TW200531926A - Bacteria carrier material - Google Patents

Description

200531926 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種由非金屬無機粒子及塑膠顆粒製成之 複5材料，其尤其適用作細菌載體材料。該載體材料之較 i應用領域為汙水處理廠之生物學階段。 【先前技術】 在當今用於汙水處理之大多數生物學處理中，微生物的 旎力基本上在於其藉由使用氧氣來氧化有機毒素。因此， 對於汙水處理廠的操作而言，提供一在該等廠中為細菌提 供有利生存條件之載體材料具有重大意義。就此而言，一 方面，提供一於其上可供細菌形成菌落之最大可能表面係 具有決定重要性，$時，另—方面，若該載體材料具有對 應於待處理液體密度之比密度，以使得該載體材料懸浮於 該液體中且可藉由現有液體流而進行循環，則較為有利。 具優勢的細菌載體之另一標準為存在足夠平滑之表面，以 可使在4材料上所形成的含有飽和細菌之污泥不時地自該 載體上掉落，&而為新細菌生長提供空間’且因而為處理 單元之再生提供空間。 幼蟲及/或礫石已知為係用作固定濾床過濾器中之細菌 載體。然而，此變型有別於其它者之處在於其具有該載= 比水密度更大且因而無法懸浮之缺陷。另一缺陷為產生报 大程度上的壓力損耗。將該等材料用作汙水處理廠中之2 囷載體的又一缺陷為在此狀況中無法令人滿意地解決污穴 問題，及此類載體材料具有太小的表面面積之事實。 98381.doc 200531926 此外’特定而言，塑膠载體係已知為基於模製體而用於 汙水處理廠中。然而，其有別於其它者之處在於最大值達 600 m2/m3之小的表面面積及其局部漂浮傾向。 雖然基於陶瓷之載體亦無法令人滿意，因為一方面苴不 能懸浮，且另-方面其生產成本過於昂貴，但該等基ς陶 瓷之載體亦為可用。 【發明内容】 對於上述先前技術而言，本發明之目的在㈣ρ㈣ 於汙水處理廒中之細菌載體材料，且其具有用於細菌建群 之高度比表面積’且其能夠懸浮於汗水處理廠中之水介質 中’且其可藉由足夠光滑的表面’使污泥及飽 操 作期間掉落。 此目的可根據本發明藉由如請求項k複合材料而達 成。在附屬請求項2及3中描述了該複合材料之較佳實施例。 本發明亦係關於根據本發明之複合材料用作 材料之用途。本發明之此態樣描述於請求項山中。 本發明進一步係關於一種 粗沾十义 很據本發明之複合材 ； / 。遠方法描述於請求項7及§中。 【實施方式】 h定義

口孔隙率之意義上使用 ”。因此該等術語係關 若未明確指出，本說明書在開 術語”微孔，，、”多孔，，及，，孔隙率 於自外部可接近之微孔。 1.2 使用如DIN 66131之BET方法 藉由氮吸收來測定，，比 98381.doc 200531926 表面積’’。 1.3 使用如 DIN 66133之壓汞儀（mercury porosimetry)來測 定可接近（開口）’’孔隙率’’。 1·4 藉由如DIN 53477之篩分分析來測定π粒子尺寸”。 1.5 藉由公式（I )來界定’’孔隙率’’， P = V X 100%/(1/S + V) (I) 其中，P為孔隙率[%]、S為真正密度[g/ cm3]及V為特定微 孔體積[cm3/g]。 1·7藉由如DIN 66133之壓汞儀來測定，，特定微孔體積，，及 π微孔尺寸π。當藉由壓汞儀量測特定微孔體積時，滲 入樣品中的水銀數量必須同所需壓力一同測定。藉由 遠荨資料’使用已知的水銀毛細管力，可得到微孔體 積及微孔尺寸。基於水銀僅可滲入至可接近之微孔中 的事實’在量測期間僅彳貞測開口孔隙率。 1.8藉由如DIN 66137-2之量測取得，，真正密度”（固體密 度）。 2 ·非金屬無機材料 用於根據本發明之複合材料中的非金屬無機材料呈有提 供用於細菌建群之足夠大的表面面積之任務。除比表面積 的尺寸之外，狀細㈣敎適宜性具#衫重要性的係 其結構。特定而言，若非全屬I腺 ，' 升至屬無機材枓具有自外部可接近 且不太小的微孔，則其較佳地適用 "、、、、田囷建群，以確保盘 周圍介質之間的高度材料交換。 〃 根據本發明，具有以下转傲 下特欲之惰性材料滿足上文所陳述 98381.doc 200531926 之要求·· -在10,〇〇〇 m2/m3至1，000,000 m2/m3範圍内之一比表面積， -在10%至80%範圍内之孔隙率， -其中至少50%的微孔具有在0.1 μηι至1000 μηι範圍内之尺 寸，及 -其中超過50%的粒子具有在〇·1 mm至50 mm範圍之尺寸。 比表面積在25,000 m2/m3及500,000 m2/m3範圍内之材料 係較佳。比表面積在100,000 m2/m3及500,000 m2/m3範圍内 之材料係尤其較佳。類似地，有利地使用其中至少8〇%的 微孔在0·5 μηι與100 μηι之尺寸範圍内，較佳在5 (^與％ μιη 之間的材料。亦較佳地是，70%的材料具有在〇1 mmS5〇 mm範圍内’且尤其較佳地在1 mm與2〇 mm之間的粒子尺 寸。亦較佳使用（開口）孔隙率在40%至80%範圍内且較佳在 50%至70%範圍内之材料。 非金屬無機材料（類似於下文所述之塑膠材料）有別於其 它者之處亦在於：在將其用作細菌載體材料的周圍介質（意 即，通常在水介質中）巾’其為惰性的，即，其既非可溶性 的亦不經歷化學反應。 並未對非金屬無機材料之化學組成進行更詳細地規定， 但前提條件是其滿足上述要求。舉例而言，根據本發明可 使用下列非金屬無機材料··沸石、 ，古性厌、黏土顆粒、多 孔矽酸鹽材料。 在DE 100 22 798中揭示一種尤1私从 裡尤其較佳的材料。 藉由使用習知技術來製造根攄 艨本發明之非金屬無機材 98381.doc 200531926 料。 精由研磨及/或篩分而獲取非金屬無機材料之合適的粒 子尺寸。 3·塑膠顆粒 一方面’適用於本發明之塑膠顆粒具有此目的，即，藉 由與非金屬無機材料之組合，以使得該複合材料具有與周 圍介質之比密度相對應的比密度，從而使該複合材料能夠 懸浮於此介質中。 另一方面，該塑膠材料具有相對於非金屬無機材料而言 的平滑平面，可實現污泥及飽和細菌自該複合材料表面之 脫落。 為實現此目的，若塑膠顆粒具有在〇·6 g/cm3至 g/cm，較佳在〇·9 g/cm3至hl g/cm3範圍内之比密度且具有 在50 m /m至1〇〇〇 m2/m3，較佳在1〇〇 至5的以2/爪3範 圍内之比表面積且若該等塑膠顆粒中5〇%以上的塑膠顆料 具有在5 mm至1〇〇 mm，且較佳在8❿^^至⑼範圍内之顆 粒尺寸，則其係具優勢的。 基本上任何歸材料均適用於本發明，前提條件是滿足 上述標準之顆粒係可由此等材料製成。適用於本發明之典 型塑膠為PE(聚乙烯）、PP(^ $ η。 〜（來丙烯）、PS(聚苯乙烯）、PU(聚 胺基甲酸酉旨）、ABS(丙嫌赔丁 _ 0 # 碲猾-丁一烯-本乙烯）及PVC(聚氯乙 塑膠顆粒之形狀並未特定， 了使用球形、碟狀、鏡片形 或立方體形顆粒及經混合之形 〜狀以及所有無規則狀顆粒。 98381.doc 200531926 藉由製造過程而確定顆粒之尺寸及形狀。 4.複合材料 '复5材料之基本態樣在於存在非金屬無機材料粒子盘、 膠顆粒兩者。該等組份之相對質量比率通常在(非金屬無： 材料：塑膠顆粒)85:15至15:85的範圍内。該等組份之確實 質量比可易於自複合材料所要之比密度且自該等組份之比 密度中測定，且其可易於為熟習此項技術者所測定。 备δ亥複合材料用作汙水處理廠中之細菌載體材料時，其 所需要的比密度係藉由處理廠中介質之比密度而確定的: 對於顆粒變成懸浮狀態之能力而言，可有利地選擇複合材 料之比密度以使其偏離介質之比密度不多於20%。仍更佳 的係比密度偏離介質之比密度不多於10%之複合材料。尤 其較佳的係比密度在介質之比密度的± 5%範圍内之複合材 料。舉例而言，對於比密度為1 g/cm3之介質而言，此意指 該複合材料之比密度在〇·8 g/cm3SL2 g/cm3範圍内，較佳 在〇·9 g/cm3至1.1 g/cm3範圍内，且尤其較佳地在〇 95 g/cm3 至1.05 g/cm3範圍内。 該複合材料之組份有利地相互結合，以使得在使用時（例 如’用於汙水處理廠之操作）中能夠承受在此處產生之機械 負荷。該等組份之結合方式並未詳細地特定指出，且其可 包括於塑膠顆粒熔融期間之擠壓及該等組份之膠合。 該複合材料内該等組份之空間排列亦並未詳細地特定指 出。因此，在根據本發明之複合材料中，除了非金屬無機 材料粒子與塑膠顆粒之間的接觸位點以外，該等非金屬無 98381.doc -10 - 200531926 機粒子内#此之間及/或言亥等塑膠顆纟内彼此之間可存在 接觸位點。 亦較佳選擇該複合材料之該等組份且將其彼此相互組 合2，3以使該複合材料之比表面積在500 1112/1113至75〇,〇〇〇 m /m且尤其較佳地在1〇,〇〇〇 至7〇〇,〇⑼“Μ3範圍 内。該複合材料之顆粒尺寸及形狀基本上未特定。然而， 々具有圓形基底表面、直徑在i cm錢cm，較佳在2咖至 耗圍内且厚度在2 _至2() mm，較佳在5随至⑺咖範圍 内之碟狀顆粒已證實係較為有利，藉此該等碟狀顆粒可相 對具有較大的中空空間。 5·複合材料之用途 根據本發明之複合材料尤其適用作在汙水處理廠之生物 處理階段中的細菌載體材料。其所使用量通常為以體積計 相田於反應谷器之5%與5〇%之間且較佳為丨〇%與之間 的量。 當將該材料投入使用時，可藉由合適細菌接種該載體材 料，但此非必要。 根據本發明之複合材料的用途並非侷限於汙水處理廠。 其亦適用作其它用途中之細菌載體，諸如，化學工業中之 生物反應器' 食品工業中之發酵反應器等。鑒於該等用途， 有必要對該等組份進行調適以使其適應於有關穩定性、比 ^ 毋〖生專的主要條件及要求。於常規實驗的輔助下， 可易於執行此調適，且此調適過程亦可基於熟習此項技術 之相關人員的一般專業知識而產生。 98381.doc 200531926 6·複合材料之製造 根據本發明之複合材料可由該等組份藉由下列步生 而成： & 乂 (1) 使非金屬無機材料與塑膠顆粒混合； (2) 將混合物填入至為其提供之模具中； (3) 將塑膠顆粒之表面熔融；及可能地 ⑷將該等經溶融之塑膠顆粒與非金屬無機材料之粒子 進行擠壓； @ 〃中步驟（4)可與步驟（3)同時進行或在步驟（3)之後進行。 步驟（3)中之熔融過程可藉由在高於塑膠熔點之溫度下加 熱塑膠顆粒且持續5分鐘至60分鐘範圍内的一時間段而執 /亍較佳地，僅顆粒之邊緣區域應被炼融，以使得顆粒之 核心部分仍保持其結構與形式。然而，顆粒之輕微變形不 會造成損害。 ^ a該製造過程通常包括以下步驟：將非金屬無機材料與塑 膠材料相混合；將其填入至合適燒結模具内且可能地將其 加以擠壓。隨後繼之以根據具有溫度參數及停留時間參數 之預定燒結程式於燒結裝置中燒結混合物之步驟。在燒結 凌置中之停留時間期間，執行塑膠顆粒之燒結，以封裝非 金屬無機材料。 在一較佳實施例中，可藉由使用塑膠粉末來實現塑膠顆 粒與非金屬無機材料之結合。可在溶融前的任何理想時間 點上添加該塑膠粉末。塑膠粉末之較佳粒子尺寸係在〇·2 mm至1 ·5 mm範圍内，且尤其較佳地在〇·2 mm至丨mm範圍 9838l.doc -12- 200531926 内。歸因於該等較小的粒子尺寸，從而有助於組份之溶融 及因此有助於組份之結合。因此’塑膠粉末係充當一介體。 適用作塑膠粉末之材料係塑膠顆粒材料，儘管可使用類 似材料，沈此而論，可理解為"類似材料"的材料係彼等具 有在0.6 g/cm至1.2 g/cm3，較佳在〇 9 g/cm3至的瓜3

靶圍内之比密度者。此外，塑膠粉末之熔點應類似於塑膠 顆粒之熔點。熔點應較佳地不高於塑膠顆粒之熔點的1〇% 且不低於塑膠顆粒熔點之3〇〇/0。 有利地使用之塑膠粉末的數量取決於所使用的其它材料 且其可藉由簡單初步測試而測定。在任何情況下，塑膠粉 末的數量應有利地至少為足夠高以防止組份自複合材料脫 離。另一方面，大量增加塑膠粉末之相對數量使其超過簡 單覆蓋所有表面所需的數量係較為不利的。 7 ·實例 複合材料係藉由結合具有下列性質之陶瓷材料製造而 成：〇 起始材料： 矽酸鹽材料 微孔尺寸： 0·1 μπι至 100 μπι 材料密度： 2.2 g/cm3 孔隙率： 60% 比表面積： 350,000 m2/m3 塑膠材料： 98381.doc 200531926 HDPE 密度： 1.035 g/cm3 塑膠粉末： HDPE 密度： 0.951 g/cm3 軟化溫度： 84°C (維氏 B50至 ISO 306) 處理溫度： 230〇C 停留時間： 20分鐘 比密度： 約 1 g/cm3 顆粒尺寸： 20 mm至 50 mm 比表面積· 約 175,000 結合材料能夠懸浮於汙水處理廠之介質中且其能夠使細 菌建群。在處理廠之測試操作期間，吾人發現由於可將細 菌及污泥自載體中移除，因此適於細菌建群之載體可易於 再生。 98381.doc -14-

Claims (1)

1. 200531926 十、申請專利範圍·· 1· 一種具有在0.8 g/cm3至1.2 g/cm3範圍内之比密度的複合 材料，其包含下列組份： (a) —非金屬無機材料之一或多個粒子，其具有在 10,000 m2/m3至1，000,000 m2/m3範圍内之比表面積；在 1〇0/◦至80%範圍内之孔隙率，其中至少5〇%的微孔具有在 〇·1 μιη至1〇〇〇 μπ1範圍内之微孔尺寸；藉此，該等粒子中 大於50%的粒子具有在〇1㈤㈤至“㈤瓜範圍内之粒子尺 寸；及 (b)或多個塑膠顆粒’其具有在0.6 g/cm3至1.2 g/cm3 範圍内的比密度及在50 m2/m3S丨〇〇〇 m2/m3範圍内的比表 面積，其中大於50%的塑膠顆粒具有在〇〇1 111111至1〇〇瓜1^ 範圍内之顆粒尺寸。 2·如响求項1之複合材料，其中，該非金屬無機材料具有在 25’000 m2/m3至5〇〇,〇〇〇瓜2^3範圍内之比表面積。 3·如請求項1或2之複合材料，其中非金屬無機材料與塑勝 顆粒之重量比係在15:85至85:15範圍内。 4 · 種如睛求項1至;3中任一 ^ ^ ^ m am δ ^ 1 項之稷α材枓用作細菌載體材 料之用途。 如 堉水項4之用 丹你用於汙水慝^ n。 6.如請求項4或5之用途，其中該複合材料之該比密度係 應於一周圍介質之比密度。 7·、種用於製造如請求項⑴中任一項之複合材料之 法，其包含下列步驟： 98381.doc 200531926 (1) 使該非金屬無機材料與該等塑膠顆粒混合； (2) 將該混合物填入至一模具中； (3) 將該等塑膠顆粒之表面熔融；及可能地 ⑷將該等炼融塑膠顆粒與該非金屬無機材料之該等粒 子一同進行擠壓； / 行 〃 7驟⑷可與步驟（3)同時進行或在步驟（3)之後進 〇 8. 膠顆：項7之方法’其中在步驟(3)之前，添加由與該等塑 ^ ;:之材料相同或類似之材料所製造而成的塑膠粉 98381.doc 200531926 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：（無） (二) 本代表圖之元件符號簡單說明: 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： (無） 98381.doc