CN110451634A - 一种双亲性硅基生物载体及制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双亲性硅基生物载体及制备方法及应用，制备方法为：(1)将柠檬酸用去离子水溶解配置成柠檬酸水溶液；将硅基粉末分散于柠檬酸钠水溶液中，超声震荡，得到硅基粉末分散液，将柠檬酸水溶液和硅基粉末分散液混合得混合液，超声震荡，反应，沉淀或离心，洗涤，冷冻干燥得粉末；(2)将步骤(1)获得的粉末加入正己烷中，超声震荡得粉末正己烷分散液，加入油酸，超声震荡，反应，离心，洗涤，冷冻干燥，得一种双亲性硅基生物载体。本发明的生物载体具有介孔硅的物理吸附性质和表面接枝基团的亲水亲脂性质。有利于微生物与不同性质污染物的接触，增加微生物与有机物的接触概率，提高生化降解效率。

Description

一种双亲性硅基生物载体及制备方法及应用
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体地涉及一种双亲性硅基生物载体及制备方法及应用。
背景技术
生物载体或生物填料是生物接触氧化池的关键组成。微生物在生物载体完成新陈代谢、生长繁殖和老化裂解的过程。废水以一定流速流经附着微生物的生物载体后，与载体上的生物膜充分接触，达到降解污水中有机物的目的，达到强化微生物的作用，通常这一过程为生物载体、生物膜，与活性污泥共同作用的过程。
生物载体作为水处理的关键部分，其物理性能与化学性能都非常重要。当前生物载体的品类比较丰富，但由耐用且惰性的硅基为主要内核修饰得来的微米级别的生物载体，种类较少，内核品类单一，性能方面也略显不足。例如：由环境工程学报报道的‘一种污泥基陶粒的表面改性及其在含Cr(VI)废水生物净化中的应用’中提出的陶粒改性生物载体，同样具有多孔隙的特点，但其单体颗粒较大且不具备双亲性，无法同时吸附水溶性及脂溶性的有机物。由广州大学学报报道的‘PVA-SA水凝胶生物载体的制备及其性能研究’中，水凝胶类生物载体具有多孔包埋特征，但其不具备吸水率低、单体颗粒小及双亲性等性能优势，且其本身容易破裂，难以做到污泥减量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双亲性硅基生物载体。
本发明的第二个目的是提供一种双亲性硅基生物载体的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种双亲性硅基生物载体的应用。
本发明的技术方案概述如下：
一种双亲性硅基生物载体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将柠檬酸用去离子水溶解配置成质量浓度为5％-10％的柠檬酸水溶液，将硅基粉末分散于相当硅基粉末质量10-15倍、浓度为0.075M-1M的柠檬酸钠水溶液中，经20-40KHZ超声震荡5-10min，得到硅基粉末分散液，将所述柠檬酸水溶液和硅基粉末分散液混合得混合液、使混合液中柠檬酸与硅基粉末的质量比为4:1，混合液经20-40KHZ超声震荡5-10min，在80-100℃继续搅拌反应60-120min，沉淀或离心，沉淀用去离子水洗涤，冷冻干燥得粉末；
(2)将步骤(1)获得的粉末加入正己烷中，经20-40KHZ超声震荡2-5min得粉末正己烷分散液，加入油酸，所述油酸与步骤(1)获得的粉末质量比为2:1，混合，经20-40KHZ超声震荡5-15min，在50-68℃，继续搅拌反应5-7h，沉淀或离心，分离沉淀，用乙醇洗涤，冷冻干燥，得一种双亲性硅基生物载体。
所述硅基粉末的粒径在10-90μm之间。
所述硅基为硅藻土、沸石、硅胶、膨润土、高岭土和凹凸棒土中的至少一种。
上述方法制备的一种双亲性硅基生物载体。
上述一种双亲性硅基生物载体的污泥减量的应用。
本发明的优点：本发明的一种双亲性硅基生物载体具有介孔硅的物理吸附性质和表面接枝基团的亲水亲脂性质。其介孔性质可以吸附微生物形成菌团，表面接枝的化学基团具有亲水性和亲脂性可以亲和水体中的水溶性和脂溶性有机物，更有利于微生物与不同性质污染物的接触，增加微生物与有机物的接触概率，提高生化降解效率。
附图说明
图1为双亲性硅基生物载体(简称硅基载体)对微生物降解水溶和脂溶性有机物的影响。
图2为双亲性硅基生物载体对生化阶段污泥生长速度的影响。
具体实施方式
本发明的双亲性硅基生物载体作为污水处理生化环节中微生物的载体，微生物能够附着于该载体的多孔结构中，形成菌团，颗粒间的相互吸附进而形成活性污泥菌团，同时该载体具有双亲性，不仅能够与污水中水溶性有机物亲和吸附，更能有效增加脂溶性有机物跟微生物的接触降解反应，解决了菌团和活性污泥只具有亲水性的的应用缺点，提高微生物与有机物的接触频率跟密度，提高不同种类性质有机物在生化处理阶段的降解效率。硅基内核的多孔结构能够吸附携带更多微生物，内核周围修饰的双亲性羧基涂覆层，同时具有亲水端和疏水端。亲水端伸展于水中，相似相容性让其在水中更大范围的捕捉和富集水中的水溶性有机物。然而大部分工业污水中通常会同时存在水溶性和脂溶性的有机或无机污染物，具有双亲性质硅基生物载体，能更大限度的同时捕捉有机和无机污染物，并能兼顾两者的降解，增强了污水生化处理的适应性与降解率，能够为更多种类及性质的污水提供生化处理的可能性。
双亲性硅基生物载体的介孔吸附能力，能够提高生物密度，提高降解效率减少停留时间。硅基粉末本身不具有吸水性，所形成的污泥含水率低，产生量少，能够很好的做到污泥减量排放。同时，当污泥团长大到内核凝聚力下降，外围菌团及有机物发生崩解，崩解过程中，污泥中的有机小分子得到释放，菌团与有机小分子充分接触，发生降解，无机矿物质也得到进一步分散，为污泥的二次消化反应提供基础。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种双亲性硅基生物载体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将柠檬酸用去离子水溶解配置成质量浓度为8％的柠檬酸水溶液；将5g硅藻土粉末分散于50g浓度为0.1M的柠檬酸钠水溶液中，经30KHZ超声震荡8min，得到硅藻土粉末分散液，将柠檬酸水溶液和硅藻土粉末分散液混合得混合液、使混合液中柠檬酸与硅藻土粉末的质量比为4:1，混合液经30KHZ超声震荡8min，在90℃继续搅拌反应90min，用离心的方法分离沉淀，用去离子水洗涤，冷冻干燥得粉末；硅藻土粉末的粒径在10-90μm之间；
(2)将5g步骤(1)获得的粉末加入50mL正己烷中，经30KHZ超声震荡4min得粉末正己烷分散液，加入油酸，所述油酸与步骤(1)获得的粉末质量比为2:1，混合，经30KHZ超声震荡10min，在60℃，继续搅拌反应6h，用离心的方法分离沉淀，用乙醇洗涤，冷冻干燥，得一种双亲性硅基生物载体。
实施例2
一种双亲性硅基生物载体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将柠檬酸用去离子水溶解配置成质量浓度为5％的柠檬酸水溶液；将5g沸石粉末分散于75g浓度为0.075M的柠檬酸钠水溶液中，经20KHZ超声震荡10min，得到沸石粉末分散液，将柠檬酸水溶液和沸石粉末分散液混合得混合液、使混合液中柠檬酸与沸石粉末的质量比为4:1，混合液经20KHZ超声震荡10min，在100℃继续搅拌反应60min，用离心的方法分离沉淀，用去离子水洗涤，冷冻干燥得粉末；沸石粉末的粒径在10-90μm之间；
(2)将5g步骤(1)获得的粉末加入50mL正己烷中，经20KHZ超声震荡5min得粉末正己烷分散液，加入油酸，油酸与步骤(1)获得的粉末质量比为2:1，混合，经20KHZ超声震荡15min，在50℃，继续搅拌反应7h，用离心的方法分离沉淀，用乙醇洗涤，冷冻干燥，得一种双亲性硅基生物载体。
实施例3
一种双亲性硅基生物载体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将柠檬酸用去离子水溶解配置成质量浓度为10％的柠檬酸水溶液，将5g硅基粉末分散于50g浓度为1M的柠檬酸钠水溶液中，经40KHZ超声震荡5min，得到硅基粉末分散液，将柠檬酸水溶液和硅基粉末分散液混合得混合液、使混合液中柠檬酸与硅基粉末的质量比为4:1，混合液经40KHZ超声震荡5min，在80℃继续搅拌反应120min，用沉淀方法分离沉淀，用去离子水洗涤，冷冻干燥得粉末；(硅基粉末为质量比为1：1：1：1的硅胶、膨润土、高岭土和凹凸棒土的混合物)，硅基粉末的粒径在10-90μm之间；
(2)将5g步骤(1)获得的粉末加入50mL正己烷中，经40KHZ超声震荡2min得粉末正己烷分散液，加入油酸，所述油酸与步骤(1)获得的粉末质量比为2:1，混合，经40KHZ超声震荡5min，在68℃，继续搅拌反应5h，用沉淀的方法分离沉淀，用乙醇洗涤，冷冻干燥，得一种双亲性硅基生物载体。
实施例4
双亲性硅基生物载体的污染物亲和测试
实验水体：碳源为质量浓度1％的正十六烷、质量浓度0.5％葡萄糖的BSM无机盐基础培养基2L。
实验过程：按照5‰的添加量向2L实验水体中加入10g实施例1制备的双亲性硅基生物载体，搅拌30s，加入20mL商品红平红球菌的菌悬液，菌液浓度为107个/mL，放置于28℃环境下曝气培养；
另外设定空白对照试验，即按照以上操作不添加双亲性硅基生物载体。
每间隔12小时测定葡萄糖含量和正十六烷含量，并根据水体中残留葡萄糖含量和正十六烷含量绘制散点连线图，表征硅基生物载体对微生物降解的影响，如图1所示。
结论：添加双亲性硅基生物载体的培养液中，红平红球菌对葡萄糖和正十六烷的消耗和利用就培养时间而言均有提前，故双亲性硅基生物载体可以缩短微生物降解有机物的时间；且添加双亲性硅基生物载体后，红平红球菌对于亲水碳源(葡萄糖)和疏水碳源(正十六烷)的降解效果均有提升，故双亲性硅基生物载体可以提高微生物对于水溶性和脂溶性有机物的降解率。
实验证明，向2L实验水体中加入10g实施例2或3制备的双亲性硅基生物载体，其它同本实施例，双亲性硅基生物载体可以提高微生物对于水溶性和脂溶性有机物的降解率与实施例1相似。
实施例5
某化工产业园区的污水处理厂，处理量10000m3/天，日排泥量10吨左右，原水水质为：悬浮物SS 100mg/L，化学需氧量CODCR 220-270mg/L，NH3-N 40mg/L左右，总磷TP 5mg/L左右。
1#和2#为某污水处理厂中两条处理工艺完全相同的污水处理系统，均包括水解酸化池、好氧池和厌氧池。现将商品菌种投放至1#处理系统，实施例1制备的双亲性硅基生物载体和商品菌种投放至2#处理系统，投加方法如下所述。
双亲性硅基生物载体的以各池质量添加量为5‰，
将实施例1制备的一种双亲性硅基生物载体，于水解酸化池、好氧池和厌氧池中分别投放，1吨、2吨和2吨；
于水解酸化池中投放OBT裂解菌(商品)136kg、
于好氧池中投放OBT裂解菌60kg、SF菌剂60kg、BZT硝化菌50kg、BZT除氮菌50kg；
于厌氧池中投放OBT裂解菌60kg、SF菌剂60kg、BZT反硝化菌剂100kg。
上述菌均购于碧沃丰公司。
暂时关闭排泥口，将菌剂与双亲性硅基生物载体混合后加入各个池中，为防止对原本土著微生物及污泥冲击过大，各个池的菌剂和载体混合料可分10天均匀投加。投加结束后，各个池恢复运行，总进水量不变，保持其稳定性，在不添加任何额外絮凝剂的前提下连续运行。
出水水质：化学需氧量CODcr 50mg/L以下，悬浮物SS 10mg/L以下，NH3-N 4mg/L以下，总磷TP 2mg/L以下，在保证出水达标的前提下，排泥时间缩短为原排泥时间的60％，且日常不增加运行成本。
表1. 2019/6/24-7/15日某污水处理厂1#、2#系统污泥浓度指标
由表1可见，当1#、2#系统正常生产运行时，1#系统累积排泥时间为50.5h，而2#系统累积排泥时间为29.5h，2#系统排泥时间相较1#系统减少21h，此时2#系统污泥浓度低于1#系统，这清楚有力的说明：双亲性硅基生物载体的投加显著减少污泥产生。就本试验而言，投加双亲性硅基生物载体后污泥产量减少约40％。
由图2可以看出，在正常生产情况下，投加双亲性硅基生物载体的2#系统的污泥浓度维持在10000mg/L左右，而1#对比系统的平均污泥浓度则高达11500mg/L，2#系统的污泥生长速度明显减慢。

Claims (5)

1.一种双亲性硅基生物载体的制备方法，其特征是包括如下步骤：
(1)将柠檬酸用去离子水溶解配置成质量浓度为5％-10％的柠檬酸水溶液；将硅基粉末分散于相当硅基粉末质量10-15倍、浓度为0.075M-1M的柠檬酸钠水溶液中，经20-40KHZ超声震荡5-10min，得到硅基粉末分散液，将所述柠檬酸水溶液和硅基粉末分散液混合得混合液、使混合液中柠檬酸与硅基粉末的质量比为4:1，混合液经20-40KHZ超声震荡5-10min，在80-100℃继续搅拌反应60-120min，沉淀或离心，沉淀用去离子水洗涤，冷冻干燥得粉末；
(2)将步骤(1)获得的粉末加入正己烷中，经20-40KHZ超声震荡2-5min得粉末正己烷分散液，加入油酸，所述油酸与步骤(1)获得的粉末质量比为2:1，混合，经20-40KHZ超声震荡5-15min，在50-68℃，继续搅拌反应5-7h，沉淀或离心，分离沉淀，用乙醇洗涤，冷冻干燥，得一种双亲性硅基生物载体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述硅基粉末的粒径在10-90μm之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述硅基为硅藻土、沸石、硅胶、膨润土、高岭土和凹凸棒土中的至少一种。
4.权利要求1、2或3的方法制备的一种双亲性硅基生物载体。
5.权利要求4的一种双亲性硅基生物载体的应用。
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