一种聚乙烯生物填料及其制备方法与在污水处理中的应用与流程

本发明涉及一种聚乙烯生物填料及其制备方法与在污水处理中的应用，属于污水处理领域。

背景技术：

生物膜移动床工艺是集成传统活性污泥法和生物接触氧化法的优点，而形成的一种新型高效的生物处理工艺。生物填料经曝气和搅拌等手段在生化池中有规则的运动，污水连续经过装有生物填料的反应器时，微生物会在生物填料上附着形成生物膜，以生物膜为基础，微生物大量繁殖，异养和自养微生物利用水中的营养元素等进行新陈代谢，从而起到净化污水的作用。而生物填料是生物膜移动床工艺的核心，它的性能直接影响微生物的附着、生长，进而影响废水的处理效果。

目前，市场上常见的聚乙烯生物填料由于聚乙烯含量过高，填料造价成本高昂，亲水性能和生物亲和性较差，导致在挂膜速度、挂膜量及膜与填料的紧密度方面存在不足.

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于污水处理的聚乙烯微生物载体填料。

本发明还要解决的技术问题是提供上述填料的制备方法。

本发明最后要解决的技术问题是提供上述填料的应用。

为解决上述技术问题，本发明的思路是采用低密度线性聚乙烯为主体，并与甘蔗残渣和活性炭按比例进行混合，然后经压铸成型。填料在水中呈悬浮状态，在外力的作用下，可以在池中上下翻滚，充分与水体接触反应。甘蔗残渣可以极大降低生物填料的价格，活性炭的吸附特性可以增强生物填料的成膜性能，实现载体的快速挂膜。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种聚乙烯生物填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将甘蔗残渣置于水中清洗，再置于酒精中浸泡，然后用酒精冲洗干净，烘干、粉碎；

(2)将步骤(1)粉碎得到的甘蔗残渣与线性低密度聚乙烯和粉末活性炭混合后经压铸成型。

步骤(1)中，烘干温度105～180℃。

步骤(1)中，粉碎至80～150目。

步骤(2)中，粉末活性炭的粒径200～325目。

步骤(2)中，低密度线性聚乙烯、甘蔗残渣和粉末活性炭的质量比为60～70∶20～30∶10～15，优选70∶20∶10。

上述制备方法制备得到的聚乙烯生物填料也在本发明的保护范围之内。

其中，所述填料，密度为0.9～0.98g/cm³。其主体框架包括设置在中心的多边形环(1)以及依次设置在多边形环外围的第一圆环(2)与第二圆环(3)，多边形环(1)的每条纵向棱(11)上固定有第一径向筋片(12)，第一径向筋片(12)将多边形环(1)、第一圆环(2)与第二圆环(3)固定连接；第一圆环(2)外壁与第二圆环(3)内壁之间连接有第二径向筋片(21)。

其中，所述主体框架的直径为10～30cm，第一径向筋片(12)和第二径向筋片(21)表面设有一组圆形的凹槽(4)，所述凹槽(4)的直径为0.5～2.5mm，深度为0.3～0.6mm，相邻凹槽之间的间距为0.8～3.0mm。凹槽处所受到的水流剪切力小于平面处，易于挂膜，挂膜时间由普遍的7-15天降低到3-4天左右，且凹槽处主要是提供兼性厌氧或厌氧菌的绝佳生存环境。

所述聚乙烯填料的结构可以增大比表面积，增加微生物的附着面，中空结构有利于水流对生物膜的冲刷，增强生物膜的致密性，同时冲刷下衰老的生物膜，保持生物膜的高生物活性，填料凹槽处可以使生物膜形成一定的纵向厚度，形成缺氧、微氧和好氧三种环境，适应于各类微生物的生长繁殖，使得各类微生物都能保持高生物活性，增强处理效率。

所述聚乙烯填料的多孔结构可以增强生物填料水中对活性污泥的剪切力，加快活性污泥形成致密颗粒。

上述聚乙烯微生物填料在污水处理中的应用也在本发明的保护范围之内。

现有技术中，大部分填料强度低，材质松软，表面光滑，在水中呈漂浮状，即使在外力的作用下，也形不成全方位的“流化”状态，即不能与池子里的水完全反应。因此，本发明将活性炭和甘蔗残渣作为原料进行载体的制备，甘蔗残渣是废弃物，而活性炭的成本低于聚乙烯，填料成本能大幅度降低；且活性炭对于微生物有很好的吸附性能，有利于前期填料迅速挂膜；甘蔗残渣一定程度上增加了填料的生物亲和性。

有益效果：本发明与现有技术相比具有如下优势：

1、本申请的载体填料以低密度线性聚乙烯为主体，混入甘蔗残渣和活性炭，在降低成本的同时又增强了载体的成膜能力，且所选都是生物相容性高的材料，无毒，不会造成二次污染，对菌群没有抑制作用，机械强度高，不易被腐蚀，可重复利用，价格低廉，菌群在驯化过程中主要附着在载体凹槽处，形成一定厚度的生物膜，形成好氧-兼氧-厌氧的绝佳环境，且在水流的冲刷下衰亡的细胞会不断脱落，新细胞重新吸附在载体上，从而保证生物膜上的菌体的活性，维持整个反应器的高效率。用于污水处理领域，和现有工艺相比，工艺启动周期明显缩短，出水泥量明显减少，反应稳定，利于后续的排放处理。

2、制备的生物填料具有高比表面积，其有效表面积大于600m²/m³，因而启动前期利于菌群的附着，特别是一些脆弱的菌种在载体上的附着和成膜，利用工艺的快速启动与运行。因制备的生物填料孔隙较大，利于水流的冲刷，不会出现生物膜老化等情况，因填料的密度优势，在菌群附着后，填料密度会略大于水，在流速和气体的带动下，填料会在整个反应区上下翻滚，不会出现载体的完全下沉或上浮，利于填料全方位的生物膜更新，进而保证整个反应区的高效率，相比于常用载体材料，整个工艺更加高效稳定。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是该微生物载体填料的横截面示意图；

图2是该微生物载体填料的径向筋片结构示意图。

图3是该微生物载体填料的3d模型效果图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

一种聚乙烯生物填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将甘蔗残渣置于水中清洗，再置于酒精中浸泡，然后用酒精冲洗干净，105～180℃烘干、粉碎至80～150目；

(2)将步骤(1)粉碎得到的甘蔗残渣与线性低密度聚乙烯和200～325目活性炭粉末混合后经压铸成型。

其中，低密度线性聚乙烯、甘蔗残渣和粉末活性炭的质量比为70∶20∶10。

如图1至2所示，制备得到的填料高14mm，直径为30mm，其主体框架包括设置在中心的多边形环1(边长为3mm)以及依次设置在多边形环外围的第一圆环2(直径15mm)与第二圆环3，多边形环1的每条纵向棱11上固定有第一径向筋片12，第一径向筋片12将多边形环1、第一圆环2与第二圆环3固定连接；第一圆环2外壁与第二圆环3内壁之间连接有第二径向筋片21。第一径向筋片12和第二径向筋片21表面设有一组圆形的凹槽4，所述凹槽4的直径为2.5mm，深度为0.6mm，相邻凹槽之间的间距为3mm。凹槽处所受到的水流剪切力小于平面处，易于挂膜，挂膜时间3天，且凹槽处主要是提供兼性厌氧或厌氧菌的绝佳生存环境。

将该生物填料机械强度高，一般可使用10年以上，按一定比例添加到污水池或厌氧罐内，其中缺氧池(罐)需配备搅拌设施，好氧池直接利用曝气，即可实现填料的上下翻滚，生物填料可在3～7天完成挂膜，同时填料内的凹槽处可增强生物膜的厚度，因此使用该填料的池或罐，同样的处理量，其体积可以减小至常规的1/4，且处理效果更佳，出水含泥量比传统生化工艺减少40％以上。。

实施例2

与实施例1不同之处在于，低密度线性聚乙烯∶甘蔗残渣∶粉末活性炭质量比例为60∶30∶10，填料高5mm，直径为10mm，六边形环1边长为0.8mm，第一圆环2直径为5mm，凹槽4的直径为0.5mm，深度为0.3mm，相邻凹槽之间的间距为0.8mm。

实施例3

与实施例1不同之处在于，低密度线性聚乙烯∶甘蔗残渣∶粉末活性炭质量比例为65∶20∶15，填料高8mm，直径为20mm，六边形环1边长为2mm，第一圆环2直径为10mm，凹槽4的直径为1mm，深度为0.4mm，相邻凹槽之间的间距为2mm。

实施例4

以实施例2制备的生物填料应用于厌氧生物处理糖蜜废水，并进行厌氧工艺的启动，在主反应区加入1/2体积的填料，将厌氧活性污泥与糖蜜废水按3∶7的比例混匀后，ts为10％，反应温度35℃，初始进水cod通过处理后的废水来稀释糖蜜废水使其cod为3000mg/l左右，连续式进水，后续逐渐提高进水cod，hrt控制为2天。进水ph维持7左右，通过氢氧化钠调节，当出水ph低于6.8，通过加入氢氧化钠调节，使其出水ph稳定在7.0以上。当cod去除率大于85％，vfa低于800mg/l，且稳定两个hrt，就提升进水cod，在原先cod基础上提升30～50％，连续运行30天，进水cod稳定提升至原水cod，cod在20000～30000mg/l，cod去除率稳定95％以上，并在后面的几个月稳定持续运行，效果见表1。

表1

使用本发明填料启动厌氧工艺一般可在1个月以内启动完成，如果接种污泥为活性很高的厌氧颗粒污泥，启动时间可缩短在1～2周。

实施例5

以实施例1制备的生物填料应用于好氧生物处理某发酵废水，废水水质cod1000～2000mg/l，总氮30～40mg/l，总磷10～20mg/l，载体填充量25％，hrt12h。处理后出水cod，总氮，氨氮达到排放标准，总磷经后续除磷药剂处理后也可达标，稳定运行三个月数据如表2。

表2

对比例

以线性低密度聚乙烯制成的填料，密度为0.92～0.93g/cm³，其生物亲和性和水亲和性不高，挂膜时间长，且易脱落，导致前期生物填料浮在水面上，影响处理效果，且低密度聚乙烯成本高，以100％制成的生物填料成本高昂，会极大增加工程投资。

本发明的生物填料因甘蔗残渣中的极性基团等作用，增强生物填料的生物亲和性和水亲和性，挂膜时间仅需3～7天，出水含泥量可以普通线性低密度聚乙烯生物填料的降低20％以上。而普通线性低密度聚乙烯生物填料挂膜周期需15天左右，且生物膜易脱落，水中悬浮污泥多，造成出水水质不佳，含泥量高。

甘蔗残渣无法单独制成填料，甘蔗残渣中的纤维素和半纤维素是生物易降解材料。

以粉末状活性炭为生物填料，随着连续进出水，活性炭会随着水流进入下一工序，增加下一工序的处理成本，且活性炭流失严重，需定期添加，维持成本高。

甘蔗残渣和活性炭混合无法制成耐用生物填料。

以线性低密度聚乙烯与甘蔗渣混合制成生物填料，其密度会低于0.9g/cm³，导致前期生物填料都悬浮在水面上，挂膜困难，一般在超过两周以上填料表面才会有少量微生物附着，一个月以后部分填料形成较为完整的生物膜后才能够在池内上下翻滚；使用该填料好氧工艺一般启动需要1～2月，厌氧工艺需要3～6月，甚至更长启动周期长，严重影响工程进度。

以线性低密度聚乙烯与粉末活性炭混合制成生物填料，前期活性炭的吸附作用可加速生物膜的形成，使其能够快速在生物填料上形成生物膜，极大缩短工程周期，同时增强处理效率并降低生物填料制作成本，但活性炭比例不宜超过30％，当活性碳密度太高时，会使得生物填料密度超过1g/cm³。当生物填料密度过大时，前期载体会沉入水下，不利于微生物附着，如若使生物填料翻滚，需加大曝气量，增加动力成本，且od过大时，易造成氧中毒，造成污泥膨胀，且会无法用于厌氧消化体系。

当以线性低密度聚乙烯与粉末活性炭混合制成生物填料时，因密度条件制约，其活性炭比例不宜超过10％，因此线性低密度聚乙烯比重上升，导致生物填料成本上升。同时，活性碳对微生物的吸附作用将会变差，导致挂膜时间需15天左右。而甘蔗残渣可增强生物填料的生物亲和性，增强活性炭生物吸附性，可将挂膜时间缩短至3～7天。

表3

而本发明以线性低密度聚乙烯、甘蔗渣和活性炭粉末混合制成生物填料，甘蔗残渣密度低且几乎无成本，解决了活性炭不能添加太多的问题，极大降低了生物填料的制作成本。甘蔗残渣、线性低密度聚乙烯和活性炭压铸成型后，使得甘蔗残渣不易被生物降解，同时甘蔗残渣具有一定的生物亲和性，利于微生物吸附，进一步增强了生物填料的挂膜能力，使其能够3～7天挂膜成功，因此本发明的生物填料是一类低成本高效的生物填料。