申请日2009.04.24
公开(公告)日2009.09.23
IPC分类号C02F3/10; C02F3/12
摘要
本发明涉及一种污水生物处理高效新型生物载体及其制备方法。该生物载体包括PP、PE及乙烯丙烯共聚物、相容剂、无机材料、植物材料、磁性颗粒及废橡胶按一定比例经共混、挤出或注塑加工制备，从而提供一种具有大比表面积，高亲水性、表面易挂膜的生物载体，其形状可以是球形、纤维状、各种造型多面体或粉末，或还可以再经粉碎、酸碱反应、表面涂覆等化学或物理方法处理，进一步提高比表面积，增强生物膜在载体上的附着能力，提高微生物浓度。本发明提供的生物载体制备方法简单，载体密度调节范围宽，可比水轻或重，其材料易得，成本低，COD去除效率高，造型多样，适用于所有的废水生物处理。
权利要求书
1、一种污水生物处理高效新型生物载体，其特征在于包括下列组份及 组份重量百分数经充分混合、成型、处理而成
聚乙烯和/或聚丙烯或乙烯丙烯共聚物 30～95wt%
相容剂 1～30wt%
无机材料 4～50wt%
植物材料 0～30wt%
磁性颗粒 0～30wt%
废橡胶 0～30wt%。
2、根据权利要求1所述污水生物处理高效新型生物载体，其特征在于： 所述相容剂为马来酸酐、丙烯酸、丙烯酸酯、醋酸乙烯酯、苯乙烯、甲基 丙烯酸或甲基丙烯酸酯单体单独或多组分接枝共聚的聚丙烯和/或聚乙烯 及乙烯丙共聚物的接枝共聚物，接枝率为0.5～30%。
3、根据权利要求1所述污水生物处理高效新型生物载体，其特征在于 所述无机材料为二氧化硅、碳酸钙、滑石粉、粉煤灰、凹凸棒土、陶土、 硅藻土、活性炭、Al2O3、轻质碳酸钙或蒙脱土的一种或多种组合，其粒子 直径100μm～10μm。
4、根据权利要求1所述污水 生物处理高效新型生物载体，其特征在于 所述植物材料为未加工或加工过的植物果实及纤维，粒子直径10μm～5mm。
5、根据权利要求4所述污水生物处理高效新型生物载体，其特征在于 所述未加工或加工过的植物果实及纤维为木粉、稻壳、花生壳、稻秸秆、 麦秸秆、玉米秸秆、棉纤维、竹纤维或麻纤维的一种或多种组合。
6、根据权利要求1所述污水生物处理高效新型生物载体，其特征在于 所述的磁性颗粒为含铁磁性物质的一种或一种以上的混合物，粒子直径1 μm～1mm。
7、根据权利要求6所述污水生物处理高效新型生物载体，其特征在于 所述含铁磁性物质为四氧化三铁、金属铁粉或磁铁矿粉，粒子直径1μm～ 50μm。
8、一种权利要求1的污水生物处理高效新型生物载体的制备方法，包 括下列步骤：
①将无机材料、植物材料、磁性颗粒及废橡胶分别在60～150℃进行干 燥，并分别粉碎成粒子直径1mm～10μm;
②将步骤①得到的干燥无机材料、植物材料、磁性颗粒及废橡胶单独 或任意组合与聚乙烯和/或聚丙烯或乙烯丙烯共聚物及相容剂按各组份重 量百分数比例充分混合后，经挤出、成型形成球形、造形多面体、纤维或 网状的生物载体，直接使用;
或③将步骤②得到的生物载体再经气波粉碎机或精细粉碎机粉碎至粒 子直径为1×10-6至1×10-10m的污水生物处理的生物载体;
或④将步骤②或③分别得到的生物载体再经化学或物理方法处理。
9、根据权利要求8所述污水生物处理高效新型生物载体制备方法，其 特征在于所述化学或物理方法为酸反应、碱反应、表面活性剂涂覆、水性 环氧树脂涂覆或偶联剂涂覆。
说明书
一种污水生物处理高效新型生物载体及其制备方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，特别是涉及一种污水生物处理高效新型生物 载体及其制备方法。
背景技术
污水(包括废水)生物处理包括活性污泥法和生物膜法等。目前，污水 生物处理有其重要地位：①城市污水中约有60%以上的有机物只有用生物 法去除才最经济;②污水中氮的去除一般来说只有依靠生物法;③目前 世界上已建成的城市污水处理厂有90%以上是生物处理法;④大多数工业 污水或废水处理厂也是以生物法为主体的。
污水生物膜法处理的核心部分是生物膜的载体，微生物附着于生物载体 表面，利用其自身的新陈代谢吸收水中的污染物来净化污水，故生物载体 的性能直接影响微生物的新陈代谢整个过程，因此也直接影响着污水的处 理效果。目前，国内外采用的生物载体主要有：陶瓷、活性炭、无烟煤、 细石英砂、黄沙、烟道灰、炉渣、塑料球等。它们普遍存在循环回流能耗 大、比表面积小、载体脱膜困难、制备工艺复杂，原料成本及使用成本高 等缺点。
应用于活性污泥法污水处理的磁性生物载体，添加于曝气池中有助于提 高生物浓度，提高污水处理效率，是目前较先进的生物载体，但也存在载 体比表面积有限、载体选用材料成本高、微生物附着性较差的缺点。 CN101254976A公开了磁性生物载体，其组分为磁性颗粒7～21wt%;高分 子聚合物79～93wt%，所述的高分子树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯， 粉状橡胶，其制备方法需经研磨、过筛，制备过程比较复杂，其生物载体 为粒径0.043～0.315mm的颗粒，生物载体形状单一，限制了其适用范围， 也限制了生物载体的比表面积大小;成本较高;其产品密度为1.0～1.4g /cm3，调整余地不大，使用范围有限;表面是非极性或弱极性的高分子材 料，其生物附着力不够。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在诸多缺点，经发明人长期从事 污水处理的开发、研究及生产实践，开发一种大大提高污水处理效果和能 力、降低处理成本的污水生物处理高效新型生物载体及其制备方法。
本发明提供的一种污水生物处理高效新型生物载体，包括下列组份及 组份重量百分数经充分混合、成型、处理而成。
聚乙烯和/或聚丙烯或乙烯丙烯共聚物 30～95wt%
相容剂 1～30wt%
无机材料 4～50wt%
植物材料 0～30wt%
磁性颗粒 0～30wt%
废橡胶 0～30wt%
所述相容剂为接枝共聚物，例如由马来酸酐、丙烯酸、丙烯酸酯、醋酸 乙烯酯、苯乙烯、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸酯等单体单独或多组分接枝共 聚的聚丙烯和/或聚乙烯或乙烯丙烯共聚物的接枝共聚物，接枝率为0.5～ 30%，优选接枝率为10～25%。
所述无机材料包括例如二氧化硅、碳酸钙、滑石粉、粉煤灰、凹凸棒土、 陶土、硅藻土、活性炭、高岭土、Al2O3、轻质碳酸钙或蒙脱土等无机材料， 其粒子直径1×10-6至1×10-9m(相当100μm至10μm)，这些无机材料可 单独使用或以任何比例混配使用。
所述植物材料，通常指未加工或加工过的植物果实及纤维，例如木纤维、 稻壳、花生壳、稻秸秆、麦秸秆、玉米秸秆、棉纤维、竹纤维或麻纤维等， 这些植物材料可单独使用或以任何比例混配使用，其直径1μm-5mm，优选 为10μm-500μm。
所述磁性颗粒为含铁磁性物质的一种或一种以上的混合物，混合比例可 以任何比例，例如四氧化三铁、金属铁粉或磁铁矿粉等，其粒子直径1×10-6 至1×10-9m，更优选为1×10-7至1×10-9m(亚纳米级及纳米级)。
所述废橡胶包括各种橡胶制品例如各种汽车车辆轮胎、工业橡胶制品以 及生活橡胶制品回收的废橡胶，优选为废橡胶精细粉(100-500目)，可以 大大降低成本，提高污水生物处理环境，有利于污水生物处理。
本发明提供一种污水生物处理高效新型生物载体的制备方法，包括下列 步骤：
①将无机材料、植物材料、磁性颗粒及废橡胶，分别在60～150℃，优 选100～120℃进行干燥，并分别粉碎成粒子直径1mm～10μm;
②将步骤①得到的干燥无机材料、植物材料、废橡胶或磁性颗粒单独 或任意组合与聚乙烯和/或聚丙烯或乙烯丙烯共聚物及相容剂按各组份重 量百分数(各组份之和为100wt%比例)比例充分混合后，经挤出、成型形 成各种不同形状例如球形、造形多面体、纤维或网状等的生物载体直接应 用;
或③再将步骤②得到的生物载体经气波粉碎机或精细粉碎机(市售产 品)粉碎至粒子直径为1×10-6至1×10-10m，(即纳微米级)污水生物处理 的生物载体;
或④将步骤②或③分别得到的生物载体经化学或物理方法处理例如经 酸反应或碱反应使生物载体的无机成分溶解，得到纳米至微米级多孔状的 生物载体，或经表面活性剂、水溶性环氧树脂或偶联剂涂覆等处理得到新 型生物载体。
本发明提供的污水生物处理高效新型生物载体及其制备方法中，所述污 水包括各种污水例如工业污水如石油化工或化工污水、炼油污水、造纸污 水、印染污水、炼焦污水、矿山污水、钢铁污水等，以及城市生活污水等。
本发明所述聚乙烯和/或聚丙烯或乙烯共聚物是指聚乙烯、聚丙烯、以任 何比例混配的聚乙烯和聚丙烯，乙烯与丙烯的二元或含有少量第三单体的 三元共聚物，以及它们的回收废塑料。所述相容剂为聚乙烯和/或聚丙烯的 接枝共聚物，这些接枝共聚物中与聚乙烯和/或聚丙烯或乙烯共聚物组份具 有相同的聚合物链及链节，所以相容性极好，同时又引入强极性反应性基 团，表面有羟基、酯基、羧基等亲水性极性基团，使生物载体表面具有高 的极性，与其它无机材料、植物材料及磁性颗粒同样具有极好相容性，各 组份采用纳微米级粒度材料使生物载体内外结构非常均一，大大提高生物 菌的附着力及生存繁殖环境，为生物菌迅速破坏分解、吸收污水中有机物 特别含氮物质创造极其有利条件。达到分子级或近似分子级水平，相似于 生物菌水平，添加无机材料，使载体表面有很多无机材料特别是纳米或微 米的无机材料，既降低了成本，更提高了生物菌的附着力，还可以通过酸 反应、碱反应，使生物载体的无机成分溶解，形成纳米级至微米级孔洞以 提高生物菌特别是厌氧菌和消化菌的生存空间，同时提高附着力;添加植 物材料，首先降低成本，其次部分植物材料在使用过程中自然腐烂，形成 孔洞，再次延长废水微生物环境的生物链，有助于按使用者的意图培养各 类所需要的生物菌，通过以上多方面的技术集成组合，可以大大提高生物 载体的比表面积，生物菌的附着力，提高生物膜的厚度，减少剩余污泥量。 本发明的生物载体密度可调，有比水轻和比水重两个大类，0.92～0.99g /cm3和1.1～1.5g/cm3两种密度区间，适用于不同的废水生物处理办法; 同时生物载体表面和内在的材料性能一致，表面老化或脱落后又能形成新 的表面，同样具有与新载体一致的性能。本发明提供的生物载体形状可以 是球形、纤维状、各种造型多面体或粉末，适应性更广。本发明的磁性材 料达到微米级至纳米级粉末的生物载体形态克服现有技术不足，效果更好， 成本更低，表面更适合生物菌附着，密度可以比水轻，也可以比水重，可 适用于所有的污水生物处理办法，并优于其他生物载体。
本发明提供的污水生物处理的高效新型生物载体，是所述的其相关组分 经共混、挤出或注塑加工制备的一种生物载体，可直接使用或经再加工使 用，从而提供一种具有大比表面积，高亲水性、表面具有类似天然无机材 料及天然高分子材料特性、易挂膜，并且密度可以控制的生物载体(0.9～ 1.50g/cm3可任意调整)。其形状可以是球形、纤维状、各种造型多面体 或粉末(精细粉末)，成型后的生物载体有较好的机械强度，不易变形和 破碎，并易回收。其中添加磁性颗粒的新型生物载体可以制成粉末状，在 使用后用磁分离技术回收。
本发明提供的生物载体在制造过程中，尤其在共混、挤出或注塑中可以 根据加工工艺产品品种要求加入适量加工助剂如抗氧剂1010等，它是本技 术领域公知技术及所用助剂。
本发明提供的其组分共混、挤出或注塑形成密度0.90～1.50g/cm3间可 任意调整的，优选0.92～0.99g/cm3和1.1～1.5g/cm3两种密度区间的 生物载体颗粒或纤维或造型多面体，经后处理或直接投加到厌氧反应器、 兼氧池或曝气池特别是MBBR池里，与投加普通生物载体相比，增加了池中 的生物浓度，提高了COD去除率，其中所述的生物载体颗粒还可加工如再 经粉碎成1×10-6～1×10-9m的微小颗粒载体;其中所述的后处理再加工是指 采用现有技术的酸反应、碱反应、表面活性剂涂覆、水性环氧树脂涂覆、 偶联剂涂覆等化学或物理处理方法，使所述的污水生物处理的新型生物载 体更能有效增大比表面积，增强生物膜在生物载体上的附着能力，提高微 生物浓度，提高COD去除率。
本发明提供的污水生物处理的高效新型生产载体及其制备方法的优点：
1)本发明提供生物载体，添加相容剂接枝共聚物，引入与PE和/或PP 或乙烯丙烯共聚物具有相同聚合链及链节及强极性反应性基团，表面有羟 基、酯基、羧基等亲水性极性基团，使生物载体表面具有高的极性，同时 各组份之间相容性极好，大大提高生物菌的附着力;添加无机材料及废橡 胶，使载体表面有很多无机材料特别是纳米或微米的无机材料，创造生物 相似的生活环境，又降低了成本，更提高了生物菌的附着力，还可以通过 酸反应、碱反应，使生物载体的无机成分溶解，形成纳米级至微米级孔洞 以提高生物菌特别是厌氧菌和消化菌的生存空间，同时提高附着力;添加 植物材料，首先降低成本，其次部分植物材料在使用过程中自然腐烂，形 成孔洞，再次延长污水微生物环境的生物链，有助于按使用者的意图培养 各类所需要的生物菌，通过以上多方面的技术集成组合，可以大大提高生 物载体的比表面积，生物菌的附着力，提高生物膜的厚度，从而有效提高 处理装置的能力及效果，减少剩余污泥量。本发明的生物载体密度可调， 有比水轻和比水重两个大类，0.92～0.99g/cm3和1.1～1.5g/cm3两种 密度区间，适用于不同的废水生物处理办法;同时生物载体表面和内在的 材料性能一致，表面老化或脱落后又能形成新的表面，同样具有与新载体 一致的性能;本发明生物载体形状可以是球形、纤维状、各种造型多面体 或粉末，适应性更广，成本更低。
2)本发明提供的生物载体适用于所有的污水生物处理办法，生物附着 好、处理效果好、水力停留时间缩短，可大大提高已有污水生物处理法装 置的处理能力和处理效果。
3)本发明提供的生物载体具有很大的比表面积，用于污水生物处理时， 载体附着的活性污泥浓度高，使得本法具有很高的容积负荷，从而能大大 减小土建投资。
4)本发明提供的生物载体用于污水生物处理，使用寿命长，降低污水 处理的成本。
5)本发明提供的生物载体可采用废旧高分子聚合物(如废橡胶、废的 PP和PE)、植物纤维和无机材料，使废旧产品及生物质资源得到利用的同 时，也降低了本载体的生产成本，进而降低了污水处理的建设和运行成本。
6)本发明提供的生物载体制备方法简单，所需试剂及材料易得。
7)本发明提供的生物载体制备方法，采用熔融共混挤出成型制备，优 点在于设备简单，可控制性强，生产周期短，易于实现工业化生产。
8)本发明提供的生物载体制备方法，经化学和物理方法处理，可以进 一步提高载体比表面积和表面性能。
9)回收的生物载体，用羟基自由基氧或臭氧或二氧化氯或次氯酸钠等 药剂杀菌后脱膜，再经过水洗后可直接用于其他的污水生物处理。
10)本发明的生物载体易于回收，添加磁性材料的粉末生物载体可以 用磁分离方法回收;未添加磁性材料的比水轻的粉末生物载体，可以自然 静置或使用机械分离回收;非粉末的生物载体直接回收。