專利名稱：一種懸浮微生物載體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境工程材料領(lǐng)域，涉及一種多孔微生物載體材料的制備方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的污水生化處理設(shè)備中(曝氣池)引入高效微生物載體材料，對于提高廢水處理能力和效率、降低剩余污泥量意義重大。目前，廢水生化處理中應(yīng)用的材料主要是采用固定安裝的懸掛式纖維束，但其尚存在安裝和更換麻煩，負(fù)載微生物量有限等不足。
由于大孔聚合物載體具有很高的可供微生物定殖的空間，其研究和開發(fā)具有重要的應(yīng)用價值。CN1216581A中公布了一種多孔聚乙烯醇縮甲醛的海綿顆粒微生物載體，其孔徑為20-300μm。由于缺乏大孔結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)物和代謝物的攝入和排出的通道受限，也不利于氣、液及固相中物質(zhì)的快速傳遞。CN1557872A中公開了一種高吸水聚乙烯醇發(fā)泡體，由聚合度為2000～3200的高粘度的聚乙烯醇縮甲醛后發(fā)泡得到的連續(xù)開孔發(fā)泡體，吸水倍數(shù)8.6～32倍，容重30～105Kg/m3。由于采取化學(xué)發(fā)泡劑碳酸氫鈉等，它難以精確控制孔分布及結(jié)構(gòu)，得到的材料為無序亂孔結(jié)構(gòu)。此外，聚乙烯醇海綿或發(fā)泡體的制造過程中常加入成孔劑淀粉類物質(zhì)，由于需要后清洗以去掉其殘留物的工序，增加了生產(chǎn)的難度和勞動強度，其制造工藝有待于改進(jìn)。
雖然聚乙烯醇材料親水，其具有優(yōu)良的生物親和性，非常適合于用作微生物載體材料，但由于目前聚乙烯醇海綿或發(fā)泡體受其密度和孔結(jié)構(gòu)的限制，其制造材料原料成本較高，離工業(yè)廢水處理用填料的低價格和高性能的要求尚有距離，其應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供廢水處理用的無機/聚乙烯醇復(fù)合泡沫材料微生物載體及其制備方法。所述的載體材料用于廢水處理，具有規(guī)則的大孔和微孔組合結(jié)構(gòu)，比表面積大，吸附性能好，具有較好的機械強度，成本低廉。所述的制備方法簡單，材料的結(jié)構(gòu)與性能易于控制。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)的用于廢水處理的無機/聚乙烯醇復(fù)合泡沫材料微生物載體，該載體微生物載體為黑色彈性體顆粒，其特征在于它的結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀大孔和微孔骨架組合結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔孔徑在0.5～2mm之間，骨架微孔孔徑小于100μm，容重為10～30Kg/m3，比表面積在20～100m2/g之間。
上述微生物載體的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將100份聚乙烯醇溶于水中制成8～12％(Wt％)的聚乙烯醇水溶液；(2)將50～180份40％的硫酸和30～200份甲醛液先后加入到聚乙烯醇水溶液中，于20～60℃溫度下反應(yīng)5～20分鐘；然后加入5～50份粉末狀無機填料，高速攪拌下使其分散均勻；
(3)將上述混合料液注入耐酸模具中，通過微孔氣體分布器，通入預(yù)熱空氣發(fā)泡，使料液體積增大到原先的2～10倍；(4)密封模具腔室，40～80℃溫度下處理4～24小時；(5)打開模具，取出成型物，用水清洗干凈，切割加工成成品。
本發(fā)明所述的粉末狀無機填料為具有吸附性能的多孔狀物，如活性炭、硅藻土和海泡石等，或為它們的混合物，其粒徑最好小于50μm。
本發(fā)明采用的是微孔布?xì)獍l(fā)泡方式，即通過微孔氣體分布器將空氣預(yù)分配成均勻的小氣泡進(jìn)行發(fā)泡。本發(fā)明所述的氣體分布器可為微孔玻璃、微孔陶瓷或微孔高分子材料等，其微孔孔徑最好在10～100μm范圍內(nèi)。
本發(fā)明具有以下特點(1)無機/聚乙烯醇復(fù)合泡沫材料微生物載體材料呈開放性網(wǎng)狀大孔洞和微孔骨架組合結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮其作為微生物載體材料的空間立體效應(yīng)。大孔洞空間結(jié)構(gòu)有利于高負(fù)荷負(fù)載微生物，有利于為營養(yǎng)物和代謝物的攝入和排出提供順暢的通道，有利于氣、液及固相中物質(zhì)的傳遞；而骨架的粗糙微孔結(jié)構(gòu)能賦予其高比表面積，同時有利于增加微生物掛膜的速度、牢度和數(shù)量。
(2)制造過程中加入的無機填料成分，能起補強、調(diào)節(jié)微孔結(jié)構(gòu)、提高吸附性能等復(fù)合效應(yīng)。
(3)采取微孔布?xì)獍l(fā)泡法能有效地控制聚乙烯醇發(fā)泡體的孔隙率、氣泡孔徑大小及其分布。通過此法可將聚乙烯醇基多孔材料的容重降低到小于30Kg/m3以下，大大低于目前此類材料的容重水平，使其制造原料成本大大降低，符合于水處理行業(yè)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的低成本要求。
本發(fā)明的無機/聚乙烯醇復(fù)合泡沫材料微生物載體材料集微孔大表面、大孔通透性、親水性及強吸附性于一體，具有傳質(zhì)性能好、微生物親和性優(yōu)良、生物負(fù)載量高、物理與化學(xué)穩(wěn)定性好、懸浮流動性及制造成本低等顯著特點，完全能滿足水處理用懸浮填料的應(yīng)用要求。


圖1為本發(fā)明實施例1制備出的大孔網(wǎng)狀開孔結(jié)構(gòu)的無機/PVA泡沫復(fù)合材料的掃描電鏡照片。
圖2為為本發(fā)明實施例2制備出的大孔網(wǎng)狀開孔結(jié)構(gòu)的無機/PVA泡沫復(fù)合材料的掃描電鏡照片圖3為為本發(fā)明實施例3制備出的大孔網(wǎng)狀開孔結(jié)構(gòu)的無機/PVA泡沫復(fù)合材料的掃描電鏡照片具體實施方式
本發(fā)明將通過以下實施例作進(jìn)一步地說明。
實施例1將100g聚合度為1799的聚乙烯醇在攪拌下加入到750ml水中，逐步升溫至90℃，至聚乙烯醇溶解完全。
待聚乙烯醇溶液溫度降至50℃時，緩慢加入180ml 40％的硫酸，此時體系溫度會上升，待溫度回落到50℃時，加入100ml甲醛液進(jìn)行縮醛化反應(yīng)。10分鐘后，加入15g海泡石粉末，快速攪拌使其在溶液相中分散均勻。然后，將物料混合液倒入耐酸塑料模具中，通過微孔玻璃氣體分布器由模具底部通入預(yù)熱空氣，使其體積增大到5000ml，停止通氣，將模具密封后置于50℃溫度下處理6小時。最后打開模具，取出灰色發(fā)泡體，用水洗去殘留的硫酸，切割成10～30mm大小的立方體顆粒。
干燥后樣品負(fù)載海泡石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13％。材料的掃描電鏡照片附圖1顯示，所得材料為開放型規(guī)則網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，其孔結(jié)構(gòu)類似于網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料，孔徑在0.5～2mm之間，其骨架微孔孔徑小于10μm。容重約為23Kg/m3，比表面積為22m2/g。
實施例2將100g聚合度為1799的聚乙烯醇在攪拌下加入到900ml水中，逐步升溫至90℃，至聚乙烯醇溶解完全。
待聚乙烯醇溶液溫度降至30℃時，緩慢加入160ml 40％的硫酸，此時體系溫度會上升，待溫度回落到30℃時，加入80ml甲醛液進(jìn)行縮醛化反應(yīng)。15分鐘后，加入20g粉末活性炭，快速攪拌使其在溶液相中分散均勻。然后，將物料混合液倒入耐酸塑料模具中，通過微孔玻璃氣體分布器由模具底部通入預(yù)熱空氣，使其體積增大到7600ml，停止通氣，將模具密封后置于40℃溫度下處理20小時。最后打開模具，取出成型的黑色發(fā)泡體，用水洗去殘留的硫酸，切割成10～30mm大小的立方體顆粒。
得到的發(fā)泡體負(fù)載活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17％，其外觀及網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)與實施例1一致，孔徑在0.5～2mm之間，容重約為15Kg/m3。
材料的掃描電鏡照片見圖2顯示，其骨架微孔孔徑比實施例1所得樣品大些，大部分在30μm以下，其孔隙更為發(fā)達(dá)，比表面積為34m2/g。
實施例3按實施例2同樣的方法，活性炭的添加量改為40g，其它組成及操作方法不變。得到的發(fā)泡體負(fù)載活性炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28％，其外觀及孔結(jié)構(gòu)與實施例2一致，孔徑在0.5～2mm之間，容重約為18Kg/m3。
材料的掃描電鏡照片見圖3可顯示，其骨架微孔孔徑比實施例2所得樣品大些，大部分在60μm以下，其孔隙更為發(fā)達(dá)，比表面積為69m2/g。
實施例4按實施例2所得樣品6L投入20L容量的有機玻璃柱中，加滿水，由底部通氣。在通氣操作1至30天的周期內(nèi)，當(dāng)通氣強度高時，載體材料流化在水中，顆粒之間產(chǎn)生較劇烈的碰撞現(xiàn)象；當(dāng)停止通氣時，載體材料吸水后由于比重略大于水之值，其沉積于容器底部，材料的形狀無任何改變，水相為完全透明的清夜，說明材料的穩(wěn)定性好，在撞擊狀態(tài)下不會脫落碎片，使用安全性能好。
之后加入接種活性污泥和培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，每天更換一次新鮮的培養(yǎng)基和水源。培養(yǎng)7天后，在微曝氣的條件下，載體在柱內(nèi)沿氣流方向環(huán)流湍動，呈完全流化狀態(tài)，在載體的三維空間上布滿淡黃色微生物，而水相為清液，說明微生物容易在載體孔道中著床、生長。停止通氣，負(fù)載微生物載體全部沉入有機玻璃柱底部。
結(jié)果表明，本發(fā)明的多孔載體材料其微生物親和性優(yōu)良、掛膜快，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不變形，化學(xué)穩(wěn)定性好、耐生物降解，負(fù)載微生物后懸浮流動性佳，適合于水處理用懸浮填料的性能要求。
權(quán)利要求
1.一種懸浮微生物載體，載體為無機/聚乙烯醇復(fù)合泡沫材料，呈黑色彈性體顆粒，其特征是結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀大孔和微孔骨架組合結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔孔徑在0.5～2mm之間，骨架微孔孔徑小于100μm，容重為10～30Kg/m3，比表面積在20～100m2/g之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的載體的制備方法，其特征是(1)將100份聚乙烯醇溶于水中制成8～12％(Wt％)的聚乙烯醇水溶液；(2)將50～180份40％的硫酸和30～200份甲醛液先后加入到聚乙烯醇水溶液中，于20～60℃溫度下反應(yīng)5～20分鐘；然后加入5～50份粉末狀無機填料，高速攪拌下使其分散均勻；(3)將上述混合料液注入耐酸模具中，通過微孔氣體分布器，通入預(yù)熱空氣發(fā)泡，使料液體積增大到原先的2～10倍；(4)密封模具腔室，40～80℃溫度下處理4～24小時；(5)打開模具，取出成型物，用水清洗干凈，切割加工成成品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的載體的制備方法，其特征是所述的無機填料為活性炭、硅藻土和海泡石或它們的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2、3所述的載體的制備方法，其特征是所述的無機填料粒徑小于50μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的載體的制備方法，其特征是所述的微孔氣體分布器為微孔玻璃、微孔陶瓷或微孔高分子材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的載體的制備方法，其特征是所述的微孔氣體分布器孔徑10～100μm。
全文摘要
一種懸浮微生物載體及其制備方法，載體為網(wǎng)狀大孔和微孔骨架組合結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔孔徑0.5～2mm，骨架微孔孔徑小于100μm，容重10～30Kg/m
文檔編號C02F3/10GK1868919SQ20061005174
公開日2006年11月29日 申請日期2006年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者張文龍, 李茂康, 蔣柏泉, 劉燕燕 申請人:南昌大學(xué)