CN1613798A - 一种用于废水生物处理的载体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物载体，针对目前使用的载体颗粒易破碎、传质阻力大、产气上浮等问题，公开了一种用于废水生物处理的载体及其制备方法，是采用PVA与配料混合、冷冻初定型、甲醛交联液预交联、干燥、粉碎、筛分、交联、水洗和干燥方法制得的，具有易成型、固定微生物性能好、制备和使用方便等优点。

Description

一种用于废水生物处理的载体及其制备方法
                     一、技术领域：
本发明涉及一种生物载体，具体涉及一种应用于废水生物处理的微生物固定化载体。
                     二、背景技术：
固定化微生物处理有机废水的关键是选择合适的微生物载体。PVA是日本学者首先开发的一种高分子包埋材料，由于无毒、抗微生物分解、机械强度高及价廉等特点而受到重视。研究结果表明细菌的成活率和处理废水的效率都令人满意。但其存在包埋颗粒易破碎、传质阻力大、产气上浮及活性丧失等缺陷。现多数研究采用的聚乙烯醇水凝胶是利用冷冻法(或者在冷冻过程中加入氯化钙)制备的。冷冻法水凝胶的成型机理是冷冻解冻过程中的聚乙烯醇物理结晶形成交联点，进而形成网络结构。由于冷冻法制得的聚乙烯醇水凝胶颗粒内部的结晶不够完善，从而在试验过程中导致废水处理的曝气池中产生大量的泡沫，这不仅使处理水的COD数值增加，而且水凝胶的使用寿命会较大幅度地降低。另外，含有氯化钙的水凝胶虽然聚乙烯醇溶出较少，但在使用过程中，钙离子不可避免地会和废水中的某些阴离子解放形成沉淀物，从而降低了处理效率。
所以现在使用的微生物载体主要存在以下问题：包埋颗粒易破碎、传质阻力大、产气上浮及活性丧失等缺陷；目前大多采用硼酸做交联剂，但存在如交联液pH4，致使固定化微生物活性较低以及PVA与硼酸反应慢，PVA凝胶成球困难等问题；由于冷冻法制得的聚乙烯醇水凝胶颗粒内部的结晶不够完善，从而在试验过程中导致处理废水的曝气池中产生大量泡沫，这不仅使处理出水的COD数值增加，而且水凝胶的使用寿命会较大幅度地降低，另外，含有氯化钙的水凝胶虽然聚乙烯醇溶出较少，但在使用过程中，钙离子不可避免地会和废水中的某些阴离子形成沉淀物，从而降低了处理效率；目前使用PVA凝胶固定微生物一般采用包埋法：将PVA加热后溶于水，在其水溶液中加入添加剂后发生凝胶化，或在低温下(-10℃)冷冻形成凝胶，从而将微生物包埋固定在凝胶网络中，但目前固定化细胞的大量工业化制备技术还不能满足在工程上大规模应用。
                     三、发明内容：
针对以上问题，本发明公开了一种采用PVA与配料混合、冷冻初定型、甲醛交联液预交联、干燥、粉碎、筛分、交联、水洗和干燥方法制得的用于废水生物处理的载体。
本发明还公开了用于废水生物处理的载体的制备方法：将PVA与配料海藻酸钠、还原铁粉、CaCO3 0.3％、SiO2粉混合制得PVA水凝胶溶液，可根据需要调节载体的比重，根据所需粒径，采用冷冻法将材料用模具进行初次定型，然后在温度25-30℃采用甲醛交联液进行预交联，自然风干或60℃以下低温烘干，再用粉碎机将成片的载体粉碎，用筛网分选出所需粒径的产品，再次在25-30℃与甲醛交联液交联反应，反应后用水洗去交联液，得到湿载体，也可自然风干或60℃以下低温烘干制得干载体。载体一般为乳白色和淡红褐色的小颗粒。
本发明中载体可采用吸附法固定微生物，如将载体与微生物一起混合培养使微生物附着在载体上，而且载体可在3-5天内形成微生物膜，载体固定微生物菌群丰富，吸附生物量大。
上述配料成分及用量：海藻酸钠1～5％，还原铁粉2％，CaCO3 0.3％，SiO2粉4％；甲醛交联液：甲醛25g/L，Na2SO4 150g/L，硫酸200g/L
制作PVA水凝胶溶液方法为：称取定量的PVA固体用自来水洗涤2到3次，浸泡过夜，配成8％的PVA溶液；水浴加热，保持温度在95℃以上，不停搅拌至PVA完全溶解，加热过程中如发现有失水情况立即补加水份，再小心倒入预先已配好的海藻酸钠、还原铁粉、CaCO3和SiO2粉，边倒边搅拌，防止粉末聚成球状未溶物，继续搅拌，直至加入的配料在水凝胶里混合均匀。
本载体最适干密度为0.6281g/cm3，湿密度为1.0757g/cm3，固定微生物后密度为1.0-1.5g/cm3，吸水膨胀率为246.15％；沉降性能良好，沉降速率为0.0159m/s。
本发明生物载体具有以下优点：
1.这种工艺制备的PVA颗粒载体易成型，还可控制颗粒的粒径和比重；PVA不易溶出；通过吸附可固定丰富的微生物菌群，不需要预先包埋，解决了工业化大规模制备包埋固定化凝胶的问题。该载体易于流化，使生物膜和基质充分接触反应，提高降解效率，同时降低能耗。
2.固定微生物性能好：经扫描电镜测试，该载体可固定丰富的微生物菌群，形成生物膜。
3.不用预先包埋微生物，可直接采用吸附法进行固定化，适合在大规模生产性处理装置中应用。
                       四、具体实施方式
实施例1
首先制取PVA水凝胶溶液，PVA水凝胶溶液的成份：PVA 8％，海藻酸钠1％，还原铁粉2％，CaCO3 0.3％，SiO2粉4％；甲醛交联液：甲醛25g/L，NaSO4150g/L，硫酸200g/L
制作方法：先按照上述比例称取定量的PVA固体用自来水洗涤2到3次，加水浸泡过夜，配成8％的PVA溶液；再水浴加热，保持温度在95℃以上，不停搅拌至PVA完全溶解，加热过程中如发现有失水情况立即补加水份；再小心倒入预先已配好的海藻酸钠、还原铁粉、CaCO3和SiO2粉，边倒边搅拌，防止粉末聚成球状未溶物。继续搅拌，直至加入的配料在水凝胶里混合均匀；然后准备定型模具，根据所需制备的载体粒径而定，以制备粒径0.5-1.0mm粒径的载体为例，模具为长方形，长宽可自定，但高度为粒径的大小1mm。内部铺上聚乙烯(PE)薄膜；将溶解好的PVA水凝胶溶液趁热倒入模具中，涂抹均匀，用模具盖板压上；将压好的模具放入冷冻装置中，-4℃冷冻24h以上。冷冻完成后取出模具，放入自来水中浸泡解冻，解冻后打开模具，取出凝胶膜，放入甲醛交联液中30℃下交联0.5小时。取出交联后的凝胶膜，用清水漂洗数次，放在干燥通风的地方摊开自然晾干，如果晾后不硬脆，可在60℃下烘干数小时；将完全干硬后的载体用粉碎机粉碎，过筛，选出0.15～1.0mm的载体颗粒，选出的载体颗粒用甲醛交联液在30℃下交联1小时以上，完成后用清水漂洗数次，即得到湿载体，最后放入容器中保存。若在60℃下烘干数小时，即得干载体。
实施例2
PVA水凝胶溶液的成份：PVA溶液：PVA 8％，海藻酸钠2％，还原铁粉2％，CaCO3 0.3％，SiO2粉4％；甲醛交联液：甲醛25g/L，NaSO4 150g/L，硫酸200g/L
制作方法：按照上述比例称取定量的PVA固体用自来水洗涤2到3次，浸泡过夜，配成8％的PVA溶液；水浴加热，保持温度在95℃以上，不停搅拌至PVA完全溶解，加热过程中如发现有失水情况立即补加水份，再小心倒入预先已配好的海藻酸钠、还原铁粉、CaCO3和SiO2粉，边倒边搅拌，防止粉末聚成球状未溶物，继续搅拌，直至加入的配料在水凝胶里混合均匀；准备定型模具，根据所需制备的载体粒径而定，以制备粒径0.5-1.0mm粒径的载体为例，模具为长方形，长宽可自定，但高度为粒径的大小1mm。内部可铺上聚乙烯(PE)薄膜。将溶解好的PVA水凝胶溶液趁热倒入模具中，涂抹均匀，再用模具盖板压上；将压好的模具放入冷冻装置中，-4℃冷冻24h以上；冷冻完成后取出模具，放入自来水中浸泡解冻。解冻后打开模具，取出凝胶膜，放入甲醛交联液中25℃下交联1小时；取出交联后的凝胶膜，用清水漂洗数次，放在干燥通风的地方摊开自然晾干(室温约25℃)；将完全干硬后的载体用粉碎机粉碎，过筛，选出0.15～1.0mm的载体颗粒；将选出的载体颗粒用甲醛交联液在25℃下交联1小时以上，完成后用清水漂洗数次，即得到湿载体，最后放入容器中保存。若在60℃下烘干数小时，即得干载体。
实施例3
在有效容积为15L好氧内循环流化床反应器中，将载体与微生物一起混合培养，基质为葡萄糖配水经厌氧生物处理后的出水，COD1500-2000mg/L，进水量30L/d，反应器有机负荷为3-6gCOD/d·L，废水处理后出水COD100-150mg/L，COD去除率可达到90-95％。载体可在3-5天内形成微生物膜，经扫描电镜观察，载体固定微生物菌群丰富，该载体吸附生物量可达到0.204g/cm3。

Claims (6)

1、一种用于废水生物处理的载体，其特征是：本载体采用PVA与配料混合、冷冻初定型、甲醛交联液预交联、干燥、粉碎、筛分、交联、水洗和干燥方法制得。
2、权利要求1所述的用于废水生物处理的载体的制备方法为：将PVA与配料海藻酸钠、还原铁粉、CaCO3、SiO2粉混合制得PVA水凝胶溶液，可根据需要调节载体的比重，根据所需粒径，采用冷冻法将材料用模具进行初次定型，然后在温度25-30℃采用甲醛交联液进行预交联，自然风干或60℃以下低温烘干，再用粉碎机将成片的载体粉碎，用筛网分选出所需粒径的产品，再次在25-30℃与甲醛交联液交联反应，反应后用水洗去交联液，得到湿载体，也可自然风干或60℃以下低温烘干制得干载体。
3、根据权利要求2所述的用于废水生物处理的载体的制备方法，其特征是：上述配料成分及用量：海藻酸钠1～5％，还原铁粉2％，CaCO3 0.3％，SiO2粉4％；甲醛交联液：甲醛25g/L，Na2SO4 150g/L，硫酸200g/L。
4、根据权利要求2或3所述的用于废水生物处理的载体的制备方法，其特征是：制作PVA水凝胶溶液方法为称取定量的PVA固体用自来水洗涤2到3次，浸泡过夜，配成8％的PVA溶液；水浴加热，保持温度在95℃以上，不停搅拌至PVA完全溶解，加热过程中如发现有失水情况立即补加水份，再小心倒入预先已配好的海藻酸钠、还原铁粉、CaCO3和SiO2粉，边倒边搅拌，防止粉末聚成球状未溶物，继续搅拌，直至加入的配料在水凝胶里混合均匀。
5、根据权利要求1所述的用于废水生物处理的载体，其特征是：载体最适干密度为0.6281g/cm3，湿密度为1.0757g/cm3，固定微生物后密度为1.0-1.5g/cm3，吸水膨胀率为246.15％；沉降性能良好，沉降速率为0.0159m/s。
6、权利要求1所述的载体可与微生物一起混合培养使微生物附着在载体上，固定微生物性能好，活性高，处理废水效果好。
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