CN109261086B - 一种活性微囊及其制备方法和应用 - Google Patents

一种活性微囊及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种活性微囊及其制备方法和应用。这种活性微囊是由内核和包覆在内核外的包膜组成;其中,包膜由可生物降解的聚合物组成;内核由微生物、活性污泥、果核粉、淀粉、碳酸钙中的至少一种组成。这种活性微囊的制备方法,包括以下步骤:1)制备包膜液;2)制备内核;3)制备活性微囊。同时也公开了这种活性微囊的应用。本发明以聚乳酸为包膜材料,聚乙二醇为增塑增韧剂及致孔剂制备反硝化活性微囊,该材料既可以防止微生物流失,也可使反应产物和底物自由出入,此外还具有易固液分离等特点,在微生物固定化包埋以及污水处理领域具有独特的优势。

Description

一种活性微囊及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种活性微囊及其制备方法和应用。
背景技术
在农业中大量使用化肥造成地表水和地下水的广泛污染是目前关注的问题。近年来,一些涂层材料被用来固定微生物以进行污水处理。目前微生物固定化包埋材料主要有天然高分子多糖类,如海藻酸盐、琼脂、明胶等和高分子化合物,如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乳酸等。其中聚乳酸在20世纪70年代就获得美国食品和药物管理局(FDA)批准,并被广泛应用于农业、工业和医疗行业。
聚乳酸(PLA)也称聚丙交酯,是以玉米、小麦、木薯等淀粉为最初原料,经过酶分解得到葡萄糖,再经过乳酸菌发酵后变成乳酸,最后经过化学合成得到的生物降解热塑性聚酯。聚乳酸具有良好的力学性能(高强度、高模量)、较好可加工性能(易于加热成形、挤出成形、吹塑和注塑成形)、优良的生物相容性和生物降解性能以及较好的化学惰性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种活性微囊及其制备方法和应用。具体而言,本发明的目的之一在于提供一种活性微囊,该材料具有良好的水处理性能和生物降解性;本发明的目的之二在于提供这种活性微囊的制备方法,该制备方法操作简单,容易实现,适用于工业化大规模生产;本发明的目的之三在于提供这种活性微囊在微生物固定化包埋以及污水处理领域的应用。
本发明所采取的技术方案是:
一种活性微囊,是由内核和包覆在内核外的包膜组成;其中,包膜由可生物降解的聚合物组成;内核由微生物、活性污泥、果核粉、淀粉、碳酸钙中的至少一种组成。
这种活性微囊内核的粒径为3mm~8mm;包膜的厚度为0.1mm~1.6mm。
进一步的,这种活性微囊中,包膜由可生物降解的脂肪族聚酯材料组成。
再进一步的,这种活性微囊中,包膜由聚乳酸材料组成。
优选的,这种活性微囊中,包膜由聚乳酸包膜液形成,聚乳酸包膜液按质量百分比计的原料组成为:聚乳酸3%~9%、聚乙二醇10%~50%、余量为有机溶剂。
优选的,这种活性微囊中,内核是由活性污泥、荔枝核粉、淀粉、纳米碳酸钙按质量比为(9~11):(5~6):(1.5~2.5):1组成。
这种活性微囊的制备方法,包括以下步骤:
1)制备包膜液
S1:将聚乳酸原料干燥;
S2:称取聚乳酸和聚乙二醇,置于有机溶剂中,搅拌溶解;
S3:静置脱泡,得到包膜液;
2)制备内核
S1:称取活性污泥、荔枝核粉、淀粉和纳米碳酸钙,混合搅拌,得到混合料;
S2:将混合料挤出,成型,得到活性微囊内核;
3)制备活性微囊
S1:将活性微囊内核浸渍于包膜液中;或者用包膜机在活性微囊内核上覆膜;
S2:将包膜固化成型,得到前述的活性微囊。
这种活性微囊在微生物固定化包埋和/或污水处理中的应用。
一种水产养殖废水的处理方法,是将前述的活性微囊与水产养殖废水混合处理。
处理方法中,活性微囊与水产养殖废水的固液比为(10~50)g:1L。
本发明的有益效果是:
本发明以聚乳酸为包膜材料,聚乙二醇为增塑增韧剂及致孔剂制备反硝化活性微囊,该材料既可以防止微生物流失,也可使反应产物和底物自由出入,此外还具有易固液分离等特点,在微生物固定化包埋以及污水处理领域具有独特的优势。
具体而言:
1)本发明提供了一种较适聚乳酸包膜液配方,该配方条件下制得的包埋膜壳具有高效的离子透过性,且具有良好的生物降解性;
2)本发明制备的活性微囊具有良好的脱氮性能和生物降解性,启动时间短,脱氮效率高,可用于池塘、高位池和循环水养殖废水处理,具有良好的水处理性能,活化所需时间短,适用范围广,出水水质好,且能有效改善日益严重的能源危机和白色污染;
3)本发明具有生产工艺简单,成本低,易工业化的特点。
附图说明
图1是应用例1不同固液比条件下水体中NO3 --N浓度变化曲线图;
图2是应用例1不同固液比条件下水体中NO2 --N浓度变化曲线图;
图3是应用例1不同固液比条件下水体中COD浓度变化曲线图;
图4是应用例2高浓度NO2 --N水体中NO2 --N浓度变化曲线图;
图5是应用例2高浓度NO2 --N水体中COD浓度变化曲线图;
图6是应用例3不同底物浓度条件下水体中NO3 --N浓度变化曲线图;
图7是应用例3不同底物浓度条件下水体中NO2 --N浓度变化曲线图;
图8是应用例3不同底物浓度条件下水体中COD浓度变化曲线图。
具体实施方式
一种活性微囊,是由内核和包覆在内核外的包膜组成;其中,包膜由可生物降解的聚合物组成;内核由微生物、活性污泥、果核粉、淀粉、碳酸钙中的至少一种组成。
优选的,这种活性微囊内核的粒径为3mm~8mm;包膜的厚度为0.1mm~1.6mm;进一步优选的,这种活性微囊内核的粒径为5mm~6mm;包膜的厚度为0.2mm~0.8mm。
进一步的,这种活性微囊中,包膜由可生物降解的脂肪族聚酯材料组成;再进一步的,这种脂肪族聚酯材料为热塑性材料。
再进一步的,这种活性微囊中,包膜由聚乳酸材料组成。
进一步的,这种活性微囊的内核中,微生物包括好氧微生物和/或活性细菌;果核粉为荔枝核粉;碳酸钙为纳米碳酸钙。
优选的,这种活性微囊中,包膜由聚乳酸、聚乙二醇和有机溶剂组成;内核由活性污泥、荔枝核粉、淀粉和纳米碳酸钙组成。
以下对本发明活性微囊内核的成分作进一步的说明:活性污泥是微生物群体及他们所依附的有机物质和无机物质的总称,可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥,主要用来对污水及废水进行处理;荔枝核是一种生物质加工副产物,其中含有大量淀粉,与其他生物质材料相比更易于被微生物利用,并且反硝化脱氮效率优异,是一种廉价且来源广泛的生物质碳源;淀粉与纳米碳酸钙的加入有利于微囊内核的成型,增强内核的机械性能;此外淀粉与纳米碳酸钙还可提供碳源以及为养殖生物提供生长所需的钙元素。
优选的,这种活性微囊中,包膜由聚乳酸包膜液形成,聚乳酸包膜液按质量百分比计的原料组成为:聚乳酸3%~9%、聚乙二醇10%~50%、余量为有机溶剂;进一步优选的,聚乳酸包膜液是由以下质量百分比的原料组成:聚乳酸5%~9%、聚乙二醇50%、余量为有机溶剂;再进一步优选的,聚乳酸包膜液是由以下质量百分比的原料组成:聚乳酸5%、聚乙二醇50%、余量为有机溶剂。
优选的,聚乳酸包膜液中,聚乳酸为Nature works公司的4032D型聚乳酸。
优选的,聚乳酸包膜液中,聚乙二醇的平均分子量为300~500;进一步优选的,聚乳酸包膜液中,聚乙二醇的平均分子量为400。
优选的,聚乳酸包膜液中,有机溶剂为苯类溶剂、酚类溶剂、卤代烷溶剂、烷烃溶剂中的至少一种;进一步优选的,聚乳酸包膜液中,有机溶剂为卤代烷溶剂;再进一步优选的,聚乳酸包膜液中,有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷中的至少一种;更进一步优选的,有机溶剂为三氯甲烷。
优选的,这种活性微囊中,内核是由活性污泥、荔枝核粉、淀粉、纳米碳酸钙按质量比为(9~11):(5~6):(1.5~2.5):1组成;进一步优选的,这种活性微囊中,内核是由活性污泥、荔枝核粉、淀粉、纳米碳酸钙按质量比为10:5.5:2:1组成。
优选的,这种活性微囊的内核中,活性污泥的含水率为70%~80%;进一步优选的,这种活性微囊的内核中,活性污泥的含水率74%~75%。
优选的,这种活性微囊的内核中,活性污泥为厌氧活性污泥。
这种活性微囊的制备方法,包括以下步骤:
1)制备包膜液
S1:将聚乳酸原料干燥;
S2:称取聚乳酸和聚乙二醇,置于有机溶剂中,搅拌溶解;
S3:静置脱泡,得到包膜液;
2)制备内核
S1:称取活性污泥、荔枝核粉、淀粉和纳米碳酸钙,混合搅拌,得到混合料;
S2:将混合料挤出,成型,得到活性微囊内核;
3)制备活性微囊
S1:将活性微囊内核浸渍于包膜液中;或者用包膜机在活性微囊内核上覆膜;
S2:将包膜固化成型,得到前述的活性微囊。
优选的,制备包膜液步骤的S1中,干燥为在70℃~90℃下干燥2h~4h;进一步优选的,制备包膜液的S1中,干燥为在80℃下干燥3h。
优选的,制备包膜液步骤的S3中,静置脱泡具体为在室温下静置脱泡0.5h~3h;进一步优选的,制备包膜液的S3中,静置脱泡具体为在室温下静置脱泡1h。
优选的,制备活性微囊步骤的S1中,浸渍于包膜液中的时间为0.5min~2min;进一步优选的,浸渍于包膜液中的时间为1min。
优选的,制备活性微囊步骤的S2中,将包膜固化的方法为挥发,具体为自然挥发去除有机溶剂;进一步优选的,自然挥发的时间为20min~60min;再进一步优选的,自然挥发的时间为30min。
进一步的,这种活性微囊的密度为1.6g/cm3~1.7g/cm3
进一步的,这种活性微囊的含水率为45%~46%。
这种活性微囊在微生物固定化包埋和/或污水处理中的应用。
一种水产养殖废水的处理方法,是将前述的活性微囊与水产养殖废水混合处理。
优选的,处理方法中,活性微囊与水产养殖废水的固液比为(10~50)g:1L。
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料如无特殊说明,均可从常规商业途径得到。
制备例:
本例活性微囊的制备方法,包括以下步骤:
1)制备包膜液
S1:将聚乳酸原料于真空干燥箱80℃干燥3h;
S2:称取聚乳酸和聚乙二醇,置于三氯甲烷中,搅拌各原料,至聚乳酸完全溶解;
S3:室温静置脱泡1h,得到包膜液;
包膜液的组成为:聚乳酸5%;聚乙二醇50wt%;余量为三氯甲烷;其中,聚乳酸为4032D型聚乳酸,聚乙二醇的平均分子量为400。
2)制备内核
S1:称取活性污泥、荔枝核粉、淀粉和纳米碳酸钙,混合搅拌,得到混合料;
S2:将混合料挤出,成型,得到活性微囊内核;
活性污泥、荔枝核粉、淀粉和纳米碳酸钙的质量比为10:5.5:2:1,活性污泥含水率为74.7%。
3)制备活性微囊
S1:将活性微囊内核浸渍于包膜液中1min;
S2:取出浸渍后的内核,去除多余溶液,自然挥发30min去除三氯甲烷,形成包膜均匀的活性微囊。
经检测,制备例中所得到的活性微囊粒径为5mm~6mm,其中包膜厚度为0.5mm;密度为1.68g/cm3;含水率为45.86%。将制备所得的活性微囊进行如下的污水处理应用试验。
应用例1:
配制模拟水产养殖废水,废水含氮源(硝酸钠,50mg/L)、磷源(磷酸二氢钾,10g/L),无碳源。分别将2g、4g、6g、8g,10g活性微囊加入到装有200mL的模拟废水的250mL锥形瓶中(固液比分别为10:1、20:1、30:1、40:1、50:1),放置在25℃、140rpm的摇床中,每24h换水、取水样,测定水体中COD,NO3 --N,NO2 --N,计算不同时期NO3 --N的去除率。
不同固液比条件下活性微囊反硝化性能处理结果可见附图1(NO3 --N浓度变化)、附图2(NO2 --N浓度变化)和附图3(COD浓度变化)。结果显示:微囊对NO3 --N的去除率可高达80%。出水NO2 --N、COD整体处于较低浓度。可见,活性微囊具有良好的反硝化脱氮性能与持续、稳定供碳能力。
应用例2:
配制模拟水产养殖废水,废水含氮源(亚硝酸钠,20mg/L)、磷源(磷酸二氢钾4mg/L),无碳源。取6g活性微囊加入到装有200mL的模拟废水的250mL锥形瓶中(固液比30:1),放置在25℃、140rpm的摇床中,每24h换水、取水样,测定水体中COD,NO2 --N,计算不同时期NO2 --N的去除率。
不同固液比条件下活性微囊反硝化性能处理结果可见附图4(NO2 --N浓度变化)、附图5(COD浓度变化)。结果显示:活性微囊对高浓度NO2 --N具有良好的反硝化效果。于6天达到80%的NO2 --N去除率。COD在第5天达到最大值336.17±2.5mg/L,之后维持在较低水平。应用例3:
配制模拟水产养殖废水,废水含氮源(硝酸钠,浓度分别为20、30、40mg/L)、磷源(磷酸二氢钾,4、6、8mg/L),无碳源。取6g活性微囊加入到装有200mL的模拟废水的250ml锥形瓶中(固液比30:1),放置在25℃、140rpm的摇床中,每24h换水、取水样,测定水体中COD,NO3 --N,NO2 --N,计算不同时期NO3 --N的去除率。
不同底物浓度条件下活性微囊反硝化性能处理结果可见附图6(NO3 --N浓度变化)、附图7(NO2 --N浓度变化)和附图8(COD浓度变化)。结果显示:活性微囊对不同浓度的NO3 --N均有良好的反硝化效果。各浓度实验组均在5天之后维持80%以上的去除率。反硝化过程中NO2 --N最大积累量分别为1.19±0.07、0.42±0.04、0.66±0.02mg/L,5日微囊达到最高COD释放量:384.5±5;407.83±5;387.83±5mg/L。出水水质较好。

Claims (6)

1.一种活性微囊,是由内核和包覆在内核外的包膜组成,其特征在于:
所述包膜由聚乳酸包膜液形成,聚乳酸包膜液按质量百分比计的原料组成为:聚乳酸3%~9%、聚乙二醇10%~50%、余量为有机溶剂;
所述内核是由活性污泥、荔枝核粉、淀粉、纳米碳酸钙按质量比为(9~11):(5~6):(1.5~2.5):1组成;
所述活性微囊是由包括以下步骤的制备方法制得:
1)制备包膜液
S1:将聚乳酸原料干燥;
S2:称取聚乳酸和聚乙二醇,置于有机溶剂中,搅拌溶解;
S3:静置脱泡,得到包膜液;
2)制备内核
S1:称取活性污泥、荔枝核粉、淀粉和纳米碳酸钙,混合搅拌,得到混合料;
S2:将混合料挤出,成型,得到活性微囊内核;
3)制备活性微囊
S1:将活性微囊内核浸渍于包膜液中;或者用包膜机在活性微囊内核上覆膜;
S2:将包膜固化成型。
2.根据权利要求1所述的一种活性微囊,其特征在于:活性微囊内核的粒径为3mm~8mm;包膜的厚度为0.1mm~1.6mm。
3.一种权利要求1~2任一项所述活性微囊的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)制备包膜液
S1:将聚乳酸原料干燥;
S2:称取聚乳酸和聚乙二醇,置于有机溶剂中,搅拌溶解;
S3:静置脱泡,得到包膜液;
2)制备内核
S1:称取活性污泥、荔枝核粉、淀粉和纳米碳酸钙,混合搅拌,得到混合料;
S2:将混合料挤出,成型,得到活性微囊内核;
3)制备活性微囊
S1:将活性微囊内核浸渍于包膜液中;或者用包膜机在活性微囊内核上覆膜;
S2:将包膜固化成型,得到所述的活性微囊。
4.权利要求1~2任一项所述的一种活性微囊在微生物固定化包埋和/或污水处理中的应用。
5.一种水产养殖废水的处理方法,其特征在于:是将权利要求1~2任一项所述的活性微囊与水产养殖废水混合处理。
6.根据权利要求5所述的一种水产养殖废水的处理方法,其特征在于:活性微囊与水产养殖废水的固液比为(10~50)g:1L。
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