专利名称：功能性生物膜载体及制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功能性生物膜载体及制备方法和用途。
背景技术：
随着现代工业的高速发展和人口的不断增加，水污染问题越来越严重的威胁着人类的生存环境，制约着社会和经济的进一步发展。因此，保护水资源免受污染已成为全球瞩目的问题。在目前所发展的废水处理技术中，废水生物处理法已成为世界各国处理废水控制水污染的主要手段。
生物膜法废水处理是废水与固着在载体上的生物膜接触，进行固、液相的物质交换，利用膜内微生物将污染物降解，净化废水，同时，生物膜内微生物不断生长与繁殖。因此，生物膜载体是保证生物膜反应器高效和经济运行的核心，它不仅提供微生物附着的场所，而且影响着生物膜的生长、脱落、形态和空间结构，对装置的运行效果和能耗有十分重要的影响。载体材料的大小、形状、多孔性及比表面积对生物膜的固着、形成与成熟有很大的影响。
生物膜法废水处理的载体应具有良好的亲生物性，化学稳定性、载体表面粗糙、比表面积大、孔径分布合理，可强化扩散和传质过程。从生物膜载体最早被用在废水处理中到现今为止，生物膜载体已经经过了八十多年的发展，已研制、开发出了各种类型、各种材质的无机类和有机类载体，取得了令人瞩目的进展。目前，广泛研究和应用的生物膜载体材料大致可以分为两类，即无机类载体和有机类载体。无机类载体，大部分为粒状载体，如石英砂、玻璃粒料、矿渣、活性炭、陶粒等，具有机械强度大、生物相容性好、不易被微生物分解、耐酸碱、成本低、寿命长等特性，因而是一类重要的载体材料。无机载体大多具有多孔结构，在与微生物接触时利用吸附作用和电荷效应将微生物固定。无机载体内部有较大的孔隙度，可以容纳不断增殖的微生物，使得载体内细胞浓度增大。有机类载体主要可分为两大类一类是化学合成高分子材料，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯纤维、聚氨脂泡沫等聚合物塑料；另一类是天然高分子材料，此类材料一般对生物无毒性、传质性能好，但机械强度较低，易被微生物分解，寿命短。常见的此类载体有琼脂、角叉莱胶、海藻酸纳等。
纵观生物处理载体的研究应用现状，目前载体开发的侧重点主要集中在载体的物理性能方面，当前广泛应用的生物膜载体在生物相容性、稳定性、力学性能、挂膜速度及再生处理等方面暴露出了很多不足，制约了生物膜法水处理技术的发展。鉴于目前广泛研究应用的生物膜载体大都是生物惰性材料，不能主动提供微生物生长的良好环境，挂膜速度慢；因此研发具有主动调控微生物生长所需微环境的功能性生物膜载体代表了生物载体发展的新方向，对于提高载体的挂膜速度和反应器的效率，开发高效、实用的水质处理设施有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种功能性生物膜载体及制备方法和用途。
功能性生物膜载体以电气石、蒙脱石、水滑石、硅藻土、氧化铝为原料，按重量百分比计电气石1～10％，水滑石5～15％，蒙脱石10～20％，氧化铝5～15％，硅藻土40～70％。
功能性生物膜载体的制备方法步骤如下1)配料造粒按重量百分比计，水滑石5～15％，蒙脱石10～20％，氧化铝5～15％，硅藻土40～70％，上述原料研磨至大于200目后混合，再按重量比加入大于200目的电气石1～10％，加水搅拌调匀，挤压成型，造粒，制得颗粒生料；2)烧制成形颗粒生料先经自然干燥，再升温至100～120℃，恒温1～2h；再升温至焙烧温度800～900℃，焙烧时间3～5h，制得功能性生物膜载体。
功能性生物膜载体用于畜禽养殖废水处理、循环水养殖水处理、微污染原水、饮用水的预处理和深度处理、城市及生活污水的处理。
本发明的生物膜载体具有主动调控微生物生长微环境的功能，能促进微生物生长，快速形成生物膜的优点，可广泛应用于畜禽养殖废水、循环水养殖水处理、工业水处理等方面。
图1是功能性生物膜载体对氨氮随时间的变化示意图；图2是功能性生物膜载体对COD随时间的变化示意图。
具体实施方法在本发明中，所采用的电气石是一种以含硼为特征的铝、钠、铁、钙、镁的环状硅酸盐晶体矿物，其化学结构通式可表示为XY3Z6Si6O18(BO3)3W4，式中X＝Na，Ca，K或空位，Y＝Mg2+，Fe2+，Mn2+，Al，Fe3+，Mn3+，Li，Z＝Al，Fe3+，Cr3+，Mg，W＝OH，F，O。电气石存在永久性自发电极，电气石电极产生的电场是电气石电极性的重要反映。电气石可自发调节水溶液pH值趋向弱碱性，电气石作用下微生物具有较宽广的pH值稳定范围。在电气石电场作用下，水分子发生电解，形成H+和OH-，最终形成活性分子H3O+和H3O2-，使水分子具有极强的界面活性。电气石能发射波长4～14μm，发射率在0.92以上的远红外线；电气石发射的远红外线与水中氢键共振，可将大分子团的氢键切断，使水分子团变小，而减少水分子簇中的分子个数，可增加水的生物膜透过率，增强生物体的新陈代谢功能，达到改善生物体机能的效果；小分子团簇的水进入细胞内，可促进细胞的新陈代谢，增强细胞活力，因此电气石可增强微生物的新陈代谢、酶活力，促进微生物的生长。
本发明所采用的蒙脱石是一种层状铝硅酸盐矿物，具有很大的比表面积、适宜的孔径结构，有利于微生物的附着、固定，此外它的孔隙、孔洞等对附着微生物起到屏障保护，使它们免受或减弱了水力剪切冲刷作用，同时也有利于微生物代谢过程中所需要的氧气和营养物质以及代谢所产生的废物的传质过程。
本发明所采用的水滑石化学结构通式为[M2+1-xM3+x(OH)2]x+[An-x/n·mH2O]，其中，二价金属离子M2+为Mg2+，Zn2+，Fe2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Ca2+中的任何一种，三价金属离子M3+为Al3+，Fe3+，Cr3+，Co3+，Ti3+中的任何一种；An-为CO32-，Cl-，NO3-，SO42-中的任何一种；X＝0.5～0.17；M2+/M3+＝1～5。水滑石具有较高的比表面积，在与微生物接触时利用吸附作用、电荷效应将微生物固定，从而对细胞的粘附生长有一定的促进作用。水滑石含有的金属离子和负离子效应可促进微生物生长。
本发明提供的由电气石、蒙脱石、水滑石、氧化铝和硅藻土构成的功能性生物膜载体，含有功能性矿物电气石、蒙脱石及水滑石，因此具有主动调控微生物生长的微环境，对微生物具有促进和活化作用；该载体中含有微生物生长所必需的常量和微量矿物元素，为微生物提供适当营养源；比表面积大，为微生物提供了附着条件，有利于微生物生长并保护其免受水力剪切力的影响，而且在运行初期对污染物具有吸附作用，使得微生物生长所需要的营养物质在载体表面富集，因而容易挂膜；载体内部有较大的孔隙度，可以容纳不断增殖的微生物，使得载体内细胞浓度增大；加快挂膜启动和提高水处理效率。
本发明结合以下实例作进一步的说明。
实施例1本发明的功能性生物膜载体，其重量配料比是电气石1％，水滑石15％，蒙脱石20％，硅藻土54％，氧化铝10％。
功能性生物膜载体的制备方法如下按上述配料比将水滑石、蒙脱石、硅藻土、氧化铝各种原料混合均匀，研磨至200目，然后按配比加入粒径200目的电气石微粉，加水搅拌调匀，放入成型机内挤压成型，在盘式造粒机中造粒，制得球状颗粒生料。球状颗粒生料先经自然干燥，移入马沸炉升温至120℃，恒温1h；再升温至焙烧温度800℃，焙烧时间3h，制得功能性生物膜载体。
实施例2本发明的功能性生物膜载体，其配料比是电气石5％，水滑石10％，蒙脱石20％，硅藻土55％，氧化铝10％。
功能性生物膜载体的生产工艺为按上述配料比将水滑石、蒙脱石、硅藻土、氧化铝各种原料混合均匀，经研磨机研磨至300目，然后按配比加入粒径为300目的电气石微粉，加水搅拌调匀，放入成型机内挤压成型，造粒，制得颗粒生料。颗粒生料先经自然干燥，移入马沸炉升温至100℃，恒温1.5h；再升温至焙烧温度820℃，焙烧时间5h，制得功能性生物膜载体。
实施例3本发明的功能性生物膜载体，其配料比是电气石10％，水滑石5％，蒙脱石15％，硅藻土65％，氧化铝5％。
功能性生物膜载体的生产工艺为按上述配料比将水滑石、蒙脱石、硅藻土、氧化铝各种原料混合均匀，粉碎至300目，然后按配比加入粒径2000目的电气石微粉，加水搅拌调匀，挤压成型，造粒，制得颗粒生料。球状颗粒生料先经自然干燥，移入马沸炉升温至110℃，恒温2h；再升温至焙烧温度850℃，烧制3.5h，制得功能性生物膜载体。
实施例4本发明的功能性生物膜载体，其重量配料比是电气石8％，水滑石12％，蒙脱石25％，硅藻土40％，氧化铝15％。
功能性生物膜载体的生产工艺为按上述配料比将水滑石、蒙脱石、硅藻土、氧化铝各种原料混合均匀，经研磨机研磨至500目粉末，然后按配比加入粒径为1000目的电气石微粉，加水搅拌调匀，挤压成型，造粒，制得颗粒生料。颗粒生料先经自然干燥，移入马沸炉升温至105℃，恒温时间1h；再升温至焙烧温度900℃，烧制4h，制得功能性生物膜载体。
本发明的应用结合下面的例子予以说明。
应用例1在循环水养殖水处理系统中的三相好氧生物流化床中，进行本发明的功能性生物膜载体的挂膜实验载体添加量为10％，进气流量为10L/min，水力停留时间为1.5h，废水连续进流的实验条件下，对表面生物膜进行镜检，同时测定反应器的出水水质。结果发现，经过3d培养，功能性生物膜载体表面即有生物膜开始附着，光学显微镜下可观察表面有一层薄的生物膜，分布均匀，但此时生物膜发育尚不成熟，表现为絮状物结构松散，不致密；此后的运行中，生物膜不断发育，大约12d左右，生物膜发育成熟，膜厚74μm，COD的去除率为81.21％，TKN约稳定在94.24％。
应用例2实验用原水为微污染的杭州市某河河水，反应器为生物硫化床，载体为本发明的功能性生物膜载体，载体添加量为10％。挂膜开始一周后，生物硫化床对NH4+-N的去除率达到90％，光镜观察到几乎所有的载体表面都有半透明的生物膜，但是生物膜发育尚不成熟，3周后生物膜发育成熟，生物膜均匀分布于载体颗粒表面，膜厚为72.3um。生物膜发育成熟后，反应器对各种污染物有着稳定的去除率，见表1。
表1 微污染原水的处理效果
应用例3在气升式内循环生物反应器中，加入本发明的功能性生物膜载体，利用该反应器模拟对生活污水NH3-N去除的研究，并与普通的陶粒载体进行比较。试验废水为人工配制的模拟废水，其主要成分为工业葡萄糖、NH4Cl及微量元素等，CODcr为157.3-168.4mg/L，NH3-N为13.32-15.99mg/L。
从图1和图2可以看出，功能性生物膜载体对氨氮和COD的去除都要明显高于普通陶粒结果表明生长于功能性生物膜载体的生物膜，其对废水的硝化性能明显的高于普通陶粒。
权利要求
1.一种功能性生物膜载体，其特征在于以电气石、蒙脱石、水滑石、硅藻土、氧化铝为原料，按重量百分比计电气石1～10％，水滑石5～15％，蒙脱石10～20％，氧化铝5～15％，硅藻土40～70％。
2.一种如权利要求1所述的功能性生物膜载体的制备方法，其特征在于方法的步骤如下1)配料造粒按重量百分比计，水滑石5～15％，蒙脱石10～20％，氧化铝5～15％，硅藻土40～70％，上述原料研磨至大于200目后混合，再按重量比加入大于200目的电气石1～10％，加水搅拌调匀，挤压成型，造粒，制得颗粒生料；2)烧制成形颗粒生料先经自然干燥，再升温至100～120℃，恒温1～2h；再升温至焙烧温度800～900℃，焙烧时间3～5h，制得功能性生物膜载体。
3.一种如权利要求1所述的功能性生物膜载体的用途，其特征在是它用于畜禽养殖废水处理、循环水养殖水处理、微污染原水、饮用水的预处理和深度处理、城市及生活污水处理。
全文摘要
本发明公开了一种功能性生物膜载体及制备方法和用途。方法为1)配料造粒按重量百分比计，水滑石5～15％，蒙脱石10～20％，氧化铝5～15％，硅藻土40～70％，上述原料研磨至大于200目后混合，再按重量比加入大于200目的电气石1～10％，加水搅拌调匀，挤压成型，造粒，制得颗粒生料；2)烧制成形颗粒生料先经自然干燥，再升温至100～120℃，恒温1～2h；再升温至焙烧温度800～900℃，焙烧时间3～5h，制得功能性生物膜载体。本发明的生物膜载体具有主动调控微生物生长微环境的功能，能促进微生物生长，快速形成生物膜的优点，可广泛应用于畜禽养殖废水、循环水养殖水处理、工业水处理等方面。
文档编号C02F3/10GK1843972SQ200610050459
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者夏枚生, 胡彩虹, 张红梅, 朱兴一, 姚志通 申请人:浙江大学