CN115520957A - 一种用于强化耐低温菌群处理厕所粪便黑水的改性聚氨酯海绵填料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于强化耐低温菌群处理厕所粪便黑水的改性聚氨酯海绵填料及其制备方法。本发明中以聚氨酯海绵填料为基体，依次经由强氧化剂氧化腐蚀‑磁性负载‑混合多孔材料负载改性。本发明通过氧化腐蚀可以提升聚氨酯海绵填料表面粗糙度，增大比表面积，为微生物提供足够的生存空间，为多孔材料提供足够的附着位点；通过磁性负载可以在填料附近形成微磁场，可以强化微生物的代谢功能，有利于微生物的生长与代谢；将活性炭‑硅藻土负载在聚氨酯填料表面可以增强其表面吸附效果，为微生物的生长和增值提供充足的营养物质，有利于耐低温菌群的生长与增殖，强化低温条件下厕所粪污黑水的处理效果。
Description
技术领域
本发明涉及厕所粪便黑水处理领域，具体涉及一种用于强化耐低温菌群处理厕所粪便黑水的改性聚氨酯海绵填料及其制备方法。
背景技术
随着农村厕所普及率的提升，化粪池作为最普遍的粪便污水处理技术，其应用愈发广泛。黑水又被称作粪便污水，主要指包括粪便以及冲厕水的厕所污水。粪尿是人体消化系统和泌尿系统的生理排泄物，其含有丰富的氮、磷、钾以及微量元素等，同时富含有机质使其可作为优质肥料，而同时高氮磷含量对其处理技术提出了更高的要求。化粪池是一种常见的生活污水处理设施，污水在化粪池中经过沉淀分离与厌氧发酵后，对SS和CODCr的去除率分别可以达到60～70％和30％～80％，但化粪池对于氮磷元素的去除效率较低，且处理过程中不可避免地会产生菌体流失现象。同时，由于低温会抑制生物酶活性，不利于微生物的繁殖，导致低温条件下化粪池出水更易发生超标现象。
通过在化粪池中投加悬浮填料，使生物质附着生长在填料内外表面上，可以有效减少微生物的流失现象，更好的维持化粪池内的微生物浓度，同时在长时间的运行条件下，有利于特定菌群的富集，以提高化粪池的处理效果。与其他填料相比，聚氨酯海绵填料孔隙率和比表面积较高，可以为微生物提供充足的生存空间，保持足够的微生物数量。然而，由于聚氨酯海绵的表面光滑，微生物与填料间的吸附性较弱，抗冲刷能力较弱，不利于生物膜的形成，从而限制了反应器的应用和性能。本发明旨在提供一种改性聚氨酯海绵填料，通过改善填料的表面性能，以强化耐低温菌群处理厕所粪便黑水的性能。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种改性聚氨酯海绵填料的制备方法和用途，旨在改善聚氨酯填料的表面性能，增强吸附效果，提高填料的微生物负载量，减少微生物生物流失；同时在改性填料的吸附作用下实现耐低温菌群的富集，以强化化粪池在低温条件下的黑水处理效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种聚氨酯海绵填料的改性方法，所述方法将聚氨酯海绵填料进行系列改性处理，使得改性后聚氨酯海绵填料比表面积增大、表面负载多孔材料、带有磁性，吸附性能明显改善。
本发明所述改性方法包括以下步骤：将块状聚氨酯海绵浸泡在高锰酸钾-硫酸混合溶液中并超声处理，之后洗涤至溶液pH呈中性后取出；然后将所得填料放入硫酸亚铁溶液中，加入氨水调节至碱性，之后在空气中氧化、干燥；再将干燥的聚氨酯海绵填料放在含有活性炭粉末和硅藻土的改性溶液浸泡，干燥即得到改性聚氨酯。
具体的，所述改性方法包括以下步骤：
步骤1：将块状聚氨酯海绵浸泡在特定摩尔配比的高锰酸钾-硫酸混合溶液中，在40～60℃下采用100-140W超声功率氧化腐蚀20～25min，然后分别使用3～5mol/L盐酸溶液与0.01～0.02mol/L磷酸盐缓冲溶液洗涤2～3次，至溶液pH呈中性后取出；
步骤2：将步骤1所得填料放入硫酸亚铁溶液中，加入氨水，将pH调节至8±0.5，搅拌1～2h取出，在空气中氧化4～6h后，在50～70℃干燥；
步骤3：20～30℃下，将干燥后的聚氨酯海绵填料浸泡在含有活性炭粉末和硅藻土的改性溶液中2～4h，结束后在50～70℃干燥即得到改性聚氨酯海绵填料。
优选地，步骤1中，特定配比的高锰酸钾-硫酸混合溶液中，高锰酸钾和硫酸的摩尔比为1：3～1：4，硫酸浓度为1～3mol/L。
优选地，步骤1中，所述pH呈中性是指pH为6.5～7.5。
优选地，步骤2中，所述硫酸亚铁溶液优选七水硫酸亚铁溶液，配制过程中使用煮沸后的蒸馏水配制，且搅拌过程中通N2保持无氧环境。
优选地，步骤2中，所述七水硫酸亚铁溶液的浓度为0.1～0.2mol/L。
优选地，步骤2中，氨水的体积分数为2％～5％。
优选地，改性溶液为水性聚氨酯的水溶液，水性聚氨酯和超纯水的质量比为3：1～4：1；
优选地，改性溶液中添加硅藻土与活性炭粉末，二者质量比为1:1，粒径均为300-500目。
优选地，改性溶液中，硅藻土或活性炭粉末的浓度为3～5g/L。
本发明还提供了上述改性方法制备得到的改性聚氨酯海绵填料。
本发明提供了一种处理厕所粪便黑水的方法，所述方法采用上述改性聚氨酯海绵填料吸附生物质。
本发明还提供了一种处理厕所粪便黑水的装置，所述装置包括上述改性聚氨酯海绵填料。
本发明还提供了上述改性聚氨酯海绵填料在污水处理领域的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过强氧化剂的氧化腐蚀可以有效改善填料表面地粗糙度，增大其比表面积，不仅可以为多孔材料的附着提供充足的附着位点，同时也可以为耐低温微生物提供了充足的生存空间，提升耐低温微生物的负载量，提升填料的抗冲击性能；
(2)本发明中通过磁性负载，使得填料附近呈现微磁场，在低温条件下可以通过磁场的作用调节微生物内部酶活动的磁场条件，有利于强化耐低温微生物的代谢功能，促进耐低温菌群的生长、繁殖与代谢，从而提高低温污水处理效果。
(3)本发明中附着在填料表面的活性炭和硅藻土，可以增强填料对污染物和氧气的吸附效果，为微生物的生长繁殖提供充足的营养物质，有利于耐低温菌群的生长与增殖，提升低温条件下黑水处理效果。
附图说明
图1是实施例1～3和对比例1～2制得的改性聚氨酯海绵填料在低温条件下对粪便黑水的处理中COD去除率随时间变化情况的折线图。
具体实施方式
下面通过实例结合附图进一步说明本发明：
实施例1
一种用于强化低温条件下粪便黑水处理的改性聚氨酯海绵填料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：配置摩尔比为1：3的高锰酸钾-硫酸溶液，其中，硫酸浓度为1mol/L，将聚氨酯海绵浸没在溶液中，50℃下，100W超声20min；取出海绵填料，分别将其浸没于3mol/L盐酸溶液和0.01mol/L磷酸盐缓冲溶液中洗涤2～3次；
步骤2：将步骤1所得填料放入0.1mol/L的七水硫酸亚铁溶液中，加入体积分数为2％的氨水，将pH调节至8±0.5，搅拌1h取出，在空气中氧化4h后，在烘箱内60℃烘干；
步骤3：在质量比为3：1的水性聚氨酯水溶液中，加入3g活性炭和3g硅藻土，使得活性炭和硅藻土浓度均为3g/L，两种固体粒径均为300目。室温条件下，将洗涤后的聚氨酯海绵填料在上述溶液中浸泡2h，结束后于烘箱中60℃烘干即得改性聚氨酯填料；
实施例2
一种用于强化低温条件下粪便黑水处理的改性聚氨酯海绵填料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：配置摩尔比为1：3.5的高锰酸钾-硫酸溶液，其中，硫酸浓度为2mol/L，将聚氨酯海绵浸没在溶液中，50℃下，125W超声22min；取出海绵填料，分别将其浸没于4mol/L盐酸溶液和0.015mol/L磷酸盐缓冲溶液中洗涤2～3；
步骤2：将步骤1所得填料放入0.15mol/L的七水硫酸亚铁溶液中，加入体积分数为3％的氨水，将pH调节至8±0.5，搅拌1h取出，在空气中氧化5h后，在烘箱内60℃烘干；
步骤3：在质量比为3.5：1的水性聚氨酯水溶液中，加入4g活性炭和4g硅藻土，使得活性炭与硅藻土浓度均为4g/L，两种固体粒径均为400目，室温条件下，将洗涤后的聚氨酯海绵填料在上述溶液中浸泡3h，结束后于烘箱中60℃烘干即得改性聚氨酯填料；
实施例3
一种用于强化低温条件下粪便黑水处理的改性聚氨酯海绵填料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：配置摩尔比为1：4的高锰酸钾-硫酸溶液，其中，硫酸浓度为3mol/L，将聚氨酯海绵浸没在溶液中，50℃下，140W超声25min；取出海绵填料，分别将其浸没于5mol/L盐酸溶液和0.02mol/L磷酸盐缓冲溶液中洗涤2～3次；
步骤2：将步骤1所得填料放入0.2mol/L的七水硫酸亚铁溶液中，加入体积分数为4％的氨水，将pH调节至8±0.5，搅拌1h取出，在空气中氧化6h后，在烘箱内60℃烘干；
步骤3：在质量比为4：1的水性聚氨酯水溶液中，加入5g活性炭和5g硅藻土，使得活性炭与硅藻土浓度均为5g/L，两种固体粒径均为500目，室温条件下，将洗涤后的聚氨酯海绵填料在上述溶液中浸泡4h，结束后于烘箱中60℃烘干即得改性聚氨酯填料；
对比例1
除不进行活性炭和硅藻土负载外，其余同实施例2，包括以下步骤：
步骤1：配置摩尔比为1：3.5的高锰酸钾-硫酸溶液，其中，硫酸浓度为2mol/L，将聚氨酯海绵浸没在溶液中，50℃下，125W超声22min；取出海绵填料，分别将其浸没于4mol/L盐酸溶液和0.015mol/L磷酸盐缓冲溶液中洗涤2～3次；
步骤2：将步骤1所得填料放入0.15mol/L的七水硫酸亚铁溶液中，加入体积分数为3％的氨水，将pH调节至8±0.5，搅拌1h取出，在空气中氧化5h后，在烘箱内60℃烘干即得改性聚氨酯填料。
对比例2
除不进行磁负载外，其余同实施例2，包括以下步骤：
步骤1：配置摩尔比为1：3.5的高锰酸钾-硫酸溶液，其中，硫酸浓度为2mol/L，将聚氨酯海绵浸没在溶液中，50℃下，125W超声22min；取出海绵填料，分别将其浸没于4mol/L盐酸溶液和0.015mol/L磷酸盐缓冲溶液中洗涤2～3次；
步骤2：在质量比为3.5：1的水性聚氨酯水溶液中，加入4g活性炭和4g硅藻土，使得活性炭与硅藻土浓度均为4g/L，两种固体粒径均为400目，室温条件下，将洗涤后的聚氨酯海绵填料在上述溶液中浸泡3h，结束后于烘箱中60℃烘干即得改性聚氨酯填料。
则应用上述实施例和对比例的试验方法：将实施例1～3及对比例1～2制得的用以低温条件下处理粪便黑水的改性聚氨酯海绵填料分别装入模拟的四格化粪池反应器中，四个格室体积比为1：2：1：2，HRT＝24h，反应器生物反应池体积为12.75L，试验所用废水为模拟厕所粪便黑水，COD浓度为1500mg/L，由COD贡献比为1:4:2:2的淀粉、葡萄糖、乙酸钠、丙酸钠构成；氨氮浓度为120mg/L，TP为12mg/L，K+为20mg/L，Na+为30mg/L，NO3 -为3mg/L，NO2 -为2mg/L，其他微量元素：Fe3+为0.2mg/L，Zn2+为0.15mg/L，Mo6+为0.05mg/L，Mn2+为0.06mg/L，Cu2+为0.03mg/L，Ca2+为0.16mg/L，Mg2+为0.15mg/L，Co2+为0.05mg/L，EDTA为0.1mg/L，pH为7.2～7.4，温度为10±2℃，在此条件下连续运行30d。反应过程中COD随时间变化情况如图1所示。
从图1可知，本发明实施例1～3制得的用于强化低温条件下厕所粪便黑水处理的改性聚氨酯海绵载体对模拟厕所粪便黑水的COD去除率最高达到了93％以上，与对比例1～2相比去除效果提升显著，表明本发明提供的用于强化低温条件下厕所粪便黑水处理的改性聚氨酯海绵载体对耐低温菌群的生长和增值具有显著的改善效果，在厕所粪便黑水处理领域有着良好的应用前景。
上述的实施例的描述仅为本发明的具体实施方式，而不是对其进行限制，本发明的保护范围远不止于此范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，不脱离本发明范畴所做的可轻易想到改进或修改，都应在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种聚氨酯海绵填料的改性方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将块状聚氨酯海绵浸泡在高锰酸钾-硫酸混合溶液中并超声处理，之后洗涤至溶液pH呈中性后取出；然后将所得填料放入硫酸亚铁溶液中，加入氨水调节至碱性，之后在空气中氧化、干燥；再将干燥的聚氨酯海绵填料放在含有活性炭粉末和硅藻土的改性溶液浸泡，干燥即得到改性聚氨酯。
2.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将块状聚氨酯海绵浸泡在特定摩尔配比的高锰酸钾-硫酸混合溶液中，在40～60℃下采用100-140W超声功率氧化腐蚀20～25min，然后分别使用3～5mol/L盐酸溶液与0.01～0.02mol/L磷酸盐缓冲溶液洗涤2～3次，至溶液pH呈中性后取出；
步骤2：将步骤1所得填料放入硫酸亚铁溶液中，加入氨水，将pH调节至8±0.5，搅拌1～2h取出，在空气中氧化4～6h后，在50～70℃干燥；
步骤3：20～30℃下，将干燥后的聚氨酯海绵填料浸泡在含有活性炭粉末和硅藻土的改性溶液中2～4h，结束后在50～70℃干燥即得到改性聚氨酯海绵填料。
3.根据权利要求2所述的改性方法，其特征在于，步骤1中，特定摩尔配比的高锰酸钾-硫酸混合溶液中，高锰酸钾和硫酸的摩尔比为1：3～1：4，硫酸浓度为1～3mol/L。
4.根据权利要求2所述的改性方法，其特征在于，步骤2中，所述硫酸亚铁溶液优选七水硫酸亚铁溶液，所述七水硫酸亚铁溶液的浓度为0.1～0.2mol/L。
5.根据权利要求2所述的改性方法，其特征在于，步骤3中，改性溶液为水性聚氨酯的水溶液，水性聚氨酯和超纯水的质量比为3：1～4：1。
6.根据权利要求2～5任一项所述的改性方法，其特征在于，改性溶液中添加硅藻土与活性炭粉末，二者质量比为1:1，粒径均为300-500目。
7.根据权利要求1～6任一项所述的改性方法制备得到的改性聚氨酯海绵填料。
8.一种处理厕所粪便黑水的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求7所述的改性聚氨酯海绵填料吸附生物质。
9.一种处理厕所粪便黑水的装置，其特征在于，所述装置包括权利要求7所述的改性聚氨酯海绵填料。
10.权利要求7所述的改性聚氨酯海绵填料在污水处理领域的应用。
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| CN202211141610.4A CN115520957A (zh) | 2022-09-20 | 2022-09-20 | 一种用于强化耐低温菌群处理厕所粪便黑水的改性聚氨酯海绵填料及其制备方法 |
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2022
- 2022-09-20 CN CN202211141610.4A patent/CN115520957A/zh active Pending
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