专利名称：水处理用生物亲和亲水活性磁种填料的制备方法
技术领域：
本发明是用于生物处理工业废水或生活污水的微生物载体(即生物填料)的制备方法，具体地是水处理用生物亲和亲水活性磁种填料的制备方法。以本发明方法制备的生物填料不但具有生物亲和性和亲水性，还能激发微生物细胞活性和提高氧利用率等性能，特别适用于废(污)水的生物膜好氧生物降解处理。
背景技术：
生物填料是生物膜水处理技术的核心之一，目前生物填料种类按常用的安装方式分类有固定式(主要有蜂窝状和波纹板状硬性填料)、悬挂式(包括软性填料、半软性填料、组合填料和弹性填料)和分散式(散堆式和悬浮式填料)等几种类型。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为原材料而制成，填料开发的侧重点在填料的比表面积、填料结构与布水布气防堵性能及生物膜更新等方面。在实际应用中，人们发现以这些材质制成的填料，其亲水性能(材料表面吸附水分的能力)和生物亲和性(生物相容性与生物活性)较差，导致生物填料表面润湿、传质性能和微生物附着生长特性欠佳，在微生物挂膜启动速度、挂膜量、膜与填料的紧密度及微生物细胞活性和氧利用率等方面存在不足。
目前虽有不少研究开发人员通过对生物填料进行表面处理(如机械打磨糙化、以含强氧化性物质的酸溶液浸泡腐蚀或紫外线高能辐照)来改善填料表面润湿性能，但随着水处理的不断进行，处理过的表面会由于水气流的不断冲击和微生物不间断的新陈代谢而逐渐消磨，使得处理效率不稳定；近年亦有在高分子原材料中引入亲水性物质(如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺)等途径来提高填料亲水性和加快微生物挂膜启动速度的报导，但填料的生物亲和性和生物活性仍感不足，从而使填料表面微生物膜的致密性、膜与填料间的紧密度、微生物活性及氧利用率等方面都有待于进一步提高。
另一方面，在最近几年，有关磁场效应在废(污)水生物降解中的应用研究非常活跃，已有大量的研究报导，在污水生物降解用的生化反应器外加一磁场，可大大提高废水的生物处理效率。但所有磁场强化生物降解的报导均局限于实验室研究，这主要是由于通常实际废(污)水生物处理设备的体积庞大，外加磁场尚有一定困难。本发明中将少量磁粉和强磁微粒以及生物亲和亲水物质结合到常用的生物塑料填料中，充磁后形成具有弱磁场的生物亲和亲水活性磁种填料，当将该填料置于污水生物氧化降解设备内时(包括固定床和流化床填料)，每个填料就等同于一个微型的附加磁场的生物反应器，从而可较容易地实现磁致物理化学生物效应在实际废(污)水生物处理中的推广应用。
发明内容本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种水处理用生物亲和亲水活性磁种填料的制备方法，制备的填料可改善其生物亲和性、生物活性、亲水性不足和氧利用率不够高等特性，具有生物亲和性和亲水性、同时能诱导微生物活性及酶活性并可提高水中氧利用率和水处理效率，本发明适用于固定式、悬挂式和分散式填料中任何一种填料的制造。
本发明通过下述技术方案来实现在高分子基材中混入生物亲和物质、亲水性物质、磁粉和活性炭、或磁粉和碳酸钙，加入分散润滑剂，搅拌均匀后，投入注塑机中，通过填料模具挤出成型，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；所述生物亲和物质为海藻酸钙、淀粉、明胶、骨粉、纤维素、壳聚糖及其衍生物、羟基磷灰石、聚醋酸乙烯酯其中一种或一种以上混合物；所述亲水物质是聚乙烯醇、聚乙烯乙二醇、聚丙烯酰胺、琼脂、卡拉胶、角叉莱胶、光硬化树脂、硅胶、硅藻土其中一种或一种以上混合物；所述磁粉主要是四氧化三铁、三氧化二铁、一氧化铁、钡铁氧体、稀土强磁微粒如钕铁硼其中一种或一种以上混合物；所述磁粉还可以在戊二醛中浸泡活化，制成活性磁粉再用于制备本发明的填料；分散润滑剂包括动植物油和白矿油的混合物；上述原料用量的重量份数如下高分子基材 50～100生物亲和物质2～20亲水物质2～20磁粉2～15活性炭或碳酸钙 1～5分散润滑剂 1～10，其中润滑剂如动植物油0.5～5，分散剂如白矿油0.5～5。
最佳用量重量份数范围高分子基材 70～90生物亲和物质3～10亲水物质3～10磁粉4～10活性炭或碳酸钙 1～5分散润滑剂 1～8，其中润滑剂如动植物油0.5～4，分散剂如白矿油0.5～4。
本发明更具体的制备方法如下先用部分分散润滑剂将磁粉和活性炭或碳酸钙润湿，并在搅拌机中与生物亲和物质及亲水物质混匀，再与高分子基材混合，一起移入注塑机的搅拌料斗中，并添加余下的分散润滑剂，注塑出填料，填料经5000～10000高斯的磁场充磁，即可制成带有弱磁场的生物亲和亲水活性磁种填料。
本发明与现有技术相比，具有以下优点1.由于所填充的生物亲和物质大都为微生物细胞固定化常用的生物载体，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亲和物质如极少量淀粉或骨粉等可作为微生物生长的部分营养源，同时这些填料表面上的生物营养源在挂膜过程中或挂膜后会逐渐被微生物所降解形成微孔，因而还具致孔剂的功能，可增大填料的比表面积，为微生物提供更多的附着生长点，使微生物附着生长更加容易和紧密牢固，耐曝气冲击能力和耐负荷冲击能力提高。
2.由于所添加的亲水性物质和一些生物亲和物质含有亲水基团，使填料具有较强的亲水性，因而填料表面的润湿性能和传质性能增强，用相同形状体积但不同材质的填料在水中浸泡，在相同的浸泡时间下，本发明的生物亲和亲水活性磁种填料比普通塑料填料对水有更大的持重量，将填料从水中取出时，可观察到生物亲和亲水活性磁种填料表面附有均匀的水膜，并缓慢散去，而普通塑料填料表面则很快形成水珠滴落。
3.同时将多个相同形状规格的所制生物亲和亲水活性磁种填料和普通塑料填料置于一污水好氧生物处理系统中进行试验，系统中活性污泥浓度为3～5g/L，曝气量0.03-0.04m3/h。实验发现，不到2天本发明所制得的生物亲和亲水活性磁种填料就有灰色絮状微生物附着，而普通塑料填料在7～9天后才会有较明显的挂膜迹象，挂膜稳定后，测量两种填料的挂膜量，发现生物亲和亲水活性磁种填料的挂膜量比普通塑料填料挂膜量高1～8倍，增大曝气量还发现生物亲和亲水活性磁种填料比普通塑料填料耐曝气负荷冲击，不易脱落，表明生物亲和亲水活性磁种填料不但挂膜启动容易快速，而且填料上生物膜的致密性和附着力都相对较高。
4.由于充磁后的生物亲和亲水活性磁种填料中的磁种周围带有弱磁场，而氧为超顺磁性物质，因此曝气时空气中的氧会在磁种附近停留，延长气液接触时间，提高水中溶氧的利用率，空气中的氮氦等气体则不被截留发生聚集；另外生物亲和亲水活性磁种填料中的磁种还可通过磁力键、磁力、洛仑兹力和磁致胶体效应等作用，将水中污染物等经磁聚、吸附、富集到填料表面；加上生物亲和亲水活性磁种填料有促使微生物在其表面附着生长的固有特性，以及目前已经发现不少菌种为嗜磁污水降解菌(如光合细菌、氧化铁硫杆菌等)。这样就会造成在生物亲和亲水活性磁种填料表面形成一个有机物浓度、微生物量和溶氧浓度都相对较高的区域，大大增加了三者的接触和扩散几率，同时，经磁化的水渗透压升高，有利于有机物和氧经生物膜向微生物细胞质的扩散，强化了物质传递及膜内的生化反应；弱磁场的存在还会促进生物细胞生长和新陈代谢，并诱导酶的合成和酶活，加快酶反应。在污水好氧生物处理系统中的实验结果表明，采用本发明所制的生物亲和亲水活性磁种填料，比相同形状规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.目前虽有大量实验室研究报导，在污水生物降解用的生化反应器外加一磁场，可大大提高废水的生物处理效率。但由于通常实际废(污)水生物处理设备的体积庞大，外加磁场强化生物降解有一定困难。本发明中将少量磁粉和强磁微粒(及生物亲和亲水物质)结合到常用的生物塑料填料中，充磁后形成具有弱磁场的生物亲和亲水活性磁种填料，当将该填料置于污水生物氧化降解设备内时(包括固定床和流化床填料)，每个填料就等同于一个微型的附加磁场的生物反应器，从而可较容易实现磁致物理化学生物效应技术在实际废(污)水生物处理中的推广应用。
6.本发明由于采用了适宜的分散润滑剂及合理的加工工艺，因此生物亲和亲水活性磁种填料的加工非常方便，添加物无须先在挤出机或造粒机中造粒，可直接在注塑机上与填料的高分子基材颗粒混合注塑成型，简化了加工工序，节约了生产成本。
具体实施方式
实施例1以聚丙烯颗粒为基材(3680克)，称取白矿油(25克)、植物油(15克)将磁粉(210克)润湿，然后在搅拌机中将其与聚乙烯醇(110克)和淀粉(100克)的混合物混匀，移入注塑机的搅拌斗中，再加入白矿油(30克)和植物油(30克)，混合好后注塑成型，制得填料70个，所制填料的比重约为0.94，再将所制填料移入5000高斯左右的磁场中，充磁后，所制的生物亲和亲水活性磁种填料带有10～30高斯的永久弱磁场。将多个相同形状规格的所制生物亲和亲水活性磁种填料和普通聚丙烯塑料填料分别置于相同条件的污水好氧生物处理系统中，进行CODcr去除对比试验，系统中初始CODcr为500-600mg/L，活性污泥浓度为3～5g/L，曝气量0.03-0.04m3/h。CODcr测定结果表明，使用本发明制得的生物亲和亲水活性磁种填料的水处理系统，4天后的CODcr去除率已达8 1％，而普通聚丙烯塑料填料系统的CODcr去除率只有51％。
实施例2以聚丙烯颗粒为基材(3100克)，称取白矿油(40克)、植物油(35克)，将含稀土强磁微粒的磁粉(300克)和碳酸钙粉末(60克)的混合物润湿，然后在搅拌机中将其与聚乙烯醇(250克)、海藻酸钙(100克)和淀粉(180克)的混合物混匀，移入注塑机的搅拌斗中，再加入白矿油(70克)、植物油(65克)，混合好后注塑成型，所制得填料(70个)的比重约为0.98，再将所制填料移入10000高斯的磁场中，充磁后，所制的生物亲和亲水活性磁种填料带有30～60高斯的永久弱磁场。CODcr测定结果表明，使用本发明制得的生物亲和亲水活性磁种填料的水处理系统，3天后的CODcr去除率已达91％，而普通聚丙烯塑料填料系统的CODcr去除率只有48％。
实施例3以聚丙烯颗粒为基材(3400克)，称取白矿油(35克)、植物油(25克)，将含稀土强磁微粒的磁粉(250克)和活性炭粉末(45克)的混合物润湿，然后在搅拌机中将其与聚乙烯醇(180克)和海藻酸钙(155克)的混合物混匀，移入注塑机的搅拌斗中，再加入白矿油(60克)、植物油(50克)，混合好后注塑成型，所制得填料(70个)的比重约为0.96，再将所制填料移入8000高斯的磁场中，充磁后，所制的生物亲和亲水活性磁种填料带有20～50高斯的永久弱磁场。CODcr测定结果表明，使用本发明制得的生物亲和亲水活性磁种填料的水处理系统，3天后的CODcr去除率已达88％，而普通聚丙烯塑料填料系统的CODcr去除率只有48％。
权利要求
1.一种水处理用生物亲和亲水活性磁种填料的制备方法，其特征在于在高分子基材中混入生物亲和物质、亲水性物质、磁粉和活性炭、或磁粉和碳酸钙，加入分散润滑剂，搅拌均匀后，投入注塑机中，通过填料模具挤出成型，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；所述生物亲和物质为海藻酸钙、淀粉、明胶、骨粉、纤维素、壳聚糖及其衍生物、羟基磷灰石、聚醋酸乙烯酯其中一种或一种以上混合物；所述亲水物质是聚乙烯醇、聚乙烯乙二醇、聚丙烯酰胺、琼脂、卡拉胶、角叉莱胶、光硬化树脂、硅胶、硅藻土其中一种或一种以上混合物；所述磁粉是四氧化三铁、三氧化二铁、一氧化铁、钡铁氧体、稀土强磁微粒如钕铁硼其中一种或一种以上混合物，或其在戊二醛中浸泡活化得到的磁粉；分散润滑剂是动植物油、白矿油其中一种或一种以上混合物；上述原料用量的重量份数如下高分子基材 50～100生物亲和物质 2～20亲水物质 2～20磁粉 2～15活性炭或碳酸钙 1～5分散润滑剂 1～10，其中润滑剂0.5～5，分散剂0.5～5。
2.根据权利要求1所述的水处理用生物亲和亲水活性磁种填料的制备方法，其特征在于先用部分分散润滑剂将磁粉和活性炭或碳酸钙润湿，并在搅拌机中与生物亲和物质及亲水物质混匀，再与高分子基材混合，一起移入注塑机的搅拌料斗中，并添加余下的分散润滑剂，注塑出填料，填料经5000～10000高斯的磁场充磁，即可制成磁种填料。
全文摘要
一种水处理用生物亲和亲水活性磁种填料的制备方法，其特征在于在高分子基材中混入生物亲和物质、亲水性物质、磁粉和活性炭、或磁粉和碳酸钙，加入分散润滑剂，搅拌均匀后，投入注塑机中，通过填料模具挤出成型，充磁；制备的填料可改善其生物亲和性、生物活性、亲水性不足和氧利用率不够高等特性，具有生物亲和性和亲水性、同时能诱导微生物活性及酶活性并可提高水中氧利用率和水处理效率，本发明适用于固定式、悬挂式和分散式填料中任何一种填料的制造。
文档编号C02F3/10GK1522972SQ0314038
公开日2004年8月25日 申请日期2003年9月3日 优先权日2003年9月3日
发明者程江, 张凡, 皮丕辉, 文秀芳, 杨卓如, 程 江 申请人:华南理工大学