一种用于微生物处理废水的纤维生物填料及制备方法与流程

本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种用于微生物处理废水的纤维生物填料及制备方法。

背景技术：

经济的快速发展带来一系列的环境问题，其中淡水资源紧缺迫使城镇生活污水处理技术显得尤其重要。生活污水中的氮、磷含量增加，有机成分复杂，传统的生物污水处理技术已无法紧随步伐，处理效果不佳，为此，在新型填料的不断开发和完善基础上，生物膜法处理工艺借其处理效率高、剩余污泥产泥量少、 运行管理方便等特点得到快速发，在污水处理中有广阔的应用前景。

生物膜技术在污水处理中应用已经十分成熟，是利用微生物在固体表面的附着生长来对废水进行生物处理的方法，其中生物填料是生物膜工艺的重要核心部分。生物膜载体生物填料种类繁多，包括碳酸盐类、沸石类、陶瓷材料、炭纤维、矿渣、活性炭、金属等无机类载体和树脂、塑料、软性或半软性纤维等有机类载体。性能优异的填料应该具有良好的亲水性和生物相容性、较大的比表面积且表面粗糙、易流化、易于挂膜、无毒害作用、提供较大比表面积以增加生物附着量、机械强度高等特点。

随着社会和人类对环境保护的要求越来越高，污水处理技术的不断发展进步，传统无机生物填料和高分子有机生物填料已经无法满足社会要求。常见有机高分子填料(材质多为聚乙烯、聚丙烯和聚氨酯)易固定或悬浮于水中，具有很好的水力条件，但这些物质均为疏水性，且表面光滑，生物膜的挂附困难。将具有生物亲和性的天然高分子物质（如明胶、壳聚糖、纤维素、琼脂糖等）与有机高分子材料结合，即可综合其各自优势，具有重要的研究意义。

中国发明专利申请号201611160962.9公开了一种生物填料，包括以下组分：聚乙烯、聚丙烯、氧化镁、氧化钙、氧化钾；各组分在所述生物填料中所占质量比为：聚乙烯5-15％，聚丙烯55-65％，氧化镁、氧化钙、氧化钾共计25-35％。中国发明专利申请号201110131408.9公开了一种聚丙烯生物填料表面改性方法，该方法包括将聚丙烯生物填料浸入koh/kmno4去离子水混合溶液中，反应温度20-80℃，时间4-48h；混合溶液中，koh浓度100-500g/l，kmno4浓度20-50g/l；之后将填料浸入酸性亚硫酸氢钠去离子水溶液中涮洗，溶液浓度10-30g/l；然后将填料浸入到甘油或者聚乙二醇的去离子水溶液中，15-30℃放置4-48h，其中甘油或聚乙二醇去离子水溶液的浓度均为50-400ml/l；最后清洗填料，烘干至恒重即可。

为了改善聚合物填料（特别聚丙烯纤维填料）的表面浸润性和生物亲和性，有必要提出一种新型聚丙烯纤维生物填料，进而提高生物填料的挂膜速率及挂膜量，改善污水处理效果并延长使用寿命。

技术实现要素：

针对目前聚丙烯纤维等聚合物生物填料表面光滑、生物亲和性差的缺陷，本发明提出一种用于微生物处理废水的纤维生物填料及制备方法，从而有效改善了聚丙烯纤维生物填料的表面浸润性和生物亲和性，在污水处理中的效果好，使用寿命长。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于微生物处理废水的纤维生物填料的制备方法，所述聚丙烯纤维生物填料是先将纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和椰油酸二乙醇酰胺混合后与聚丙烯混炼、纺丝，得到聚丙烯纤维膜，然后利用聚乙烯醇水溶液表面处理，接着在表面辊涂甘蔗渣的混合液，最后冷冻处理而制得，具体制备方法如下：

（1）将纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和椰油酸二乙醇酰胺加入粉体混合机中，混合均匀，得到混合粉末；

（2）将混合粉体、聚丙烯树脂加入到螺杆混合机，混炼均匀，然后造粒、干燥，再进行熔融纺丝，得到聚丙烯纤维膜；

（3）将聚乙烯醇加入蒸馏水中，水浴加热混合均匀，然后加入聚丙烯纤维膜,再浸泡处理1-2h，取出后烘干，得到表面处理的聚丙烯纤维膜；

（4）将甘蔗渣通过粉碎机粉碎处理，然后加入到质量浓度为60-70%的乙烯醋酸乙烯共聚物乳液中，加热搅拌，再加入致孔剂，搅拌均匀，得到混合液；

（5）将混合液辊涂于表面处理的聚丙烯纤维膜上，冷冻处理，制得用于微生物处理废水的纤维生物填料。

优选的，步骤（1）中所述混合粉末制备中，纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、椰油酸二乙醇酰胺的质量比例为100:1-3:2-3。

优选的，步骤（2）中所述熔融纺丝的温度为210-230℃，卷绕速率为500-600m/min，喷丝板孔径为0.2-0.5mm。

优选的，步骤（2）中所述聚丙烯纤维膜制备中，聚丙烯树脂、混合粉体的质量比例为100:5-20。

优选的，步骤（3）中所述表面处理的聚丙烯纤维膜制备中，蒸馏水、聚乙烯醇、聚丙烯纤维膜的质量比例为100:30-60:10-30。

优选的，步骤（4）中所述加热搅拌的温度为80-85℃，搅拌转速为500-600rpm。

优选的，步骤（4）中所述混合液制备中，乙烯醋酸乙烯共聚物乳液、甘蔗渣、致孔剂的质量比例为100:30-40:2-4。

优选的，所述致孔剂为海藻酸钙微球。

优选的，步骤（5）中所述冷冻处理中，预冷冻的温度为-10--15℃，时间为0.5-1h，冷冻干燥的温度为-30--40℃，时间为4-6h。

本发明还提供一种上述的制备方法制备得到的一种用于微生物处理废水的纤维生物填料。

现有的聚丙烯纤维生物填料的表面光滑，生物亲和性差，影响了挂膜速度及挂膜量，限制了其在污水处理中的应用。鉴于此，本发明提出一种用于微生物处理废水的纤维生物填料及制备方法，将纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和椰油酸二乙醇酰胺加入粉体混合机中混合均匀，将混合粉体和聚丙烯树脂加入到螺杆混合机中混炼，造粒并干燥，再经熔融纺丝得到聚丙烯纤维膜；聚乙烯醇水浴加热溶于蒸馏水，聚丙烯纤维膜投入其中，浸泡处理，取出并烘干，得表面处理的聚丙烯纤维膜；甘蔗渣通过粉碎机粉碎处理后，加入乙烯醋酸乙烯共聚物乳液中，持续搅拌，再加入海藻酸钙微球致孔剂，搅拌均匀得到混合液；将混合液辊涂在表面处理后的聚丙烯纤维膜上，经预冻、冷冻干燥后制得生物填料。本发明提供的聚丙烯纤维生物填料，浸润性和生物亲和性好，有利于微生物附着生长，提高挂膜速度、挂膜量，并且具有一定的生物降解性能，机械强度和化学稳定性较好，延长了填料的使用寿命，可广泛应用于污水处理工艺中。

本发明提出一种用于微生物处理废水的纤维生物填料及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1、本发明通过辊涂法在聚丙烯纤维表面涂覆甘蔗渣制备生物填料，利用甘蔗渣显著提高了聚丙烯纤维的浸润性和生物亲和性。

2、本发明将天然高分子物质甘蔗渣与高分子材料聚丙烯纤维结合，显著提高了填料表面的生物亲和性，有利于微生物附着生长，提高挂膜速度、挂膜量。

3、本发明制得的聚丙烯纤维生物填料具有一定的生物降解性能，并且具有一定的机械强度和化学稳定性，延长了填料的使用寿命，可广泛应用于污水处理工艺中。

附图说明

图1：实施例1纤维生物填料未挂膜的高倍电子显微图；

图2：实施例1纤维生物填料4d挂膜的高倍电子显微图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

实施例1

（1）将纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和椰油酸二乙醇酰胺加入粉体混合机中，混合均匀，得到混合粉末；混合粉末制备中，纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、椰油酸二乙醇酰胺的质量比例为100:2.5:2.5；

（2）将混合粉体、聚丙烯树脂加入到螺杆混合机，混炼均匀，然后造粒、干燥，再进行熔融纺丝，得到聚丙烯纤维膜；熔融纺丝的温度为218℃，卷绕速率为560m/min，喷丝板孔径为0.3mm；聚丙烯纤维制备中，聚丙烯树脂、混合粉体的质量比例为100:13；

（3）将聚乙烯醇加入蒸馏水中，水浴加热混合均匀，然后加入聚丙烯纤维膜，再浸泡处理1h，取出后烘干，得到表面处理的聚丙烯纤维膜；蒸馏水、聚乙烯醇、聚丙烯纤维膜的质量比例为100:50:18；

（4）将甘蔗渣通过粉碎机粉碎处理，然后加入到质量浓度为66%的乙烯醋酸乙烯共聚物乳液中，加热搅拌，再加入致孔剂，搅拌均匀，得到混合液；致孔剂为海藻酸钙微球；加热搅拌的温度为83℃，搅拌转速为540rpm；混合液制备中，乙烯醋酸乙烯共聚物乳液、甘蔗渣、致孔剂的质量比例为100:36:3；

（5）将混合液辊涂于表面处理的聚丙烯纤维膜上，涂层厚度200μm,冷冻处理，制得用于微生物处理废水的纤维生物填料；冷冻处理中，预冷冻的温度为-13℃，时间为0.5h，冷冻干燥的温度为-36℃，时间为5h。

测试方法：

将本实施例制备获得的纤维生物填料进行表面浸润性测试，取本实施例制得的生物填料，采用kruss德国克吕士接触角测量仪进行测试，测得生物填料表面的水接触角；另外，将干燥填料在水中浸泡60min，取出后称重，根据所增加的质量与干填料质量之比得到填料的吸水率，得到的结果如表1所示；

将本实施例制备获得的纤维生物填料进行生物亲和性测试，取1kg本实施例制得的生物填料，折叠为20×20cm的生物填料置于污泥水，在4d测试氨氮硝化除去率，采用称重法测试1d、2d和4d时的挂膜量，并用显微镜观察填料挂膜情况，得到的结果如表1所示。附图1为纤维生物填料未挂膜的高倍电子显微图；图2为4d挂膜的高倍电子显微图情况，纤维生物填料均匀挂膜，而且保持良好的微孔。

实施例2

（1）将纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和椰油酸二乙醇酰胺加入粉体混合机中，混合均匀，得到混合粉末；混合粉末制备中，纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、椰油酸二乙醇酰胺的质量比例为100:1:2；

（2）将混合粉体、聚丙烯树脂加入到螺杆混合机，混炼均匀，然后造粒、干燥，再进行熔融纺丝，得到聚丙烯纤维膜；熔融纺丝的温度为210℃，卷绕速率为500m/min，喷丝板孔径为0.2mm；聚丙烯纤维制备中，聚丙烯树脂、混合粉体的质量比例为100:5；

（3）将聚乙烯醇加入蒸馏水中，水浴加热混合均匀，然后加入聚丙烯纤维膜，再浸泡处理2h，取出后烘干，得到表面处理的聚丙烯纤维膜；蒸馏水、聚乙烯醇、聚丙烯纤维膜的质量比例为100:30:10；

（4）将甘蔗渣通过粉碎机粉碎处理，然后加入到质量浓度为60%的乙烯醋酸乙烯共聚物乳液中，加热搅拌，再加入致孔剂，搅拌均匀，得到混合液；致孔剂为海藻酸钙微球；加热搅拌的温度为80℃，搅拌转速为500rpm；混合液制备中，乙烯醋酸乙烯共聚物乳液、甘蔗渣、致孔剂的质量比例为100:30:2；

（5）将混合液辊涂于表面处理的聚丙烯纤维膜上，涂层厚度200μm,冷冻处理，制得用于微生物处理废水的纤维生物填料；冷冻处理中，预冷冻的温度为-10℃，时间为1h，冷冻干燥的温度为-30℃，时间为6h。

采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。

实施例3

（1）将纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和椰油酸二乙醇酰胺加入粉体混合机中，混合均匀，得到混合粉末；混合粉末制备中，纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、椰油酸二乙醇酰胺的质量比例为100:3:3；

（2）将混合粉体、聚丙烯树脂加入到螺杆混合机，混炼均匀，然后造粒、干燥，再进行熔融纺丝，得到聚丙烯纤维膜；熔融纺丝的温度为230℃，卷绕速率为600m/min，喷丝板孔径为0.5mm；聚丙烯纤维制备中，聚丙烯树脂、混合粉体的质量比例为100:20；

（3）将聚乙烯醇加入蒸馏水中，水浴加热混合均匀，然后加入聚丙烯纤维膜，再浸泡处理1h，取出后烘干，得到表面处理的聚丙烯纤维膜；蒸馏水、聚乙烯醇、聚丙烯纤维膜的质量比例为100:60:30；

（4）将甘蔗渣通过粉碎机粉碎处理，然后加入到质量浓度为70%的乙烯醋酸乙烯共聚物乳液中，加热搅拌，再加入致孔剂，搅拌均匀，得到混合液；致孔剂为海藻酸钙微球；加热搅拌的温度为85℃，搅拌转速为600rpm；混合液制备中，乙烯醋酸乙烯共聚物乳液、甘蔗渣、致孔剂的质量比例为100:40:2-4；

（5）将混合液辊涂于表面处理的聚丙烯纤维膜上，涂层厚度200μm,冷冻处理，制得用于微生物处理废水的纤维生物填料；冷冻处理中，预冷冻的温度为-15℃，时间为0.5h，冷冻干燥的温度为-40℃，时间为4h。

采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。

实施例4

（1）将纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和椰油酸二乙醇酰胺加入粉体混合机中，混合均匀，得到混合粉末；混合粉末制备中，纳米滑石粉、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、椰油酸二乙醇酰胺的质量比例为100:2:2.5；

（2）将混合粉体、聚丙烯树脂加入到螺杆混合机，混炼均匀，然后造粒、干燥，再进行熔融纺丝，得到聚丙烯纤维膜；熔融纺丝的温度为220℃，卷绕速率为550m/min，喷丝板孔径为0.4mm；聚丙烯纤维制备中，聚丙烯树脂、混合粉体的质量比例为100:12；

（3）将聚乙烯醇加入蒸馏水中，水浴加热混合均匀，然后加入聚丙烯纤维膜，再浸泡处理1h，取出后烘干，得到表面处理的聚丙烯纤维膜；蒸馏水、聚乙烯醇、聚丙烯纤维膜的质量比例为100:45:20；

（4）将甘蔗渣通过粉碎机粉碎处理，然后加入到质量浓度为65%的乙烯醋酸乙烯共聚物乳液中，加热搅拌，再加入致孔剂，搅拌均匀，得到混合液；致孔剂为海藻酸钙微球；加热搅拌的温度为82℃，搅拌转速为550rpm；混合液制备中，乙烯醋酸乙烯共聚物乳液、甘蔗渣、致孔剂的质量比例为100:35:3；

（5）将混合液辊涂于表面处理的聚丙烯纤维膜上，涂层厚度200μm,冷冻处理，制得用于微生物处理废水的纤维生物填料；冷冻处理中，预冷冻的温度为-12℃，时间为1h，冷冻干燥的温度为-35℃，时间为5h。

采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。

对比例1

对比例1与实施例1相比，未添加甘蔗渣，制得的纤维生物填料采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。

表1: