CN110127860B

CN110127860B - 一种新型水处理用生物磁性悬浮填料的制备方法及设备

Info

Publication number: CN110127860B
Application number: CN201910501243.6A
Authority: CN
Inventors: 许柯; 朱远墨; 任洪强; 耿金菊
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2039-06-11
Also published as: JP6709455B1; JP2020199488A; CN110127860A

Abstract

本发明公开了一种新型水处理用生物磁性悬浮填料的制备方法，将磁粉进行碱改性后活化，然后将聚氨酯用有机硅乳化液共聚改性，加入分散润滑剂、交联剂和致孔剂高速捏合得到混合物料，将混合物料直接挤出成形切割，真空干燥除去致孔剂，使成型填料内部呈多孔状，得到悬浮填料，将悬浮物料充磁后负载表面增强成分得到生物磁性悬浮填料。

Description

一种新型水处理用生物磁性悬浮填料的制备方法及设备

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，具体是涉及一种新型水处理用生物磁性悬浮填料的制备方法及设备。

背景技术

生物填料是生物膜水处理技术的核心之一，悬浮填料的投加能丰富反应器内微生物种群的组成、提高气液固三相物系之间的传质效率、提升反应器的硝化性能以及降解部分难降解有机物的能力。但是，制造悬浮填料的材料性能局限制约了悬浮填料在不同废水处理工艺中的应用性能。对悬浮填料的改性，就是对制造悬浮填料的材料或悬浮填料表面进行必要的改性，使其能够更好地满足特定的需求。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种新型水处理用生物磁性悬浮填料的制备方法及设备。

本发明的技术方案是：一种新型水处理用生物磁性悬浮填料的制备方法，包括以下步骤：

S1：磁粉表面处理：用1-3mol/L的碱性过硫酸钾溶液浸泡磁粉，在浸泡过程中持续搅拌，浸泡3-5h后取出干燥，得到改性磁粉，将改性磁粉置于搅拌器中搅拌，将钛酸酯偶联剂用白矿油以1:1的质量比进行稀释，将稀释后的钛酸酯偶联剂雾化喷入搅拌器中，持续搅拌20-30min，得到活化磁粉；

S2：载体材料改性：将复合乳化剂与苯基三氯硅烷以质量比2-2.5:1的比例加入超声乳化装置中超声乳化1-2h，得到有机硅乳化液，然后将有机硅乳化液与聚氨酯以质量比1-3:1混合，搅拌升温至60-85℃时加入过硫酸铵共聚改性，得到改性聚氨酯；

S3：基体制备：将S2得到的改性聚氨酯、S1得到的活化磁粉与分散润滑剂、交联剂、致孔剂按照以下配比混合：改性聚氨酯80-90份、活化磁粉30-40份、分散润滑剂10-12份、交联剂5-8份、致孔剂18-20份，混合后送至高速捏和机中，80-90℃下高温捏合5-8h，得到混合物料；

S4：挤出切割：将S3得到的混合物料送至挤出切割一体机内，调节进料斗温度至170-190℃，混合物料软化后经模具挤出成型，挤出成型的物料通过真空定型套定型后切割，得到成型填料；

S5：真空干燥：将S4得到的成型填料置于真空干燥装置内，80-100℃真空干燥6-8h，除去成型填料内的致孔剂，使成型填料内部呈多孔状，冷却后得到悬浮填料；

S6：充磁：将S5得到的悬浮填料经充磁机充磁，得到磁性悬浮填料；

S7：表面增强：将S6得到的磁性悬浮填料通过表面负载装置，使磁性悬浮填料表面均匀负载生物增强成分，得到生物磁性悬浮填料。

根据本发明的一个方面，所述磁粉为汝铁硼粉末。

根据本发明的一个方面，所述复合乳化剂为司盘-80与十三烷基异构醇聚醚质量比2-3:1复配制得，复合乳化剂稳定更高且乳化效果更好。

根据本发明的一个方面，所述挤出切割一体机包括：

支架，设置在支架下部提供挤出动力的差速电机，差速电机的输出端连接有传动齿轮组，传动齿轮组输出端连接有挤出螺杆，

设置在挤出螺杆外侧的挤出料筒，挤出料筒上设有进料斗，挤出料筒内壁上等距内嵌有加热装置，

设置在挤出料筒出料端的模具，挤出螺杆将物料通过模具挤出成型，

套接在模具出料端的真空定型套，用于对挤出成型物料进行冷却定型，真空定型套一端外侧设有真空发生器，用于将真空定型套内部抽真空，

设置在真空定型套出料端的切割装置，切割装置包括呈十字形的切割刀片，为切割刀片提供旋转动力的切割电机。

本发明的挤出切割一体机可以去除生产过程中的造粒过程，可直接通过挤出螺杆将物料通过模具挤出成型，并且成型后的物料通过真空定型套冷却定型后直接进行切割，简化了加工工序，节约了生产成本。

根据本发明的一个方面，所述表面负载装置包括：

悬浮室，其一端设有进料端，一端设有出料端，进料端处设有控制磁性悬浮填料进入的阀门，悬浮室内顶部等距设有一排电磁铁，所述电磁铁均通过PLC控制器电性控制，PLC控制器通过设置在悬浮室内侧壁上的红外监测器监测磁性悬浮填料位置，并通过控制电磁铁的磁力大小使磁性悬浮填料悬浮在悬浮室中，

设置在悬浮室内底部的生物增强成分雾化装置，生物增强成分雾化装置内部设有雾化器，雾化器与生物增强成分存储腔连接，雾化器通过多个雾化喷嘴将雾化后的生物增强成分喷入悬浮室，雾化成分不仅可以使磁性悬浮填料外表面负载生物增强成分，同时可以使磁性悬浮填料内部孔隙负载生物增强成分，

设置在悬浮室内侧面的冷却收集槽，用于将凝结在悬浮室内侧壁上的生物增强成分引导收集至生物增强成分存储腔回收使用。

本发明的悬浮室通过PLC控制器分别控制电磁铁的磁力大小，使悬浮室内的磁性悬浮物料受到的磁力大小与自身重力大小抵消，并将生物增强成分通过雾化方式喷入悬浮室，使磁性悬浮物料的外表面与内部孔隙均可负载生物增强成分，负载效果更好。

根据本发明的一个方面，所述悬浮室可并排设置多组同时进行磁性悬浮填料的表面负载。

根据本发明的一个方面，所述生物增强成分为氯化钙、维生素C、海藻酸钠、半胱氨酸、聚乙烯醇和水以1:4:3:5:3:20的质量比混合得到，生物增强成分可以附着在生物磁性悬浮填料上，增强污水处理微生物的活性，促进生物酶分解，提高污水处理效率。

本发明还提供了一种新型水处理用生物磁性悬浮填料的设备，包括：

雾化改性装置，用于对磁粉进行改性活化，

超声乳化装置，用于将复合乳化剂与苯基三氯硅烷超声乳化，得到有机硅乳化液，

高速捏和机，用于将改性聚氨酯、活化磁粉、分散润滑剂、交联剂、致孔剂进行混合，得到分布均匀的混合物料，

挤出切割一体机，用于将混合物料挤出成型后切割，得到成型填料，

真空干燥装置，用于对成型填料进行真空干燥，除去致孔剂使成型填料内部呈多孔状，得到悬浮填料，

充磁机，用于对悬浮填料进行充磁，

表面负载装置，用于对磁性悬浮填料表面进行生物增强成分负载，得到生物磁性悬浮填料。

本发明的有益效果是：

1、本发明所制得的生物磁性悬浮填料，比相同形状规格的普通塑料悬浮填料可大幅提高氨氮的去除效率，提升生物膜的脱氢酶活性，而且悬浮填料上生物膜的生长速率也有大幅度提升。

2、本发明中的生物磁性悬浮填料在生产过程中无须造粒，混合物料可直接挤出成型并切割，简化了加工工序，节约了生产成本。

3、本发明所制得的生物磁性填料比表面积大、亲水性高、挂膜效率高，并且可以增强水中微生物活性，从而提高污水处理效率。

附图说明

图1是本发明的设备整体示意图；

图2是本发明的挤出切割一体机结构示意图；

图3是本发明的表面负载装置结构示意图；

图4是本发明实施例1制备填料的氨氮去除效果对比图；

图5是本发明实施例1制备填料的生物膜量对比图；

其中，1-雾化改性装置、2-超声乳化装置、3-高速捏和机、4-挤出切割一体机、41-支架、42-差速电机、43-传动齿轮组、44-挤出螺杆、45-挤出料筒、451-加热装置、46-进料斗、47-模具、48-真空定型套、481-真空发生器、49-切割装置、491-切割刀片、492-切割电机、5-真空干燥装置、6-充磁机、7-表面负载装置、71-悬浮室、72-进料端、721-阀门、73-出料端、74-电磁铁、75-PLC控制器、751-红外监测器、76-生物增强成分雾化装置、761-雾化器、762-生物增强成分存储腔、763-雾化喷嘴、77-冷却收集槽。

具体实施方式

为便于对本发明技术方案的理解，下面结合附图1-5和具体实施例对本发明做进一步的解释说明，实施例并不构成对发明保护范围的限定。

实施例1：制备新型水处理用生物磁性悬浮填料，包括以下步骤：

S1：磁粉表面处理：用1mol/L的碱性过硫酸钾溶液浸泡磁粉，磁粉为汝铁硼粉末，在浸泡过程中持续搅拌，浸泡3h后取出干燥，得到改性磁粉，将改性磁粉置于搅拌器中搅拌，将钛酸酯偶联剂用白矿油以1:1的质量比进行稀释，将稀释后的钛酸酯偶联剂雾化喷入搅拌器中，持续搅拌20min，得到活化磁粉；

S2：载体材料改性：将复合乳化剂与苯基三氯硅烷以质量比2:1的比例加入超声乳化装置中超声乳化1h，得到有机硅乳化液，然后将有机硅乳化液与聚氨酯以质量比1:1混合，搅拌升温至60℃时加入过硫酸铵共聚改性，得到改性聚氨酯，复合乳化剂为司盘-80与十三烷基异构醇聚醚质量比2:1复配制得；

S3：基体制备：将S2得到的改性聚氨酯、S1得到的活化磁粉与分散润滑剂、交联剂、致孔剂按照以下配比混合：改性聚氨酯80份、活化磁粉30份、分散润滑剂10份、交联剂5份、致孔剂18份，混合后送至高速捏和机中，80℃下高温捏合5h，得到混合物料；

S4：挤出切割：将S3得到的混合物料送至挤出切割一体机内，调节进料斗温度至170℃，混合物料软化后经模具挤出成型，挤出成型的物料通过真空定型套定型后切割，得到成型填料；

S5：真空干燥：将S4得到的成型填料置于真空干燥装置内，80℃真空干燥6h，除去成型填料内的致孔剂，使成型填料内部呈多孔状，冷却后得到悬浮填料；

S7：表面增强：将S6得到的磁性悬浮填料通过表面负载装置，使磁性悬浮填料表面均匀负载生物增强成分，得到生物磁性悬浮填料，生物增强成分为氯化钙、维生素C、海藻酸钠、半胱氨酸、聚乙烯醇和水以1:4:3:5:3:20的质量比混合得到。

实施例2：制备新型水处理用生物磁性悬浮填料，包括以下步骤：

S1：磁粉表面处理：用2mol/L的碱性过硫酸钾溶液浸泡磁粉，磁粉为汝铁硼粉末，在浸泡过程中持续搅拌，浸泡4h后取出干燥，得到改性磁粉，将改性磁粉置于搅拌器中搅拌，将钛酸酯偶联剂用白矿油以1:1的质量比进行稀释，将稀释后的钛酸酯偶联剂雾化喷入搅拌器中，持续搅拌25min，得到活化磁粉；

S2：载体材料改性：将复合乳化剂与苯基三氯硅烷以质量比2.3:1的比例加入超声乳化装置中超声乳化1.5h，得到有机硅乳化液，然后将有机硅乳化液与聚氨酯以质量比2:1混合，搅拌升温至75℃时加入过硫酸铵共聚改性，得到改性聚氨酯，复合乳化剂为司盘-80与十三烷基异构醇聚醚质量比2.5:1复配制得；

S3：基体制备：将S2得到的改性聚氨酯、S1得到的活化磁粉与分散润滑剂、交联剂、致孔剂按照以下配比混合：改性聚氨酯85份、活化磁粉35份、分散润滑剂14份、交联剂7份、致孔剂19份，混合后送至高速捏和机中，85℃下高温捏合7h，得到混合物料；

S4：挤出切割：将S3得到的混合物料送至挤出切割一体机内，调节进料斗温度至180℃，混合物料软化后经模具挤出成型，挤出成型的物料通过真空定型套定型后切割，得到成型填料；

S5：真空干燥：将S4得到的成型填料置于真空干燥装置内，90℃真空干燥7h，除去成型填料内的致孔剂，使成型填料内部呈多孔状，冷却后得到悬浮填料；

实施例3：制备新型水处理用生物磁性悬浮填料，包括以下步骤：

S1：磁粉表面处理：用3mol/L的碱性过硫酸钾溶液浸泡磁粉，磁粉为汝铁硼粉末，在浸泡过程中持续搅拌，浸泡5h后取出干燥，得到改性磁粉，将改性磁粉置于搅拌器中搅拌，将钛酸酯偶联剂用白矿油以1:1的质量比进行稀释，将稀释后的钛酸酯偶联剂雾化喷入搅拌器中，持续搅拌30min，得到活化磁粉；

S2：载体材料改性：将复合乳化剂与苯基三氯硅烷以质量比2.5:1的比例加入超声乳化装置中超声乳化2h，得到有机硅乳化液，然后将有机硅乳化液与聚氨酯以质量比3:1混合，搅拌升温至85℃时加入过硫酸铵共聚改性，得到改性聚氨酯，复合乳化剂为司盘-80与十三烷基异构醇聚醚质量比3:1复配制得；

S3：基体制备：将S2得到的改性聚氨酯、S1得到的活化磁粉与分散润滑剂、交联剂、致孔剂按照以下配比混合：改性聚氨酯90份、活化磁粉40份、分散润滑剂12份、交联剂8份、致孔剂20份，混合后送至高速捏和机中，90℃下高温捏合8h，得到混合物料；

S4：挤出切割：将S3得到的混合物料送至挤出切割一体机内，调节进料斗温度至190℃，混合物料软化后经模具挤出成型，挤出成型的物料通过真空定型套定型后切割，得到成型填料；

S5：真空干燥：将S4得到的成型填料置于真空干燥装置内，100℃真空干燥8h，除去成型填料内的致孔剂，使成型填料内部呈多孔状，冷却后得到悬浮填料；

如图2所示，上述实施例1-3中所使用的挤出切割一体机包括：

支架41，设置在支架41下部提供挤出动力的差速电机42，差速电机42的输出端连接有传动齿轮组43，传动齿轮组43输出端连接有挤出螺杆44，

设置在挤出螺杆44外侧的挤出料筒45，挤出料筒45上设有进料斗46，挤出料筒45内壁上等距内嵌有加热装置451，

设置在挤出料筒45出料端的模具47，挤出螺杆44将物料通过模具47挤出成型，

套接在模具47出料端的真空定型套48，用于对挤出成型物料进行冷却定型，真空定型套48一端外侧设有真空发生器481，用于将真空定型套48内部抽真空，

设置在真空定型套48出料端的切割装置49，切割装置49包括呈十字形的切割刀片491，为切割刀片491提供旋转动力的切割电机492。

如图3所示，上述实施例1-3中所使用的表面负载装置包括：

悬浮室71，其一端设有进料端72，一端设有出料端73，进料端72处设有控制磁性悬浮填料进入的阀门721，悬浮室71内顶部等距设有一排电磁铁74，电磁铁74均通过PLC控制器75电性控制，PLC控制器75通过设置在悬浮室71内侧壁上的红外监测器751监测磁性悬浮填料位置，并通过控制电磁铁74的磁力大小使磁性悬浮填料悬浮在悬浮室71中，

设置在悬浮室71内底部的生物增强成分雾化装置76，生物增强成分雾化装置76内部设有雾化器761，雾化器761与生物增强成分存储腔762连接，雾化器761通过多个雾化喷嘴763将雾化后的生物增强成分喷入悬浮室71，雾化成分不仅可以使磁性悬浮填料外表面负载生物增强成分，同时可以使磁性悬浮填料内部孔隙负载生物增强成分，

设置在悬浮室71内侧面的冷却收集槽77，用于将凝结在悬浮室71内侧壁上的生物增强成分引导收集至生物增强成分存储腔762回收使用。

如图1所示，上述实施例1-3中用于制备生物磁性悬浮填料的设备，包括：

雾化改性装置1，用于对磁粉进行改性活化，

超声乳化装置2，用于将复合乳化剂与苯基三氯硅烷超声乳化，得到有机硅乳化液，

高速捏和机3，用于将改性聚氨酯、活化磁粉、分散润滑剂、交联剂、致孔剂进行混合，得到分布均匀的混合物料，

挤出切割一体机4，用于将混合物料挤出成型后切割，得到成型填料，

真空干燥装置5，用于对成型填料进行真空干燥，除去致孔剂使成型填料内部呈多孔状，得到悬浮填料，

充磁机6，用于对悬浮填料进行充磁，

表面负载装置7，用于对磁性悬浮填料表面进行生物增强成分负载，得到生物磁性悬浮填料。

脱氢酶活性对比：将实施例2制备的填料与相同形状规格的普通高密度聚乙烯悬浮填料分别置于相同条件下的污水好氧生物处理系统中，进行脱氢酶活性对比实验，进水COD浓度为350mg/L，进水氨氮浓度为50mg/L，水中溶解氧控制在0.8-1.2mg/L。在两反应器已挂膜成功后，对附着在悬浮填料上的生物膜进行脱氢酶活性测定，附着在实施例2制得的生物磁性悬浮填料上的生物膜的脱氢酶活性为207.23mg TF/g SS，而附着在普通高密度聚乙烯悬浮填料上的生物膜的脱氢酶活性只有108.58mg TF/g SS，即生物膜的脱氢酶活性提升90％。

氨氮去除效果对比：将实施例3制备的填料与相同形状规格的普通高密度聚乙烯悬浮填料分别置于相同条件下的污水好氧生物处理系统中，进行氨氮去除对比实验，进水COD浓度为350mg/L，进水氨氮浓度为50mg/L，水中溶解氧控制在0.8-1.2mg/L。如图4所示，使用实施例3制得的生物磁性悬浮填料的MBBR系统从第10天开始，其氨氮去除率就一直高于普通悬浮填料，并在第24天氨氮去除率达73％，而使用普通高密度聚乙烯悬浮填料的MBBR系统的氨氮去除率只有26％。

生物膜量对比：将实施例3制备的填料与相同形状规格的普通高密度聚乙烯悬浮填料分别置于相同条件下的污水好氧生物处理系统中，进行生物膜量对比实验，进水COD浓度为350mg/L，进水氨氮浓度为50mg/L，水中溶解氧控制在0.8-1.2mg/L。如图5所示，使用实施例3制得的生物磁性悬浮填料上的生物膜重量一直高于普通悬浮填料，并在第24天测得其生物膜重达47.75mg/个，是普通高密度聚乙烯悬浮填料的两倍多。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种水处理用生物磁性悬浮填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S7：表面增强：将S6得到的磁性悬浮填料通过表面负载装置，使磁性悬浮填料表面均匀负载生物增强成分，得到生物磁性悬浮填料；

所述磁粉为汝铁硼粉末；

所述复合乳化剂为司盘-80与十三烷基异构醇聚醚质量比2-3:1复配制得；

所述生物增强成分为氯化钙、维生素C、海藻酸钠、半胱氨酸、聚乙烯醇和水以1:4:3:5:3:20的质量比混合得到。

2.一种用于权利要求1所述水处理用生物磁性悬浮填料的制备方法的制备设备，其特征在于，包括：

雾化改性装置（1），用于对磁粉进行改性活化，

超声乳化装置（2），用于将复合乳化剂与苯基三氯硅烷超声乳化，得到有机硅乳化液，

高速捏和机（3），用于将改性聚氨酯、活化磁粉、分散润滑剂、交联剂、致孔剂进行混合，得到分布均匀的混合物料，

挤出切割一体机（4），用于将混合物料挤出成型后切割，得到成型填料，

真空干燥装置（5），用于对成型填料进行真空干燥，除去致孔剂使成型填料内部呈多孔状，得到悬浮填料，

充磁机（6），用于对悬浮填料进行充磁，

表面负载装置（7），用于对磁性悬浮填料表面进行生物增强成分负载，得到生物磁性悬浮填料；

所述挤出切割一体机（4）包括：

支架（41），设置在支架（41）下部提供挤出动力的差速电机（42），差速电机（42）的输出端连接有传动齿轮组（43），传动齿轮组（43）输出端连接有挤出螺杆（44），

设置在挤出螺杆（44）外侧的挤出料筒（45），挤出料筒（45）上设有进料斗（46），挤出料筒（45）内壁上等距内嵌有加热装置（451），

设置在挤出料筒（45）出料端的模具（47），挤出螺杆（44）将物料通过模具（47）挤出成型，

套接在模具（47）出料端的真空定型套（48），用于对挤出成型物料进行冷却定型，真空定型套（48）一端外侧设有真空发生器（481），用于将真空定型套（48）内部抽真空，

设置在真空定型套（48）出料端的切割装置（49），切割装置（49）包括呈十字形的切割刀片（491），为切割刀片（491）提供旋转动力的切割电机（492）；

所述表面负载装置（7）包括：

悬浮室（71），其一端设有进料端（72），一端设有出料端（73），进料端（72）处设有控制磁性悬浮填料进入的阀门（721），悬浮室（71）内顶部等距设有一排电磁铁（74），所述电磁铁（74）均通过PLC控制器（75）电性控制，PLC控制器（75）通过设置在悬浮室（71）内侧壁上的红外监测器（751）监测磁性悬浮填料位置，并通过控制电磁铁（74）的磁力大小使磁性悬浮填料悬浮在悬浮室（71）中，

设置在悬浮室（71）内底部的生物增强成分雾化装置（76），生物增强成分雾化装置（76）内部设有雾化器（761），雾化器（761）与生物增强成分存储腔（762）连接，雾化器（761）通过多个雾化喷嘴（763）将雾化后的生物增强成分喷入悬浮室（71），雾化成分不仅可以使磁性悬浮填料外表面负载生物增强成分，同时可以使磁性悬浮填料内部孔隙负载生物增强成分，

设置在悬浮室（71）内侧面的冷却收集槽（77），用于将凝结在悬浮室（71）内侧壁上的生物增强成分引导收集至生物增强成分存储腔（762）回收使用；

所述悬浮室（71）并排设置多组同时进行磁性悬浮填料的表面负载。