专利名称：多孔轻质炭基生物载体及其制备方法
技术领域：
本发明属于生物膜法处理废水技术领域，具体是指一种多孔轻质炭基生物载体及其制备方法。
背景技术：
活性污泥法处理废水具有工艺成熟，运行、维护成本低等优点是国内水处理最常用的方法，但活性污泥法占地面积大、剩余污泥多、脱氮效果差、容易发生污泥膨胀和污泥流失等缺点，人们便采用生物膜法来进行废水生化处理。自生物滤池成功运行以来，生物膜法因降解能力强，接触时间短，占地面积小且投资成本低等优点近年得以快速发展应用。而生物膜法中作为微生物载体材料决定了反应器内废水处理效果和传质效率。因此，生物载体是生物膜法水处理工艺的核心。处理过程中，生物和生物载体之间的吸附、结合紧密程度不但与生物的特性有关，还与生物载体材料性能紧密相连。因此，生物载体的表面特性、空隙率、比表面积和材料对生物的吸附、载体的传质和水处理能力有重要影响。目前国内市场上，可用于生物载体的材料常见的有无机材料(如陶瓷、碎石、矿渣、沸石、活性炭等)到有机高分子材料(如工业塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯烯和各种树脂等)及合成的有机无机高分子材料等等。而实际的工业应用过程中，不仅要考虑生物载体的性能(机械强度、稳定性、生物抑制性、亲憎水性等)、比表面积、生物的相容性等，还需要考虑材料的取材、成本价格、制作条件等因素。现有常见的生物载体存在许多缺点，如材料成本高、加工工艺复杂，部分还存在二次污染等环境问题，比如采用的无机陶瓷材料，普遍存在密度大、孔隙率低、比表面积小和反应器内流态化动力消耗大等缺点；大部分的高分子有机载体来自于石化衍生产品，如聚丙烯、聚乙烯等，它们的亲水性差，微生物挂膜、微生物量等较差，且部分材料在环境中光解，甚至对环境生物有一定的毒性。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有生物载体存在的不足，提供一种多孔轻质炭基生物载体及其制备方法，该生物载体不但成膜快、微生物容量大，还为微生物提供适当的营养源，而且对环境无害。为实现上述目的，本发明的多孔轻质炭基生物载体，其特殊之处在于:它是由焦炭粉、聚乙烯醇溶液、发泡剂溶液、交联剂溶液为原料在常温下发生的交联反应得到发泡的焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物，其中，所述聚乙烯醇溶液的重量百分比浓度为5 15% ;发泡剂溶液的重量百分比浓度为0.2 2% ;交联剂溶液的重量百分比浓度为0.5 1.5%，所述聚乙烯醇水溶液与焦炭粉的重量比为10 25: 1，聚乙烯醇水溶液与发泡剂溶液的重量比为15 45: 1，聚乙烯醇水溶液与交联剂溶液的重量比为20 50: I。优选地，所述发泡剂为十 二烷基硫酸钠或者脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，所述交联剂为戊二醛、甲醛或乙二醛中的一种。本发明还要提供所述多孔轻质炭基生物载体的制备方法，其特殊之处在于:该制备方法依次包括以下步骤:I)、首先将聚乙烯醇溶于水配置成重量百分含量为5 15%的聚乙烯醇水溶液；2)、其次取焦炭粉放入重量百分比浓度为10 50%的硝酸溶液中进行氧化改性处理，处理2 5h后将焦炭粉洗涤至中性；该氧化改性处理能有效增加焦炭粉的亲水特性，同时也去除焦炭粉中的部分无机物；3)、然后将焦炭粉进行干燥处理；4)、再将干燥后的焦炭粉、重量百分比浓度为0.2 2%的发泡剂、重量百分比浓度为0.5 1.5%的交联剂溶液加入所述聚乙烯醇水溶液中，搅拌2 5h，得到发泡的焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物；其中所述聚乙烯醇水溶液与焦炭粉的重量比为10 25: 1，聚乙烯醇水溶液与发泡剂溶液的重量比为15 45: 1，聚乙烯醇水溶液与交联剂溶液的重量比为 20 50: I ；5)、接着将所述焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物经刮膜、流延处理后晾干得到焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜；6)、然后将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜进行热改性处理，所述热改性处理方法为将其置于80 150°C的烘箱中烘烤I 2h ;7)、最后将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜按需进行切块、造粒，即得多孔轻质碳基微生物载体。优选地，步骤I)中所述聚乙烯醇的聚合度大于1750。进一步地，步骤2)中所述的焦炭粉粒度为180 300目。还进一步地，步骤3)中所述的干燥处理是在80 100°C条件下恒温干燥I 2h ;更进一步地，步骤4)中所述的交联剂为戊二醛、甲醛或乙二醛中的一种。再进一步地，步骤4中所述的发泡剂为十二烷基硫酸钠或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠。由于本发明的多孔轻质炭基生物载体的基质主要是聚乙烯醇和骨架碳质材料，力口上发泡剂的作用，在碳质材料上面形成的多孔胶体物质，因此，具有较大比表面积和优良吸附性能，能提高载体对微生物和污染物的吸附能力及挂膜量，进而有利于适应高浓度有机废水的处理，并具有较高的耐冲击负荷能力，微生物在孔隙率挂膜不但容易而且数量多、生物容量大，另外，聚乙烯醇材料是良好的可降解生物材料，对微生物和环境无毒。从生物方面而言，聚乙烯醇溶解于水溶液中，在碳源不足情况下，可作为微生物碳源。该微生物载体取材方便，对生物亲和性好，不会对环境造成污染，系统运行过程中的废弃载体进入生化污泥，可送到煤场配煤车间用作原料或烧结原料使用，也为低价值焦炭粉提供的一种经济、实用、高附加值的资源利用方法。本发明通过控制多孔轻质炭基生物载体各组分原料的重量t匕，有效地即保证了不同比例生物膜载体的密度、孔隙率，也保证生物膜载体在水溶液中的寿命，尤其是对水溶性较好的聚乙烯醇。而且，本发明制备方法工艺简单，所需设备少，制备成本低。
图1为本发明的一种多孔轻质炭基生物载体的扫描电镜图(SBO。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明的多孔轻质炭基生物载体及其制备方法作进一步详细说明。实施例一 一种多孔轻质炭基生物载体，它是按照以下步骤制备而来:I)、首先将15g聚合度为1750的聚乙烯醇溶于100°C的85ml沸水中回流搅拌8h，得到重量百分比为15%的聚乙烯醇溶液；2)、其次取粒径300目的焦炭粉放入室温下重量百分比浓度为50%硝酸溶液中进行氧化改性，处理2h，取出洗至中性，再用自来水清洗3次；3)、然后将焦炭粉在100°C条件下于烘箱内恒温烘干2h ；4)、再将5g焦炭粉、重量百分比浓度为0.5%的十二烷基硫酸钠水溶液5ml和重量百分比浓度为0.5%的戊二醛水溶液2ml加到步骤I)的IOOml的聚乙烯醇溶液中快速搅拌2h，得发泡的焦炭粉/聚乙烯醇溶液凝胶混合物；5)、接着将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物胶倾倒在光洁的玻璃板上，经刮膜、流延处理后，室温下晾干得到焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜；6)、然后将得到焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜置于150°C的烘箱中进行Ih热改性；7)、最后将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜冷却至室温后按需切成块状，即得多孔轻质碳基微生物载体。经检测，本实施例方法所制备的成品多孔轻质炭基生物载体干燥后密度为0.57g/cm3，在溶液中密度约为1.lg/cm3，在溶液扰动下，可以悬浮在溶液中。在利用流化床生物膜反应器处理焦化废水实验中，在水力停留时间(HRT) 55h，测得其化学需氧量(COD)超过98%、比未投加生物载体约提高了 41% ;其总氮(TN)去除率超过67%，比未投加生物载体约提高了 39%。实施例二一种多孔轻质炭基生物载体，它是按照以下步骤制备而来:I)、首先将IOg聚合度为1850的聚乙烯醇溶于100°C的90ml沸水中回流搅拌8h，得到重量百分比为10%的聚乙烯醇溶液；2)、其次取粒径180目的焦炭粉放入室温下重量百分比浓度为30%硝酸溶液中进行氧化改性，处理3h，取出洗至中性，再用自来水清洗4次；3)、然后将焦炭粉在90°C条件下于烘箱内恒温烘干1.5h ；4)、再将IOg焦炭粉、重量百分比浓度为1.0%的十二烷基硫酸钠水溶液5ml和重量百分比浓度为1.0%的戊二醛水溶液2ml加到步骤I)的IOOml的聚乙烯醇溶液中快速搅拌3h，得发泡的焦炭粉/聚乙烯醇溶液凝胶混合物；5)、接着将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物胶倾倒在光洁的玻璃板上，经刮膜、流延处理后，室温下晾干得到焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜；6)、然后将得到焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜置于120°C的烘箱中进行1.5h热改性；7)、最后将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜冷却至室温后按需切成块状，即得多孔轻质碳基微生物载体。经检测，本实施例方法所制备的成品多孔轻质炭基生物载体干燥后密度为0.63g/cm3，在溶液中密度约为1.16g/cm3，在溶液扰动下，可以悬浮在溶液中。在利用流化床生物膜反应器处理焦化废水实验中，在水力停留时间(HRT) 45h，测得其化学需氧量(COD)超过95%、比未投加生物载体约提高了 30% ;其总氮(TN)去除率超过55%，比未投加生物载体约提高了 32%。实施例三一种多孔轻质炭基生物载体，它是按照以下步骤制备而来:I)、首先将5g聚合度为1900的聚乙烯醇溶于100°C的95ml沸水中回流搅拌8h，得到重量百分比为5%的聚乙烯醇溶液；2)、其次取粒径200目的焦炭粉放入室温下重量百分比浓度为10%硝酸溶液中进行氧化改性，处理5h，取出洗至中性，再用自来水清洗3次；3)、然后将焦炭粉在90°C条件下于烘箱内恒温烘干2h ；4)、再将5g焦炭粉、重量百分比浓度为2.0%的十二烷基硫酸钠水溶液5ml和重量百分比浓度为1.5%的戊二醛水溶液2ml加到步骤I)的IOOml的聚乙烯醇溶液中快速搅拌4h，得发泡的焦炭粉/聚乙烯醇溶液凝胶混合物；5)、接着将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物胶倾倒在光洁的玻璃板上，经刮膜、流延处理后，室温下晾干得到焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜；6)、然后将得到焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜置于80°C的烘箱中进行1.5h热改性；7)、最后将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜冷却至室温后按需切成块状，即得多孔轻质碳基微生物载体。经检测，本实施例方法所制备的成品多孔轻质炭基生物载体干燥后密度为0.75g/cm3，在溶液中密度约为1.23g/cm3，在溶液扰动下，可以悬浮在溶液中。在利用流化床生物膜反应器处理焦化废水实验中，在水力停留时间(HRT) 45h，测得其化学需氧量(COD)超过94%、比未投加生物载体约提高了 27% ;其总氮(TN)去除率超过53%，比未投加生物载体约提闻了 31%。上述三个实施例的多孔轻质 炭基生物载体的扫描电镜图，附图显示该生物载体为优良的多孔膜结构。
权利要求
1.一种多孔轻质炭基生物载体，其特征在于:它是由焦炭粉、聚乙烯醇溶液、发泡剂溶液、交联剂溶液为原料在常温下发生交联反应得到发泡的焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物，其中，所述聚乙烯醇溶液的重量百分比浓度为5 15% ;发泡剂溶液的重量百分比浓度为0.2 2% ;交联剂溶液的重量百分比浓度为0.5 1.5%，所述聚乙烯醇水溶液与焦炭粉的重量比为10 25: 1，聚乙烯醇水溶液与发泡剂溶液的重量比为15 45: 1，聚乙烯醇水溶液与交联剂溶液的重量比为20 50: I。
2.根据权利要求1所述的多孔轻质炭基生物载体，其特征在于:所述发泡剂为十二烷基硫酸钠或者脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，所述交联剂为戊二醛、甲醛或乙二醛中的一种。
3.—种权利要求1所述多孔轻质炭基生物载体的制备方法，其特征在于:该制备方法依次包括以下步骤: 1)、首先将聚乙烯醇溶于水配置成重量百分含量为5 15%的聚乙烯醇水溶液； 2)、其次取焦炭粉放入重量百分比浓度为10 50%的硝酸溶液中进行氧化改性处理，处理2 5h后将焦炭粉洗涤至中性； 3)、然后将焦炭粉进行干燥处理； 4)、再将干燥后的焦炭粉、重量百分比浓度为0.2 2%的发泡剂、重量百分比浓度为0.5 1.5%的交联剂溶液加入所述聚乙烯醇水溶液中，搅拌2 5h，得到发泡的焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物；其中所述聚乙烯醇水溶液与焦炭粉的重量比为10 25: 1，聚乙烯醇水溶液与发泡剂溶液的重量比为15 45: 1，聚乙烯醇水溶液与交联剂溶液的重量比为20 50: I ； 5)、接着将所述焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物经刮膜、流延处理后晾干得到焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜； 6)、然后将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜进行热改性处理，所述热改性处理方法为将其置于80 150°C的烘箱中烘烤I 2h ; 7)、最后将焦炭粉/聚乙烯醇凝胶膜冷却至室温，按需进行切块、造粒，即得多孔轻质碳基微生物载体。
4.根据权利要求3所述多孔轻质炭基生物载体的制备方法，其特征在于:步骤I)中所述聚乙烯醇的聚合度大于1750。
5.根据权利要求3或4所述多孔轻质炭基生物载体的制备方法，其特征在于:步骤2)中所述的焦炭粉粒度为180 300目。
6.根据权利要求3或4所述多孔轻质炭基生物载体的制备方法，其特征在于:步骤3)中所述的干燥处理是在80 100°C条件下恒温干燥I 2h。
7.根据权利要求3或4所述多孔轻质炭基生物载体的制备方法，其特征在于:步骤4)中所述的交联剂为戊二醛、甲醛或乙二醛中的一种。
8.根据权利要求3或4所述多孔轻质炭基生物载体的制备方法，其特征在于:步骤4中所述的发泡剂为十二烷基硫酸钠或者脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠。
9.根据权利要求7所述多孔轻质炭基生物载体的制备方法，其特征在于:步骤4)中所述的发泡剂为十二烷基硫酸钠或者脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠。
全文摘要
本发明提供了一种多孔轻质炭基生物载体。该多孔轻质炭基生物载体是由焦炭粉、聚乙烯醇溶液、发泡剂溶液、交联剂溶液为原料在常温下发生的交联反应得到发泡的焦炭粉/聚乙烯醇凝胶混合物，其中，所述聚乙烯醇溶液的重量百分比浓度为5～15%；发泡剂溶液的重量百分比浓度为0.2～2%；交联剂溶液的重量百分比浓度为0.5～1.5%，所述聚乙烯醇水溶液与焦炭粉的重量比为10～25∶1，聚乙烯醇水溶液与发泡剂溶液的重量比为15～45∶1，聚乙烯醇水溶液与交联剂溶液的重量比为20～50∶1。该生物载体不但成膜快、微生物容量大，还为微生物提供适当的营养源，而且对环境无害。同时，本发明还提供了多孔轻质炭基生物载体的制备方法，该制备方法工艺简单，所需设备少，制备成本低。
文档编号C02F3/34GK103159330SQ20131011753
公开日2013年6月19日 申请日期2013年4月7日 优先权日2013年4月7日
发明者张垒, 王丽娜, 刘璞, 付本全, 刘尚超, 段爱民, 张楠, 薛改凤, 王凯军, 刘霞 申请人:武汉钢铁(集团)公司