，再投入活性炭粉末浸泡改性处理，干燥即得改性活性炭；将聚乳酸粉末加入到聚多巴胺溶液中混合并超声处理后加入聚乙烯醇和所述改性活性炭混合均匀超声处理；之后再将物料取出，烘干后送入熔喷非织造设备中，在200℃～220℃条件下熔喷纺丝，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。本发明制备得到的复合载体材料比表面积大，机械强度高，不易老化，微生物挂膜快，环保高效等，有利于进一步提升水质净化效果。

Description

一种污水处理用生物膜复合载体材料及制备方法
技术领域
本发明涉及污水处理用生物膜载体材料技术领域，具体涉及一种污水处理用生物膜复合载体材料及制备方法。
背景技术
生物滤池法是利用微生物对污水进行生物氧化处理的方法。通常以淬石、焦炭、矿渣或人工滤衬为滤料，微生物在其表面生成一层生物膜（细菌类、原生动物、藻类、茵类等），在处理污水过程中，污水中的可溶性、胶性和悬浮性物质吸附在生物膜上而被微生物氮化分解。因此，载体材料的选择是决定生物滤池对废水处理效果的关键因素之一。
目前，国内外在生物滤池中常用的生物载体材料有很多，主要有高表面能材料如陶瓷、砂砾、活性炭、沸石等，低表面能材料如塑料环、塑料球、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维等。高表面能材料在使用过程中常发生孔隙堵塞、滤料板结的问题，低表面能材料难以黏附污染物、易粘附油污、难以冲洗的问题，各自存在的缺陷制约着生物滤池处理污水的效果。
研制新型的生物滤池填料，对于提高生物滤池运行效果具有重要意义。性能优异的载体材料必须满足比表面积大、机械强度好、有较高的耐腐蚀性、有较好的生物相容性、具有一定的空隙率及粗糙度、生物化学稳定性好的条件。这样的材料有利于保持较多的微生物量，提高微生物的接触挂膜率和缩短生长周期，同时，有利于微生物代谢过程中所需营养物质以及代谢废物的传质过程，进而提高废水处理效率。
申请号为201610591767.5的中国专利申请公开了一种用于曝气生物滤池的复合型生物滤料，它能提高硝化菌的聚集效率，高效地处理生物滤池中废水的氨氮和亚硝酸盐，而且能更好地吸附和过滤生物滤池中的其它残留物。可以在长效保持较高的孔隙率的同时，还可以增加滤料之间的接触，该结构能够防止纤维丝之间被压实，从而进一步保证过滤效果和使用寿命，而且可以增加在滤料中的微生物的接触，从而进一步优化氨氮的分解效率。该结构更有利于挂膜，且在反冲时生物膜不容易脱落。对水流阻力小、不易堵塞、布水布气均匀；表面粗糙，挂膜速度快，反冲洗时微生物膜不易脱落。实践证明可以耐得住不同强度的水力剪切作用，使用寿命远远长于其它滤料。密度适中，反冲洗时容易悬浮，可以节能降耗。
申请号为201010262851.5 的中国专利申请公开了一种曝气生物滤池使用的复合填料及生物滤池结构,解决现有生物曝气滤池用填料污染去除率较低,生物相容性差,挂膜易脱落及流速难均衡等问题,本发明使用的复合填料由火山石70%-90%,牡蛎壳5%-15%,活性炭5%-15%构成,生物滤池结构为布气系统中的曝气管设置在填料层中,填料层是为火山石70%-90%,牡蛎壳5%-15%,活性炭5%-15%构成的复合填料。本发明的有益效果是,复合填料的原料来源广泛,成本低廉,解决现有填料污染去除率低,生物相容性差,挂膜易脱落及流速难均衡等问题。生物滤池结构中,曝气管设置在填料层中,形成曝气管上端填料层为好氧区,曝气管下端填料层为厌氧区的填料层结构。在填料层内形成厌氧和好氧两个不同的处理分区,各有侧重,提高了污水处理效果。
申请号为201310042858.X 的中国专利申请公开了一种同步脱氮除磷的曝气生物滤池填料制备方法及其应用，其制备方法是把粉煤灰加气混凝土砌块或者砌块生产厂的残次品用破碎机破碎成颗粒，通过筛分获得不同粒径范围颗粒材料，作为曝气生物滤池填料。粉煤灰加气混凝土具有密度小、空隙率高、比表面积大等特点，用于曝气生物滤池填料具有吸附水中磷酸盐容量大和负载微生物量高的特点，具有同步脱氮除磷的功能。
申请号为201810012569.8的中国专利申请公开了一种工厂化循环水养殖生物低表面能材料滤料快速挂膜方法，属于水产养殖领域。该方法通过混合营养液的配制、生物滤料表面喷涂固化处理、生物滤料的孵育挂膜等步骤有效促进生物滤料表面生物膜的形成。该方法针对低表面能材料滤料如塑料环、塑料球、聚乙烯纤维丝毛刷等使用，可以有效促进生物滤料表面生物膜的形成，可实现生产条件下的快速挂膜，将生物膜成熟时间由自然挂膜的40～50天缩短至15～20天，加快生物滤池的启动。
申请号为201810012577.2 的中国专利申请公开了一种工厂化循环水养殖生物高表面能材料滤料快速挂膜方法，属于水产养殖领域。本发明针对高表面能材料滤料，使用混合营养液对滤料采用浸泡或表面喷涂工艺，同时结合孵育挂膜水体中多种有益菌的添加，促进生物滤料表面生物膜的形成，实现生产条件下的快速挂膜，将生物膜成熟时间由自然挂膜的40～50天缩短至15～20天，加快生物滤池的启动。
申请号为2017108011510 的专利申请公开了一种复合滤料生物硝化滤池及处理水中氨氮的方法，一种复合滤料生物硝化滤池，包括滤池外壳，所述的滤池外壳内置有滤料，所述的滤料采用表面改性的聚苯乙烯滤料和牡蛎壳滤料。表面改性的聚苯乙烯滤料，通过共价接枝明胶蛋白，使得材料表面粘附性强的蛋白分子含量增加，提高微生物在其表面的附着性，缩短挂膜时间。另外，选择表面粗糙且主要成分为CaCO3的废弃牡蛎壳作为生物滤池滤料，可不断地中和掉硝化反应中产生的酸度，达到以低廉的成本实现稳定系统酸碱度的效果，并为废弃牡蛎壳找到一条重复利用的新途径。本发明最终实现了硝化生物滤池中的快速挂膜和长期的稳定运行。
发明内容
针对目前生物膜载体材料挂膜效率低、稳定性不好等缺点，本发明的第一个目的是提出一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法。
为达到上述第一个目的，本发明的所述一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法包括如下步骤：
(a).将十二烷基硫酸钠、柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将聚乳酸粉末加入到聚多巴胺溶液中混合并超声处理，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭混合均匀，再超声处理；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，烘干后送入熔喷非织造设备中，在200℃～220℃条件下熔喷纺丝，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
本发明所述的十二烷基硫酸钠、柠檬酸钠共同对活性炭粉末进行改性，经实验十二烷基硫酸钠、柠檬酸钠的质量比为1～6：11～18时对活性炭改性后最终的到的产品质量好，微生物挂膜快，产品的比表面积大。因此优选的，(a)步骤所述十二烷基硫酸钠、柠檬酸钠的质量比为1～6：11～18。
十二烷基硫酸钠和柠檬酸钠混合物的量过少，起不到改性活性炭粉末的作用，十二烷基硫酸钠和柠檬酸钠混合物的量过多，得到的材料的强度差，产品质量差，因此优选的，(b)步骤所述活性炭粉末与十二烷基硫酸钠的质量比为150～290：1～6。
优选的，(c)步骤所述聚乳酸粉末和聚多巴胺的质量比为35～85：3～11。
优选的，(c)步骤所述超声处理的时间为30min以上，更优选为60min～150min。
超声处理的时间过短，对聚乳酸粉末的改性作用弱，得到的产品性能差，使用寿命段，超声处理的时间过长，生产效率低。超声处理的时间为30min以上对聚乳酸粉末的改性作用较好，超声处理的时间为60min～150min对聚乳酸粉末的改性作用充分，且生产效率较高。
优选的，(d)步骤所述聚乙烯醇与聚多巴胺的质量比为20～35：3～11，所述改性活性炭与聚乙烯醇的质量比为20～35：300～597。
聚乙烯醇与聚多巴胺共同对聚乳酸粉末进行改性，聚乙烯醇与聚多巴胺的比例对产品的性能也有一定的影响，经过实验聚乙烯醇与聚多巴胺的质量比为20～35：3～11产品的性能好，强度好，使用寿命长，微生物挂膜快，因此优选的，(d)步骤所述聚乙烯醇与聚多巴胺的质量比为20～35：3～11。
优选的，(d)步骤所述超声处理的时间为50min以上，更优选为90min～260min。
超声处理的时间过短，改性后的聚乳酸粉末和改性后的活性炭粉末混合不均匀，得到的产品性能差，不均匀，使用寿命短，超声处理的时间过长，生产效率低。超声处理的时间为50min以上改性后的聚乳酸粉末和改性后的活性炭粉末混合均匀，得到的产品性能好，均匀，使用寿命长，超声处理的时间为90min～260min对改性后的聚乳酸粉末和改性后的活性炭粉末充分混合均匀，且生产效率较高。
优选的，(e)步骤所述烘干的温度为40～55摄氏度的低温。
优选的，(e)步骤所述熔喷纺丝的温度为210℃～220℃，所述复合纤维丝的直径为0.2mm以下。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种污水处理用生物膜复合载体材料。
为达到上述第二个目的，本发明的所述一种污水处理用生物膜复合载体材料采用如上的制备方法制备得到。
有益效果：本发明将十二烷基硫酸钠、柠檬酸钠加水溶解，活性炭粉末投入溶液中经浸泡改性处理后，干燥备用；聚乳酸粉末加入到聚多巴胺溶液中，经超声处理后，加入聚乙烯醇和上述改性活性炭混合均匀，超声处理，反应结束后取出物料，烘干后送入熔喷非织造设备中，在200 ℃~220 ℃条件下熔喷纺丝，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束，具有如下显著优势：
（1）.本发明分别对活性炭和聚乳酸粉末进行改性处理，有利于表面活性基团的引入和材料孔隙结构的改善。
（2）.本发明的两种原料融合综合了活性炭与聚乳酸粉末各自的优势，拓宽了材料的应用范围。
（3）.本发明制备得到的复合载体材料具有比表面积大，机械强度高，不易老化，微生物挂膜快，环保高效等优点，有利于进一步提升水质净化效果。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
(a).分别取60g十二烷基硫酸钠、150g柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将2400g活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将350g聚乳酸粉末加入到110g聚多巴胺溶液中混合并超声处理60min，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入100g聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭2000g混合均匀，再超声处理90min；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，55摄氏度烘干后送入熔喷非织造设备中，在210℃条件下熔喷纺丝，纺丝直径为0.1mm，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
实施例2
(a).分别取50g十二烷基硫酸钠、110g柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将2300g活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将350g聚乳酸粉末加入到100g聚多巴胺溶液中混合并超声处理60min，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入100g聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭2000g混合均匀，再超声处理90min；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，55摄氏度烘干后送入熔喷非织造设备中，在210℃条件下熔喷纺丝，纺丝直径为0.1mm，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
实施例3
(a).分别取40g十二烷基硫酸钠、110g柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将2200g活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将350g聚乳酸粉末加入到90g聚多巴胺溶液中混合并超声处理60min，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入100g聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭2000g混合均匀，再超声处理90min；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，55摄氏度烘干后送入熔喷非织造设备中，在210℃条件下熔喷纺丝，纺丝直径为0.1mm，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
实施例4
(a).分别取30g十二烷基硫酸钠、120g柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将2100g活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将350g聚乳酸粉末加入到80g聚多巴胺溶液中混合并超声处理60min，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入100g聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭2000g混合均匀，再超声处理90min；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，55摄氏度烘干后送入熔喷非织造设备中，在210℃条件下熔喷纺丝，纺丝直径为0.1mm，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
实施例5
(a).分别取20g十二烷基硫酸钠、130g柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将2000g活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将350g聚乳酸粉末加入到70g聚多巴胺溶液中混合并超声处理60min，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入100g聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭2000g混合均匀，再超声处理90min；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，55摄氏度烘干后送入熔喷非织造设备中，在210℃条件下熔喷纺丝，纺丝直径为0.1mm，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
实施例6
(a).分别取20g十二烷基硫酸钠、170g柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将1900g活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将400g聚乳酸粉末加入到70g聚多巴胺溶液中混合并超声处理60min，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入100g聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭1500g混合均匀，再超声处理100min；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，55摄氏度烘干后送入熔喷非织造设备中，在210℃条件下熔喷纺丝，纺丝直径为0.1mm，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
实施例7
(a).分别取20g十二烷基硫酸钠、150g柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将1800g活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将400g聚乳酸粉末加入到70g聚多巴胺溶液中混合并超声处理60min，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入100g聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭1500g混合均匀，再超声处理100min；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，55摄氏度烘干后送入熔喷非织造设备中，在210℃条件下熔喷纺丝，纺丝直径为0.1mm，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
对比例1
(a).分别取20g十二烷基硫酸钠、150g柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将1800g活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将400g聚乳酸粉末加入到水中混合并超声处理60min，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入100g聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭1500g混合均匀，再超声处理100min；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，55摄氏度烘干后送入熔喷非织造设备中，在210℃条件下熔喷纺丝，纺丝直径为0.1mm，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
对比例1未采用聚多巴胺液改性。
对比例2
(a).分别取20g十二烷基硫酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将1800g活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将400g聚乳酸粉末加入到70g聚多巴胺溶液中混合并超声处理60min，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入100g聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭1500g混合均匀，再超声处理100min；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，55摄氏度烘干后送入熔喷非织造设备中，在210℃条件下熔喷纺丝，纺丝直径为0.1mm，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
对比例2未采用柠檬酸钠处理。
将实施例1-7、对比例1-2得到的生物膜复合载体材料以纤维束缠绕在塑料板，在对某硬质合金淬火排出的高氮污水进行处理，连续使用10天，观测生物膜挂膜厚度，并测试氨氮除去率。如表1所示。
表1：
编号 生物膜厚度（mm） 氨氮去除率（％）
实施例1 6.8 96
实施例2 5.6 97
实施例3 6.2 95
实施例4 6.3 97
实施例5 5.8 96
实施例6 6.0 94
实施例7 6.2 95
对比例1 3.2 89
对比例2 3.0 86

Claims (10)

1.一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
(a).将十二烷基硫酸钠、柠檬酸钠溶解于水，得到混合溶液1；
(b).将活性炭粉末投入(a)步骤制备得到的混合溶液1中经浸泡改性处理后，干燥即得改性活性炭；
(c).将聚乳酸粉末加入到聚多巴胺溶液中混合并超声处理，得到混合溶液2；
(d).将(c)步骤超声处理后的混合溶液2加入聚乙烯醇和(b)步骤制备得到的改性活性炭混合均匀，再超声处理；
(e).将(d)步骤超声处理反应结束后物料取出，烘干后送入熔喷非织造设备中，在200℃～220℃条件下熔喷纺丝，所得复合纤维丝固化成形后编制成纤维束即得污水处理用生物膜复合载体材料。
2.根据权利要求1所述的一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法，其特征在于，(a)步骤所述十二烷基硫酸钠、柠檬酸钠的质量比为1～6：11～18。
3.根据权利要求1所述的一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法，其特征在于，(b)步骤所述活性炭粉末与十二烷基硫酸钠的质量比为150～290：1～6。
4.根据权利要求1所述的一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法，其特征在于，(c)步骤所述聚乳酸粉末和聚多巴胺的质量比为35～85：3～11。
5.根据权利要求1所述的一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法，其特征在于，(c)步骤所述超声处理的时间为30min以上。
6.根据权利要求1所述的一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法，其特征在于，(d)步骤所述聚乙烯醇与聚多巴胺的质量比为20～35：3～11，所述改性活性炭与聚乙烯醇的质量比为20～35：300～597。
7.根据权利要求1所述的一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法，其特征在于，(d)步骤所述超声处理的时间为50min以上。
8.根据权利要求1所述的一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法，其特征在于，(e)步骤所述烘干的温度为40～55摄氏度的低温。
9.根据权利要求1所述的一种污水处理用生物膜复合载体材料的制备方法，其特征在于，(e)步骤所述熔喷纺丝的温度为210℃～220℃，所述复合纤维丝的直径为0.2mm以下。
10.一种污水处理用生物膜复合载体材料，其特征在于，所述一种污水处理用生物膜复合载体材料采用权利要求1～9任一项所述的方法制备得到。
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