專利名稱：水處理用生物親和親水活性磁種填料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明是用于生物處理工業(yè)廢水或生活污水的微生物載體(即生物填料)的制備方法，具體地是水處理用生物親和親水活性磁種填料的制備方法。以本發(fā)明方法制備的生物填料不但具有生物親和性和親水性，還能激發(fā)微生物細胞活性和提高氧利用率等性能，特別適用于廢(污)水的生物膜好氧生物降解處理。
背景技術：
生物填料是生物膜水處理技術的核心之一，目前生物填料種類按常用的安裝方式分類有固定式(主要有蜂窩狀和波紋板狀硬性填料)、懸掛式(包括軟性填料、半軟性填料、組合填料和彈性填料)和分散式(散堆式和懸浮式填料)等幾種類型。生物填料主要以聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酯等高分子材料為原材料而制成，填料開發(fā)的側重點在填料的比表面積、填料結構與布水布氣防堵性能及生物膜更新等方面。在實際應用中，人們發(fā)現以這些材質制成的填料，其親水性能(材料表面吸附水分的能力)和生物親和性(生物相容性與生物活性)較差，導致生物填料表面潤濕、傳質性能和微生物附著生長特性欠佳，在微生物掛膜啟動速度、掛膜量、膜與填料的緊密度及微生物細胞活性和氧利用率等方面存在不足。
目前雖有不少研究開發(fā)人員通過對生物填料進行表面處理(如機械打磨糙化、以含強氧化性物質的酸溶液浸泡腐蝕或紫外線高能輻照)來改善填料表面潤濕性能，但隨著水處理的不斷進行，處理過的表面會由于水氣流的不斷沖擊和微生物不間斷的新陳代謝而逐漸消磨，使得處理效率不穩(wěn)定；近年亦有在高分子原材料中引入親水性物質(如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺)等途徑來提高填料親水性和加快微生物掛膜啟動速度的報導，但填料的生物親和性和生物活性仍感不足，從而使填料表面微生物膜的致密性、膜與填料間的緊密度、微生物活性及氧利用率等方面都有待于進一步提高。
另一方面，在最近幾年，有關磁場效應在廢(污)水生物降解中的應用研究非常活躍，已有大量的研究報導，在污水生物降解用的生化反應器外加一磁場，可大大提高廢水的生物處理效率。但所有磁場強化生物降解的報導均局限于實驗室研究，這主要是由于通常實際廢(污)水生物處理設備的體積龐大，外加磁場尚有一定困難。本發(fā)明中將少量磁粉和強磁微粒以及生物親和親水物質結合到常用的生物塑料填料中，充磁后形成具有弱磁場的生物親和親水活性磁種填料，當將該填料置于污水生物氧化降解設備內時(包括固定床和流化床填料)，每個填料就等同于一個微型的附加磁場的生物反應器，從而可較容易地實現磁致物理化學生物效應在實際廢(污)水生物處理中的推廣應用。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于針對現有技術存在的問題，提供一種水處理用生物親和親水活性磁種填料的制備方法，制備的填料可改善其生物親和性、生物活性、親水性不足和氧利用率不夠高等特性，具有生物親和性和親水性、同時能誘導微生物活性及酶活性并可提高水中氧利用率和水處理效率，本發(fā)明適用于固定式、懸掛式和分散式填料中任何一種填料的制造。
本發(fā)明通過下述技術方案來實現在高分子基材中混入生物親和物質、親水性物質、磁粉和活性炭、或磁粉和碳酸鈣，加入分散潤滑劑，攪拌均勻后，投入注塑機中，通過填料模具擠出成型，充磁；所述高分子基材可以是聚丙烯、或聚乙烯、或聚氯乙烯、或聚酯；所述生物親和物質為海藻酸鈣、淀粉、明膠、骨粉、纖維素、殼聚糖及其衍生物、羥基磷灰石、聚醋酸乙烯酯其中一種或一種以上混合物；所述親水物質是聚乙烯醇、聚乙烯乙二醇、聚丙烯酰胺、瓊脂、卡拉膠、角叉萊膠、光硬化樹脂、硅膠、硅藻土其中一種或一種以上混合物；所述磁粉主要是四氧化三鐵、三氧化二鐵、一氧化鐵、鋇鐵氧體、稀土強磁微粒如釹鐵硼其中一種或一種以上混合物；所述磁粉還可以在戊二醛中浸泡活化，制成活性磁粉再用于制備本發(fā)明的填料；分散潤滑劑包括動植物油和白礦油的混合物；上述原料用量的重量份數如下高分子基材 50～100生物親和物質2～20親水物質2～20磁粉2～15活性炭或碳酸鈣 1～5分散潤滑劑 1～10，其中潤滑劑如動植物油0.5～5，分散劑如白礦油0.5～5。
最佳用量重量份數范圍高分子基材 70～90生物親和物質3～10親水物質3～10磁粉4～10活性炭或碳酸鈣 1～5分散潤滑劑 1～8，其中潤滑劑如動植物油0.5～4，分散劑如白礦油0.5～4。
本發(fā)明更具體的制備方法如下先用部分分散潤滑劑將磁粉和活性炭或碳酸鈣潤濕，并在攪拌機中與生物親和物質及親水物質混勻，再與高分子基材混合，一起移入注塑機的攪拌料斗中，并添加余下的分散潤滑劑，注塑出填料，填料經5000～10000高斯的磁場充磁，即可制成帶有弱磁場的生物親和親水活性磁種填料。
本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點1.由于所填充的生物親和物質大都為微生物細胞固定化常用的生物載體，因而所制得的填料生物相容性好、生物活性高，填料表面上的部分生物親和物質如極少量淀粉或骨粉等可作為微生物生長的部分營養(yǎng)源，同時這些填料表面上的生物營養(yǎng)源在掛膜過程中或掛膜后會逐漸被微生物所降解形成微孔，因而還具致孔劑的功能，可增大填料的比表面積，為微生物提供更多的附著生長點，使微生物附著生長更加容易和緊密牢固，耐曝氣沖擊能力和耐負荷沖擊能力提高。
2.由于所添加的親水性物質和一些生物親和物質含有親水基團，使填料具有較強的親水性，因而填料表面的潤濕性能和傳質性能增強，用相同形狀體積但不同材質的填料在水中浸泡，在相同的浸泡時間下，本發(fā)明的生物親和親水活性磁種填料比普通塑料填料對水有更大的持重量，將填料從水中取出時，可觀察到生物親和親水活性磁種填料表面附有均勻的水膜，并緩慢散去，而普通塑料填料表面則很快形成水珠滴落。
3.同時將多個相同形狀規(guī)格的所制生物親和親水活性磁種填料和普通塑料填料置于一污水好氧生物處理系統(tǒng)中進行試驗，系統(tǒng)中活性污泥濃度為3～5g/L，曝氣量0.03-0.04m3/h。實驗發(fā)現，不到2天本發(fā)明所制得的生物親和親水活性磁種填料就有灰色絮狀微生物附著，而普通塑料填料在7～9天后才會有較明顯的掛膜跡象，掛膜穩(wěn)定后，測量兩種填料的掛膜量，發(fā)現生物親和親水活性磁種填料的掛膜量比普通塑料填料掛膜量高1～8倍，增大曝氣量還發(fā)現生物親和親水活性磁種填料比普通塑料填料耐曝氣負荷沖擊，不易脫落，表明生物親和親水活性磁種填料不但掛膜啟動容易快速，而且填料上生物膜的致密性和附著力都相對較高。
4.由于充磁后的生物親和親水活性磁種填料中的磁種周圍帶有弱磁場，而氧為超順磁性物質，因此曝氣時空氣中的氧會在磁種附近停留，延長氣液接觸時間，提高水中溶氧的利用率，空氣中的氮氦等氣體則不被截留發(fā)生聚集；另外生物親和親水活性磁種填料中的磁種還可通過磁力鍵、磁力、洛侖茲力和磁致膠體效應等作用，將水中污染物等經磁聚、吸附、富集到填料表面；加上生物親和親水活性磁種填料有促使微生物在其表面附著生長的固有特性，以及目前已經發(fā)現不少菌種為嗜磁污水降解菌(如光合細菌、氧化鐵硫桿菌等)。這樣就會造成在生物親和親水活性磁種填料表面形成一個有機物濃度、微生物量和溶氧濃度都相對較高的區(qū)域，大大增加了三者的接觸和擴散幾率，同時，經磁化的水滲透壓升高，有利于有機物和氧經生物膜向微生物細胞質的擴散，強化了物質傳遞及膜內的生化反應；弱磁場的存在還會促進生物細胞生長和新陳代謝，并誘導酶的合成和酶活，加快酶反應。在污水好氧生物處理系統(tǒng)中的實驗結果表明，采用本發(fā)明所制的生物親和親水活性磁種填料，比相同形狀規(guī)格的普通塑料填料可大幅提高CODcr的去除效率，而且CODcr去除率也有一定程度的提高。
5.目前雖有大量實驗室研究報導，在污水生物降解用的生化反應器外加一磁場，可大大提高廢水的生物處理效率。但由于通常實際廢(污)水生物處理設備的體積龐大，外加磁場強化生物降解有一定困難。本發(fā)明中將少量磁粉和強磁微粒(及生物親和親水物質)結合到常用的生物塑料填料中，充磁后形成具有弱磁場的生物親和親水活性磁種填料，當將該填料置于污水生物氧化降解設備內時(包括固定床和流化床填料)，每個填料就等同于一個微型的附加磁場的生物反應器，從而可較容易實現磁致物理化學生物效應技術在實際廢(污)水生物處理中的推廣應用。
6.本發(fā)明由于采用了適宜的分散潤滑劑及合理的加工工藝，因此生物親和親水活性磁種填料的加工非常方便，添加物無須先在擠出機或造粒機中造粒，可直接在注塑機上與填料的高分子基材顆?；旌献⑺艹尚?，簡化了加工工序，節(jié)約了生產成本。
具體實施方式
實施例1以聚丙烯顆粒為基材(3680克)，稱取白礦油(25克)、植物油(15克)將磁粉(210克)潤濕，然后在攪拌機中將其與聚乙烯醇(110克)和淀粉(100克)的混合物混勻，移入注塑機的攪拌斗中，再加入白礦油(30克)和植物油(30克)，混合好后注塑成型，制得填料70個，所制填料的比重約為0.94，再將所制填料移入5000高斯左右的磁場中，充磁后，所制的生物親和親水活性磁種填料帶有10～30高斯的永久弱磁場。將多個相同形狀規(guī)格的所制生物親和親水活性磁種填料和普通聚丙烯塑料填料分別置于相同條件的污水好氧生物處理系統(tǒng)中，進行CODcr去除對比試驗，系統(tǒng)中初始CODcr為500-600mg/L，活性污泥濃度為3～5g/L，曝氣量0.03-0.04m3/h。CODcr測定結果表明，使用本發(fā)明制得的生物親和親水活性磁種填料的水處理系統(tǒng)，4天后的CODcr去除率已達8 1％，而普通聚丙烯塑料填料系統(tǒng)的CODcr去除率只有51％。
實施例2以聚丙烯顆粒為基材(3100克)，稱取白礦油(40克)、植物油(35克)，將含稀土強磁微粒的磁粉(300克)和碳酸鈣粉末(60克)的混合物潤濕，然后在攪拌機中將其與聚乙烯醇(250克)、海藻酸鈣(100克)和淀粉(180克)的混合物混勻，移入注塑機的攪拌斗中，再加入白礦油(70克)、植物油(65克)，混合好后注塑成型，所制得填料(70個)的比重約為0.98，再將所制填料移入10000高斯的磁場中，充磁后，所制的生物親和親水活性磁種填料帶有30～60高斯的永久弱磁場。CODcr測定結果表明，使用本發(fā)明制得的生物親和親水活性磁種填料的水處理系統(tǒng)，3天后的CODcr去除率已達91％，而普通聚丙烯塑料填料系統(tǒng)的CODcr去除率只有48％。
實施例3以聚丙烯顆粒為基材(3400克)，稱取白礦油(35克)、植物油(25克)，將含稀土強磁微粒的磁粉(250克)和活性炭粉末(45克)的混合物潤濕，然后在攪拌機中將其與聚乙烯醇(180克)和海藻酸鈣(155克)的混合物混勻，移入注塑機的攪拌斗中，再加入白礦油(60克)、植物油(50克)，混合好后注塑成型，所制得填料(70個)的比重約為0.96，再將所制填料移入8000高斯的磁場中，充磁后，所制的生物親和親水活性磁種填料帶有20～50高斯的永久弱磁場。CODcr測定結果表明，使用本發(fā)明制得的生物親和親水活性磁種填料的水處理系統(tǒng)，3天后的CODcr去除率已達88％，而普通聚丙烯塑料填料系統(tǒng)的CODcr去除率只有48％。
權利要求
1.一種水處理用生物親和親水活性磁種填料的制備方法，其特征在于在高分子基材中混入生物親和物質、親水性物質、磁粉和活性炭、或磁粉和碳酸鈣，加入分散潤滑劑，攪拌均勻后，投入注塑機中，通過填料模具擠出成型，充磁；所述高分子基材是聚丙烯、或聚乙烯、或聚氯乙烯、或聚酯；所述生物親和物質為海藻酸鈣、淀粉、明膠、骨粉、纖維素、殼聚糖及其衍生物、羥基磷灰石、聚醋酸乙烯酯其中一種或一種以上混合物；所述親水物質是聚乙烯醇、聚乙烯乙二醇、聚丙烯酰胺、瓊脂、卡拉膠、角叉萊膠、光硬化樹脂、硅膠、硅藻土其中一種或一種以上混合物；所述磁粉是四氧化三鐵、三氧化二鐵、一氧化鐵、鋇鐵氧體、稀土強磁微粒如釹鐵硼其中一種或一種以上混合物，或其在戊二醛中浸泡活化得到的磁粉；分散潤滑劑是動植物油、白礦油其中一種或一種以上混合物；上述原料用量的重量份數如下高分子基材 50～100生物親和物質 2～20親水物質 2～20磁粉 2～15活性炭或碳酸鈣 1～5分散潤滑劑 1～10，其中潤滑劑0.5～5，分散劑0.5～5。
2.根據權利要求1所述的水處理用生物親和親水活性磁種填料的制備方法，其特征在于先用部分分散潤滑劑將磁粉和活性炭或碳酸鈣潤濕，并在攪拌機中與生物親和物質及親水物質混勻，再與高分子基材混合，一起移入注塑機的攪拌料斗中，并添加余下的分散潤滑劑，注塑出填料，填料經5000～10000高斯的磁場充磁，即可制成磁種填料。
全文摘要
一種水處理用生物親和親水活性磁種填料的制備方法，其特征在于在高分子基材中混入生物親和物質、親水性物質、磁粉和活性炭、或磁粉和碳酸鈣，加入分散潤滑劑，攪拌均勻后，投入注塑機中，通過填料模具擠出成型，充磁；制備的填料可改善其生物親和性、生物活性、親水性不足和氧利用率不夠高等特性，具有生物親和性和親水性、同時能誘導微生物活性及酶活性并可提高水中氧利用率和水處理效率，本發(fā)明適用于固定式、懸掛式和分散式填料中任何一種填料的制造。
文檔編號C02F3/10GK1522972SQ0314038
公開日2004年8月25日 申請日期2003年9月3日 優(yōu)先權日2003年9月3日
發(fā)明者程江, 張凡, 皮丕輝, 文秀芳, 楊卓如, 程 江 申請人:華南理工大學