CN114605726A - 一种改性生物悬浮填料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及污水处理技术领域，具体公开了一种改性生物悬浮填料及其制备方法。改性生物悬浮填料由包含以下重量份的原料制成：高密度聚乙烯树脂90‑110份、蔗糖颗粒20‑35份、煅烧牡蛎壳粉5‑10份和助剂1‑3份；其制备方法为：将高密度聚乙烯、煅烧牡蛎壳粉和助剂按比例混合，挤出造粒，得到混合料；将混合料在125‑135℃下挤塑成型，在成型的过程加入蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。按照本申请的配方和制备方法，可制得一种亲水性好、表面粗糙度高且使用寿命长的改性生物悬浮填料，将该改性生物悬浮填料用于污水处理中，其易于微生物附着和挂膜，挂膜速度快，且能为微生物提供碳源。
Description
技术领域
本申请涉及污水处理技术领域，更具体地说，它涉及一种改性生物悬浮填料及其制备方法。
背景技术
微生物处理是一种高效、环保的污水处理方法，在净化水质、防止水体污染方面起着重要作用。在污水处理的二级生物化学处理技术中，活性污泥法和生物膜法是最重要的两种技术。与活性污泥法相比，生物膜法水处理技术具有很强的抗冲击负荷能力，且处理效果理想，不会产生污泥膨胀现象，且投资低、运行维护简单，目前在污水处理领域获得广泛的应用。
移动床生物膜工艺(MBBR)是污水处理方法中生物膜法的一种，其吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者的优点而形成的一种高效污水处理方法，其核心部分是以密度接近于水的悬浮填料直接投加到曝气池中作为微生物的活性载体，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用处于流化状态，是悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜法相结合的一种工艺。目前生物膜载体(悬浮填料)主要以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(PU)等高分子聚合物为原料注塑成各种形状生产而成。但是这些有机载体填料本身性能存在局限性，例如极性低、疏水性强和表面粗糙度低等，在实际应用中，挂膜困难、挂膜量和挂膜速度等方面存在不足，限制了悬浮载体在生活污水和工业废水处理中的处理效率。
发明内容
为了改善悬浮填料的表面粗糙度和亲水性，本申请提供一种改性生物悬浮填料及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种改性生物悬浮填料，采用如下的技术方案：
一种改性生物悬浮填料，由包含以下重量份的原料制成：
高密度聚乙烯树脂90-110份、蔗糖颗粒20-35份、煅烧牡蛎壳粉5-10份和助剂1-3份。
通过采用上述技术方案，各原料相互配合，可得到一种亲水性好、表面粗糙度高，且使用寿命长的改性生物悬浮填料。制备改性生物悬浮填料时，先将高密度聚乙烯树脂、煅烧牡蛎壳粉和助剂熔融挤出，随后进行塑化，塑化过程中，加入蔗糖颗粒，蔗糖颗粒镶嵌在改性生物悬浮填料上，其表面凹凸不平，从而提高了改性生物悬浮填料表面的粗糙度，从而有利于挂膜；此外，蔗糖可为微生物提供碳源，使微生物更容易存活，从而有利于微生物更好地分解污水中的污染物，提高污水处理的效率。而当改性生物悬浮填料表面蔗糖被微生物啃食后，改性生物悬浮填料表面会有小凹坑，其表面依然粗糙，不会影响挂膜速度和挂膜量，且产生的凹坑不会影响改性生物悬浮填料的使用寿命。体系中，煅烧牡蛎壳粉的加入，则极大的改善了改性生物悬浮填料的亲水性，从而易于挂膜、提高挂膜量和挂膜速度。
优选的，所述蔗糖颗粒与高密度聚乙烯的重量比为(0.21-0.27)：1。
当体系中的蔗糖颗粒与高密度聚乙烯的重量比为(0.21-0.27)：1时，改性生物悬浮填料中的挂膜速度和挂膜量较多，且蔗糖在为微生物提供碳源的同时，不会造成多余的浪费，可节约成本。
优选的，所述蔗糖颗粒的平均粒径为1-2.2mm。
蔗糖颗粒的平均粒径为1-2.2mm，既不会因为颗粒过小而影响改性生物悬浮填料表面的粗糙度，也不会因为由于颗粒粒径过大，而导致蔗糖颗粒在被微生物消化后在改性生物悬浮填料表面留下空隙，影响改性生物悬浮填料的使用寿命。
优选的，所述煅烧牡蛎壳粉的平均粒径为0.1-0.3μm。
优选的，所述煅烧牡蛎壳粉由包括以下制备方法制得：
将牡蛎壳粉以15-20℃/min的速率加热到200-220℃，保持15-30min，随后降至20-30℃，得到煅烧牡蛎壳粉。
通过采用上述技术方案，通过特定煅烧后的牡蛎壳粉对聚乙烯材料表面粗糙度和接触角均有影响。申请人发现，在体系中加入本申请的煅烧牡蛎壳粉，随着填充比例的增加，聚乙烯材料表面的粗糙度逐渐增大，而接触角逐渐降低。当煅烧牡蛎壳粉的填充比例超过8.7％(煅烧牡蛎壳粉占高密度聚乙烯树脂的重量)以后接触角的降低逐渐变缓。本申请中，改性生物悬浮填料的的接触角可由96°降低到64°，极大的改善了改性生物悬浮填料的亲水性。
优选的，所述助剂包括塑化剂、炭黑和二氧化钛。
优选的，所述炭黑的重量占助剂总量的27％-42％。
优选的，塑化剂与高密度聚乙烯树脂的重量比小于1.2％；本申请中，塑化剂可以是邻苯二甲酸酯。
优选的，所述改性生物悬浮填料的密度为1.09-1.10g/cm3。
助剂中有炭黑，能减少紫外线对改性生物悬浮填料的伤害，提高改性生物悬浮填料的抗老化性能，且能改善其抗拉和抗冲击强度。二氧化钛可以调节改性生物悬浮填料的密度，从而有利于改性生物悬浮填料的悬浮。污水的密度大于水的密度，其密度一般大约是1.08g/cm3，本申请中，改性生物悬浮填料的密度为1.09-1.10g/cm3，此时，改性生物悬浮填料既不会上浮，也不会下沉，而是悬浮在中间，那么，不需要额外的曝气推动流化，从而节省能耗。
增塑剂加入可降低高密度聚乙烯树分子的结晶性，增加树脂分子的可塑性，使其柔韧性增强，容易加工，从而提高改性生物悬浮填料的加工性能。
优选的，所述改性生物悬浮填料中还包括改性蒙脱土，所述改性蒙脱土的重量占高密度聚乙烯树脂重量的2％-5％。
优选的，所述改性蒙脱土由镁盐、铝盐或锌盐对蒙脱土改性制得。
通过采用上述技术方案，向体系中加入由镁盐、铝盐或锌盐对蒙脱土改性制得改性蒙脱土，一方面，可在煅烧牡蛎粉的基础上，进一步的提高改性生物悬浮填料的亲水性；另一方面，改善改性生物悬浮填料的力学性能，使其不易变形、不易老化、不易发脆，从而可提高改性生物悬浮填料的使用寿命。
第二方面，本申请提供一种改性生物悬浮填料的制备方法，采用如下的技术方案：一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将高密度聚乙烯、煅烧牡蛎壳粉和助剂按比例混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在125-135℃下挤塑成型，在成型的过程加入蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
优选的，当体系中存在改性蒙脱土时，改性蒙脱土与助剂等一起添加在混合料中。
通过采用上述技术方案，本申请中，先将除蔗糖颗粒以外的各原料混合，挤出造粒，然后挤塑成型时再加入蔗糖颗粒，可制得表面粗糙度高的改性生物悬浮填料。蔗糖的熔化温度为160-180℃，高密度聚乙烯的软化点为125-135℃，所以，混合料在125-135℃下挤塑时，蔗糖不会融化，而是依然呈颗粒状，所以在挤塑时，蔗糖颗粒镶嵌在填料表面，从而得到粗糙度高的改性生物悬浮填料。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请中，高密度聚乙烯树脂、蔗糖颗粒和煅烧牡蛎粉相互配合，可得到一种亲水性好、表面粗糙度高且使用寿命长的改性生物悬浮填料；
2、将本申请的改性生物悬浮填料应用于污水处理中，该改性生物悬浮填料易于微生物附着和挂膜，挂膜速度快，且能为微生物提供碳源。
附图说明
图1是本申请实施例2中制得的改性生物悬浮填料的样品图。
图2(a)是实施例2的改性生物悬浮填料挂膜前的表面电镜图；图2(b)实施例2的改性生物悬浮填料挂膜后的电镜图。
图3是实施例2和对比例2中的改性生物悬浮填料的接触角展示对比图。
图4是应用例中原水和处理水的水质检测表，其中，图4(a)是NH3-N水质表，图4(b)是COD的水质表。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。
本申请实施例中，
蔗糖颗粒的平均粒径为1-2.2mm；
塑化剂为邻苯二甲酸酯；
改性蒙脱土由镁盐对蒙脱土改性得到。
煅烧牡蛎粉的制备
制备例1
煅烧牡蛎壳粉由以下制备方法制得：
将牡蛎壳粉以17℃/min的速率加热到210℃，保持25min，随后降至25℃，得到平均粒径为0.1-0.3μm的煅烧牡蛎壳粉1。
制备例2
将牡蛎壳粉以40℃/min的速率加热到210℃，保持25min，随后降至25℃，得到平均粒径为0.1-0.3μm的煅烧牡蛎壳粉2。
实施例
实施例1
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将9kg高密度聚乙烯、1kg煅烧牡蛎壳粉1和0.1kg邻苯二甲酸酯倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在130℃下挤塑成型，在成型的过程加入3.5kg蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
实施例2
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将10kg高密度聚乙烯、0.5kg煅烧牡蛎壳粉1和0.2kg邻苯二甲酸酯倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在130℃下挤塑成型，在成型的过程加入2.5kg蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
实施例3
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将11kg高密度聚乙烯、1kg煅烧牡蛎壳粉1、0.3kg邻苯二甲酸酯倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在130℃下挤塑成型，在成型的过程加入2kg蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
实施例4
实施例4与实施例2的区别仅在于，实施例4中，用煅烧牡蛎壳粉2等量替换煅烧牡蛎壳粉1，其余均与实施例2保持一致。
实施例5
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将10kg高密度聚乙烯、0.5kg煅烧牡蛎壳粉1、0.1kg邻苯二甲酸酯、0.05kg炭黑和0.05kg二氧化钛倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在130℃下挤塑成型，在成型的过程加入2.5kg蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
实施例6
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将10kg高密度聚乙烯、0.5kg煅烧牡蛎壳粉1、0.01kg邻苯二甲酸酯、0.074kg炭黑和0.076kg二氧化钛倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在130℃下挤塑成型，在成型的过程加入2.5kg蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
实施例7
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将10kg高密度聚乙烯、0.5kg煅烧牡蛎壳粉1、0.036kg邻苯二甲酸酯、0.054kg炭黑和0.12kg二氧化钛倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在130℃下挤塑成型，在成型的过程加入2.5kg蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
实施例8
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将10kg高密度聚乙烯、0.5kg煅烧牡蛎壳粉1、0.036kg邻苯二甲酸酯、0.054kg炭黑、0.12kg二氧化钛和0.34kg改性蒙脱土倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在130℃下挤塑成型，在成型的过程加入2.5kg蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
实施例9
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将10kg高密度聚乙烯、0.5kg煅烧牡蛎壳粉1、0.036kg邻苯二甲酸酯、0.054kg炭黑、0.12kg二氧化钛和0.05kg改性蒙脱土倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在130℃下挤塑成型，在成型的过程加入2.5kg蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
实施例10
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将10kg高密度聚乙烯、0.5kg煅烧牡蛎壳粉1、0.036kg邻苯二甲酸酯、0.054kg炭黑、0.12kg二氧化钛、0.34kg改性蒙脱土和2.5kg蔗糖颗粒倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；将混合料在130℃下挤塑成型，在成型的过程加入，制得改性生物悬浮填料。
实施例11
一种改性生物悬浮填料的制备方法，包括如下步骤：
将10kg高密度聚乙烯、0.5kg煅烧牡蛎壳粉1、0.036kg邻苯二甲酸酯、0.054kg炭黑、0.12kg二氧化钛、0.34kg改性蒙脱土和2.5kg蔗糖颗粒倒入双螺杆挤出中混合，挤出造粒，得到混合料；将混合料在180℃下挤塑成型，在成型的过程加入，制得改性生物悬浮填料。
对比例
对比例1
对比例1与实施例2的区别仅在于，对比例1中不加入蔗糖颗粒，其余均与实施例2保持一致。
对比例2
对比例2与实施例2的区别仅在于，对比例2中不加入煅烧牡蛎壳粉，其余均与实施例2保持一致。
对比例3
对比例与实施例2的区别仅在于，对比例3中加入的不经煅烧的牡蛎壳粉，其余均与实施例2保持一致。
对比例4
对比例与实施例2的区别仅在于，对比例4的原料只用高密度聚乙烯和塑化剂，其余均与实施例2保持一致。
性能检测
1、检测实施例1-11和对比例1-4中的各改性生物悬浮填料的基本性能，具体检测指标和检测数据如下表1所示。
表1
| 试样 | 挂膜前的比重/g/cm<sup>3</sup> | 挂膜后的比重/g/cm<sup>3</sup> | 挂膜时间/天 | 比表面积/m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup> |
| 实施例1 | 1.01 | 1.21 | 10 | 1150 |
| 实施例2 | 0.98 | 1.28 | 10 | 1100 |
| 实施例3 | 1.01 | 1.19 | 10 | 1050 |
| 实施例4 | 0.98 | 1.13 | 10 | 1100 |
| 实施例5 | 1.085 | 1.22 | 10 | 1100 |
| 实施例6 | 1.092 | 1.25 | 10 | 1100 |
| 实施例7 | 1.10 | 1.29 | 10 | 1100 |
| 实施例8 | 1.12 | 1.33 | 10 | 1200 |
| 实施例9 | 1.10 | 1.30 | 10 | 1160 |
| 实施例10 | 1.12 | 1.27 | 10 | 1160 |
| 实施例11 | 1.12 | 1.15 | 10 | 1160 |
| 对比例1 | 0.97 | 1.05 | 10 | 870 |
| 对比例2 | 0.95 | 1.02 | 10 | 1100 |
| 对比例3 | 0.98 | 1.09 | 10 | 1100 |
| 对比例4 | 0.92 | 0.99 | 20 | 850 |
结合实施例1-3和对比例1-4并结合表1可知，由高密度聚乙烯树脂、蔗糖颗粒和煅烧牡蛎粉相互配合制得的改性生物悬浮填料易于使微生物附着，具有很好的挂膜量且挂膜速度快。
结合实施例2、4和对比例3并结合表1可知，煅烧牡蛎壳粉的制备会影响改性悬浮调料的挂膜，本申请中，将牡蛎壳粉以15-20℃/min的速率加热到200-220℃，保持15-30min，随后降至20-30℃，得到的煅烧牡蛎壳粉有利于改善改性生物悬浮填料的挂膜量。
如图1-2所示，图1是实施例2中制得的改性生物悬浮填料的样品图，图2(a)是实施例2的改性生物悬浮填料挂膜前的表面电镜图，图2(b)实施例2的改性生物悬浮填料挂膜后的电镜图；由图1-2可知，本申请中，由高密度聚乙烯树脂、蔗糖颗粒和煅烧牡蛎粉相互配合制得的改性生物悬浮填料的表面粗糙，亲水性好，微生物易挂膜且挂模量大。
2、检测改性生物悬浮填料的亲水性
如图3所示，图3是实施例2和对比例2中改性生物悬浮填料的亲水性接触角展示对比图，由图3可知，本申请中，煅烧牡蛎壳粉的加入，可使改性生物悬浮填料的的接触角可由96°降低到64°，亲水性提高了33％，极大的改善了改性生物悬浮填料的亲水性。
应用例
四川省达州市的某污水处理厂，处理水量4-8万吨，污水处理工艺为SSMBBR工艺(A2O+填料)，沿着污水进水方向，污水处理系统包括依次连接的厌氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池，沉淀池底部的污泥部分外排，部分回流至厌氧池中；在好氧池第一廊道和第二廊道投放悬浮填料，用推进器推动疏导,让填料在池内循环,不在网前堆积。
在系统中投入实施例7制得的改性生物悬浮填料，改性生物悬浮填料的投放量为15％-70％，检测原水(进水)水质和处理水(出水)水质，具体如下表2所示。
系统运行后，实时监测原水和处理水中COD和氨氮的变化情况，具体变化情况如图4所示。
表2水质检测表
应用对比例
应用对比例与应用例的区别仅在于，应用对比例中，不投放实施例7制得的改性生物悬浮填料，其余均与应用例保持一致。
检测原水(进水)水质和处理水(出水)水质，具体如下表3所示。
表3水质检测表
对比表2和表3可知，采用本申请的配方和制备方法制得的改性生物悬浮填料能去除污水中的SS、COD、BOD、降低污水中的T-N、NH3-N和T-P，能进一步改善出水水质。
参见图4，图4是应用例中原水和处理水的水质检测表，其中，图4(a)是NH3-N水质表，图4(b)是COD的水质表，观察图4可知，在污水中加入改性生物悬浮填料，一开始，污水中的COD和NH3-N可快速降低，随着系统的运行，不管原水中COD和NH3-N的含量如何变化，但是处理水中COD和NH3-N的含量达到最低且逐渐趋于稳定，由此可知，本申请的改性生物悬浮填料的稳定性好，有利于得到水质稳定的处理水。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种改性生物悬浮填料，其特征在于：由包含以下重量份的原料制成：
高密度聚乙烯树脂90-110份、蔗糖颗粒20-35份、煅烧牡蛎壳粉5-10份和助剂1-3份。
2.根据权利要求1所述的改性生物悬浮填料，其特征在于：所述蔗糖颗粒与高密度聚乙烯的重量比为（0.21-0.27）：1。
3.根据权利要求2所述的改性生物悬浮填料，其特征在于：所述蔗糖颗粒的平均粒径为1-2.2mm。
4.根据权利要求1所述的改性生物悬浮填料，其特征在于：所述煅烧牡蛎壳粉由包括以下制备方法制得：
将牡蛎壳粉以15-20℃/min的速率加热到200-220℃，保持15-30min，随后降至20-30℃，得到煅烧牡蛎壳粉。
5.根据权利要求1所述的改性生物悬浮填料，其特征在于：所述助剂包括塑化剂、炭黑和二氧化钛。
6.根据权利要求5所述的改性生物悬浮填料，其特征在于：所述炭黑的重量占助剂总量的27%-42%。
7.根据权利要求1所述的改性生物悬浮填料，其特征在于：所述改性生物悬浮填料的密度为1.09-1.10g/cm3。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的改性生物悬浮填料，其特征在于：所述改性生物悬浮填料中还包括改性蒙脱土，所述改性蒙脱土的重量占高密度聚乙烯树脂重量的2%-5%。
9.根据权利要求8所述的改性生物悬浮填料，其特征在于：所述改性蒙脱土由镁盐、铝盐或锌盐对蒙脱土改性制得。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的改性生物悬浮填料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将高密度聚乙烯、煅烧牡蛎壳粉和助剂按比例混合，挤出造粒，得到混合料；
将混合料在125-135℃下挤塑成型，在成型的过程加入蔗糖颗粒，制得改性生物悬浮填料。
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