CN109809556A

CN109809556A - 一种适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料及其制备方法和应用

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Publication number: CN109809556A
Application number: CN201910206466.XA
Authority: CN
Inventors: 刘自力; 刘奎良
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2019-05-28

Abstract

本发明属于生物填料领域，公开了一种适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料及其制备方法和应用。该蜂窝状生物填料的制备原料包括以下质量分数的组分：矿物材料7.1％～33％、微孔材料7％～28％、造孔剂2％～10％、无机胶凝材料30％～60％。造孔剂在制备过程中通过焙烧去除形成粗孔，微孔材料本身带来的微孔以及无机颗粒物堆积形成的细孔构成填料的微孔结构，丰富的多级孔道结构、充足的比表面积和为微生物提供微量矿物元素的孔壁构成了微生物繁殖与生长的合适栖息地，促进了微生物在填料上的挂膜，为微生物与废水之间的物质和能量的交换创造了条件，提高了生物填料的运行效率。

Description

一种适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物填料领域，特别涉及一种适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料及其制备方法和应用。

背景技术

通过微生物降解废水中有害物的生物膜方法是目前常用的废水处理方法。影响生物膜方法运行效率的因素很多，但其关键技术是生物填料的结构与性能。目前生物填料的种类繁多，如固定式填料、悬挂式填料、悬浮式填料和组合式填料等等，所用的材质也多种多样，如聚氯乙烯塑料、聚氨酯发泡材料、其它改性有机聚合物、金属构件和陶瓷构件等等。通常地说，生物填料的比表面积越大，越能有效地吸附水中难降解物质，提高难降解物质在填料表面的停留时间，填料的材质和表面结构直接影响微生物的附着、生长和代谢，从而影响处理废水的效果。生物填料的表面元素和孔结构会影响微生物的适应性，生物填料的生物适应性越好，形成的生物膜的面积越大，膜稳定性越好。事实上，附着在生物填料上的微生物在繁殖和成长过程中，需要的东西还是很多的，其中一些微量的金属元素直接影响微生物的发育。中国专利公开文本CN107162171A提出了一种复合型生物填料，并分析了各金属元素的作用，如钙是微生细胞的基本组成元素，参与细胞结构组成，并与细胞透性调节、能量转移等功能相关，是需求量较大的一种元素；铁是细胞色素亚铁原卟啉和含铁氧化还原素，是电子传递的基础，是叶绿素形成的必要条件；镁是叶绿素或细菌叶绿素的组成元素，在光能转换中发挥重要的作用，镁还是微生物中的酶的活性成分，并在核糖体、细胞膜的稳定上起有重要的作用，是不可缺少的元素；铜是金属活化剂，是多酚氧化酶、乳糖酶和抗坏血酸氧化酶的重要组成元素；镍是脲酶、氢化酶的组成元素等等，所以为微生物提供正常的碳水化合物时，微量的金属元素也是很重要的，合理结构的生物填料可以为微生物提供所需的微量金属元素，有助于微生物的生长发育。中国专利公开文本CN 108191041 A公开了一种富镁生物填料，通过添加镁材料，提高填料的镁元素含量，促进微生物活性，达到提高处理废水的能力，但该方法单调，因为通过生化方法处理废水，完全取决于微生物的活力，作为具有生命特征的微生物，其所需的微量元素不只是镁元素，还有其它的矿物元素。同时该专利公开文本对填料的成型没有新办法，尤其对孔结构没有进一步说明，而填料是微生物居住的小环境，合适的多级孔结构不仅有利于微生物不被流水冲走，而且还要有利于微生物与环境之间的物质与能量的交换。中国专利公开文本CN107162171A采用聚丙烯与金属盐混合制备生物填料，但金属盐在水中的溶解，会导致金属元素很快流失，难以长久保留在填料上，还可能导致二次污染。

常用的生物填料是聚氯乙烯塑料制成，由于聚氯乙烯塑料的亲水性和生物亲和性较差，导致其在挂膜速度、挂膜量及生物膜与填料的紧密程度等各方面都存在严重的不足，同时由于聚氯乙烯塑料的冲击强度较低，热稳定性较差，导致这类生物填料容易老化，使用寿命较短。在废水处理过程中，由于废水的流动性，附着力不足的生物填料上的微生物容易流失，生物膜容易脱落。

生物填料是为细菌提供合适的栖息地，合适的结构设计和适当材质的生物填料不仅可促进细菌的生长与繁殖，还可以免除细菌的流失，降低废水的处理成本。细菌的栖息地不仅和合适的孔道有关，而且还与孔壁的材质息息相关。合适孔道不仅可阻挡流水的冲击，又能进行物质交换。合适的孔道壁材不仅为细菌的生长提供矿物微量元素，而且还能提供晶格静电场所产生的能量。中国专利公开文本CN103203179A提出的采用多微孔负离子远红外电场生物亲和填料的制备方法中，采用以高分子聚合物颗粒为基材，加入电气石和麦饭石等矿物材料，生物填料的表面特性有所改善。中国公开文本CN107139497A采用热塑性树脂混合磁性材料制成具有磁性的生物填料，通过磁场来促进微生物的繁殖，但这些努力仍以高分子聚合物为基材，没有从根本上改变高分子聚合物生物填料的挂膜速度低、挂膜量不足及生物膜与填料的紧密程度差等弊端。在构建多孔填料的研究中，中国公开文本CN105036302 A采用玻璃粉和其它物料，在高温下发泡，制得类似泡沫玻璃的填料，该方法必须在1000℃的高温下制得，高能耗导致高成本，难以推广应用，并且在高温下发泡，高粘度的玻璃流体，易形成闭孔结构，导致在应用时，无法充分利用填料的内部孔道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料，其具有蜂窝状的多级孔结构，孔壁能为孔内微生物提供多种微量矿物元素。

本发明另一目的在于提供上述适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料在废水处理和水质净化中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料，其制备原料包括以下质量分数的组分：

所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料具有蜂窝状的多级孔结构，造孔剂在制备过程中通过焙烧去除形成粗孔，微孔材料堆积形成微孔和介孔；所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料的孔壁含有微量矿物元素；

所述的矿物材料是指微生物生长所需要基本元素组成的化合物中的至少一种，优选为碳酸钙、氧化铁、电气石、麦饭石、氧化镁、氧化铁、氧化镍、氧化铜中的至少一种。

所述的造孔剂为聚苯乙烯泡沫颗粒、聚丙烯泡沫颗粒、聚氨酯泡沫颗粒中的至少一种，优选为聚苯乙烯泡沫颗粒；

所述的造孔剂的粒径为0.01～5mm；

所述的无机凝胶材料为硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥中的至少一种，优选为硅酸盐水泥；

所述的微孔材料可为二氧化硅气凝胶、膨胀珍珠岩粉、分子筛、膨胀蛭石、硅藻土、海泡石中的至少一种，优选为二氧化硅气凝胶；其中分子筛为Y型分子筛、ZSM-5分子筛、13X分子筛或MCM-22分子筛，优选为Y型分子筛；

优选的，一种上述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料，其制备原料包括以下质量分数的组分：

一种上述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料的制备方法，包括以下步骤：

将矿物材料、造孔剂、无机凝胶材料以及微孔材料混合，向其中加水使物料的绝对含水率为30～40％，然后通过滚动造粒，再固化成型，最后经养护、烘干、焙烧，制成产品。

所述的矿物材料在混合之前需经过粉碎过筛，取100～150目的粉料与其它原料混合，进行造粒，制成初胚；

所述的养护是指在湿度为70～90％，温度为10～40℃的环境中自然养护3～7天；

所述的烘干是指在100～110℃烘1～3h；

所述的焙烧是指以5～10℃/min升温至200～300℃，然后保温焙烧0.5～2h；焙烧可除去其中的造孔剂；

上述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料在废水处理和水质净化中的应用。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

1、本发明的生物填料具有蜂窝状结构特征，拥有丰富的多级孔道结构和充足的比表面积，为微生物的繁殖与生长提供了合适的栖息地，促进了微生物在填料上的挂膜，为微生物与废水之间的物质和能量的交换创造了条件，提高了生物填料的运行效率。

2、本发明采用复合金属氧化物作为微量金属元素的供体，为微生物的生长提供必须的多种微量元素，但又避免了直接采用金属盐为材质，而导致在实际应用过程中的盐溶解流失，防止了金属盐溶解导致对水体的二次污染。

3、本发明采用的造孔剂为高分子聚合物发泡颗粒，其孔道可根据造孔剂颗粒的大小而任意调变。且泡沫颗粒物易燃，降低了去除填充物的燃烧温度，从而降低了蜂窝填料的制造成本。

4、本发明的蜂窝填料采用了具有红外发射功能的矿物材料，其有助于激活微生物生长。

附图说明

图1为本发明所制备的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料的结构示意图；

图2为实施例1～5制备的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料的宏观图；

图3为本发明实施例3制备的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料与现有的粘土陶粒填料、氧化铝填料、泡沫玻璃填料、火山石填料的宏观对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。

实施例1

矿物材料粉碎至100～150目后，按配方准确称取，然后混和，制成初胚，初胚干燥后，焙烧得成品。具本配制过程如下：准确称取二氧化硅气凝胶12.5克；Y型分子筛10克；膨胀珍珠岩25克；膨胀蛭石5克；硅藻土25克；轻质碳酸钙45克；电气石5克；麦饭石5克；氧化镁2.5克；氧化铁5克；氧化镍2.5克；氧化铜0.5克；聚苯乙烯泡沫颗粒25克；硅酸盐水泥150克，混和均匀后，再加入96克水，充分混和，然后在圆盘造粒机上造粒，制成粒子初胚。初胚在湿度为70％-90％的，温度为25℃环境中，自然养护6日，在105℃烘2h，再在220℃下焙烧2小时，冷却后，便得到蜂窝状填料，命名为第1号样品，其粒径为：3～8mm，孔隙率为：55.8％，堆积密度为：0.592kg/m³,抗压强度为：8.67MPa,比表面积：62.5m²/g。

实施例2

矿物材料粉碎至100～150目后，按配方准确称取，然后混和，制成初胚，初胚干燥后，焙烧得成品。具本配制过程如下：准确称取二氧化硅气凝胶45克；ZSM-5型分子筛10克；膨胀珍珠岩5克；膨胀蛭石20克；硅藻土10克；轻质碳酸钙15克；电气石10克；麦饭石5克；氧化镁10克；氧化铁40克；氧化镍2.5克；氧化铜0.5克；聚氨酯泡沫颗粒50克，铝酸盐水泥300克，混和均匀后，再加入209克水，充分混和，然后在圆盘造粒机上造粒，制成粒子初胚。初胚在湿度为70％-90％的，温度为25℃环境中，自然养护4日，在100℃烘3h，再在230℃下焙烧1小时，冷却后，便得到蜂窝状填料，命名为第2号样品，其粒径为：4～9mm，孔隙率为：56.2％，堆积密度为：0.614kg/m³,抗压强度为：8.51MPa,比表面积：63.8m²/g。

实施例3

矿物材料粉碎至100～150目后，按配方准确称取，然后混和，制成初胚，初胚干燥后，焙烧得成品。具本配制过程如下：准确称取二氧化硅气凝胶30克；Y型分子筛10克；膨胀珍珠岩10克；膨胀蛭石5克；硅藻土15克；轻质碳酸钙20克；电气石25克；麦饭石25克；氧化镁5克；氧化铁10克；氧化镍5克；氧化铜3克；聚苯乙烯泡沫颗粒35克，标号42.5的硅酸盐水泥250克，混和均匀后，再加入156克水，充分混和，然后在圆盘造粒机上造粒，制成粒子初胚。初胚在湿度为70％-90％的，温度为25℃环境中，自然养护7日，在105℃烘2h，再在200℃下焙烧2小时，冷却后，便得到蜂窝状填料，命名为第3号样品，其粒径为：4～9mm，孔隙率为：63.2％，堆积密度为：0.541kg/m³,抗压强度为：8.54MPa,比表面积：63.4m²/g。

实施例4

矿物材料粉碎至100～150目后，按配方准确称取，然后混和，制成初胚，初胚干燥后，焙烧得成品。具本配制过程如下：准确称取二氧化硅气凝胶20克；13X型分子筛12克；膨胀珍珠岩10克；膨胀蛭石10克；硅藻土15克；轻质碳酸钙25克；电气石5克；麦饭石8克；氧化镁5克；氧化铁10克；氧化镍2.5克；氧化铜1克；聚苯乙烯泡沫颗粒30克，硫铝酸盐水泥180克，混和均匀后，再加入130克水，充分混和，然后在圆盘造粒机上造粒，制成粒子初胚。初胚在湿度为70％-90％的，温度为25℃环境中，自然养护3日，在105℃烘2h，再在300℃下焙烧0.5小时，冷却后，便得到蜂窝状填料，命名为第4号样品，其粒径为：3～7mm，孔隙率为：56.2％，堆积密度为：0.631kg/m³,抗压强度为：8.72MPa,比表面积：65.7m²/g。

实施例5

矿物材料粉碎至100～150目后，按配方准确称取，然后混和，制成初胚，初胚干燥后，焙烧得成品。具本配制过程如下：准确称取二氧化硅气凝胶20克；MCM-22型分子筛15克；膨胀珍珠岩15克；膨胀蛭石15克；硅藻土25克；轻质碳酸钙35克；电气石10克；麦饭石12克；氧化镁2.5克；氧化铁15克；氧化镍2.5克；氧化铜3克；聚丙烯泡沫颗粒40克，铁铝酸盐水泥300克，混和均匀后，再加入189克水，充分混和，然后在圆盘造粒机上造粒，制成粒子初胚。初胚在湿度为70％-90％的，温度为25℃环境中，自然养护3日，在110℃烘1h，再在200℃下焙烧2小时，冷却后，便得到蜂窝状填料，命名为第5号样品，其粒径为：3～7mm，孔隙率为：54.6％，堆积密度为：0.571kg/m³,抗压强度为：8.72MPa,比表面积：63.2m²/g。

本发明所制备的蜂窝状填料的结构示意图均如图1所示，从图1中可以看出，其含有焙烧去除有机填充物留下来的粗孔1，由气凝胶、分子筛和颗粒堆积带来的微孔和介孔2，同时其孔壁含有大量微生物生长所需的微量元素3，优化了生物膜生存的微环境。因此本发明的蜂窝状生物填料具有纳米级、微米级和毫米级的蜂窝状孔道结构，这不仅有利于生物膜挂膜，还有利于生物膜运行时与废水进行物质与能量交换。

实施例1～5制备的蜂窝状生物填料的宏观图如图2所示，从图2中可以看出，本发明制备的蜂窝状生物填料外观是蜂窝状的多级孔结构。

现有的工业填料中有许多类型，其中大部分是表面光滑的颗粒状填料，如硅藻土颗粒填料，这类填料的内部是有大量微孔结构，这种微孔在吸附气体时有其优势，但在生化处理废水时，因孔道太小，微生物进入微孔和在微孔内生存有难度。工业上广泛使用火山石之类的多孔材料为填料，也有用泡沫玻璃碎块为填料，这类材料拥有大量的粗孔和微孔，但表面形貌不是很规整，填装时，不规整的颗粒堆积易出现空洞，废水流动时，易出现沟流，不能很好的平铺其表面，并且泡沫玻璃之类高温烧结填料的孔道常为闭孔结构，其孔道难以充分利用。本发明实施例3制备的蜂窝状生物填料与现有的粘土陶粒填料、氧化铝填料、泡沫玻璃填料、火山石填料的宏观对比图如图3所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料，其特征在于制备原料包括以下质量分数的组分：

2.根据权利要求1所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料，其特征在于：

所述的矿物材料为碳酸钙、氧化铁、电气石、麦饭石、氧化镁、氧化铁、氧化镍、氧化铜中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料，其特征在于：

所述的造孔剂为聚苯乙烯泡沫颗粒、聚丙烯泡沫颗粒、聚氨酯泡沫颗粒中的至少一种；

所述的造孔剂的粒径为0.01～5mm。

4.根据权利要求1所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料，其特征在于：

所述的无机凝胶材料为硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料，其特征在于：

所述的微孔材料为二氧化硅气凝胶、膨胀珍珠岩粉、分子筛、膨胀蛭石、硅藻土、海泡石中的至少一种；其中的分子筛为Y型分子筛、ZSM-5分子筛、13X分子筛或MCM-22分子筛。

6.根据权利要求1所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料，其特征在于制备原料包括以下质量分数的组分：

7.一种根据权利要求1～6任一项所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

将矿物材料、造孔剂、无机凝胶材料以及微孔材料按原料配比混合，向其中加水使物料的含水率为30-40％，然后通过滚动造粒，再固化成型，最后经养护、烘干、焙烧，制成产品。

8.根据权利要求7所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料的制备方法，其特征在于：

所述的矿物材料在混合之前需经过粉碎过筛，取100～150目的粉料。

9.根据权利要求7所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料的制备方法，其特征在于：

所述的烘干是指在100～110℃烘1～3h；

所述的焙烧是指以5～10℃/min升温至200～300℃，然后保温焙烧0.5～2h；焙烧可除去其中的造孔剂。

10.根据权利要求1～6任一项所述的适用于微生物处理废水的蜂窝状生物填料在废水处理和水质净化中的应用。