公布日：2023.12.12
申请日：2023.09.27
分类号：C02F3/10(2023.01)I;C02F3/12(2023.01)I;C02F3/30(2023.01)I;C02F3/34(2023.01)I
摘要
本申请涉及了一种改性植绒生物填料的制备方法，包括以下步骤：(1)N等离子体轰击生物填料表面；(2)原位聚合植绒胶黏剂；(3)静电植绒；(4)固化；得到改性植绒生物填料。通过本发明方法制备的生物填料表面具有丰富的短纤维，有利于微生物的繁殖和生长，且植绒胶黏剂与生物材料基材结合紧密，不存在脱落的问题。同时公开了改性植绒生物填料的应用，将该生物填料应用于固定床反应器，可以解决反应器启动时间长的问题，同时提高微生物挂膜效果，保证活性污泥长期运行的稳定性。
权利要求书
1.一种改性植绒生物填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)N等离子体轰击生物填料表面1)采用体积10-20％H2的混合气体N2/H2作为气体载体，在100-200W功率下轰击生物填料0.5-1小时，使材料表面富含-NH2或-NH基团；(2)原位聚合植绒胶黏剂1)将二缩水甘油醚加入到100g惰性溶剂中，混合均匀，将步骤(1)处理的生物填料迅速的浸入混合液中，回流60℃，2-4小时；2)向反应液中滴加固化剂，继续搅拌0.5-1小时；(3)静电植绒将步骤(2)的载体放入植绒机下极板中，将短纤维放入上极板，极板间距离为7-15cm；打开静电加工设备，静电发生器电压为40-100kV，在高压电场作用下，短纤维垂直落到含有植绒胶黏剂的载体上，0.1-1小时后关闭静电加工设备；(4)固化将步骤(3)载体放入通风橱内进行风干，表面干燥后，放入氮气保护的60-80℃烘箱中进行固化1-3小时，得到改性后的植绒生物填料。
2.根据权利要求1所述的一种改性植绒生物填料的制备方法，其特征在于，所述二缩水甘油醚是聚乙二醇二缩水甘油醚400、聚乙二醇二缩水甘油醚1000、聚乙二醇二缩水甘油醚2000、聚乙二醇二缩水甘油醚6000、聚丙二醇二缩水甘油醚380、聚丙二醇二缩水甘油醚640中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种改性植绒生物填料的制备方法，其特征在于，所述惰性溶剂是乙酸乙酯、四氢呋喃、三氯甲烷、二氯甲烷中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种改性植绒生物填料的制备方法，其特征在于，所述二缩水甘油醚与惰性溶剂的质量比是20-40：100。
5.根据权利要求1所述的一种改性植绒生物填料的制备方法，其特征在于，所述固化剂是乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、二乙氨基丙胺中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种改性植绒生物填料的制备方法，其特征在于，所述固化剂与二缩水甘油醚的摩尔比是2：3-4。
7.根据权利要求1所述的一种改性植绒生物填料的制备方法，其特征在于，所述纤维类型包括棉纤维、粘胶短绒、尼龙短绒、腈纶或涤纶。
8.根据权利要求1所述的一种改性植绒生物填料的制备方法，其特征在于，生物填料的半径15mm，高度10mm，材质为聚乙烯，比表面积＞500m2/m3。
9.一种权利要求1-8任一项所述的制备方法制备的改性植绒生物填料的应用，将上述生物填料用于生物固定床反应器。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：(1)在生物固定床反应器中，加入活性污泥及上述改性后的植绒生物填料；(2)每天运行4个周期，每个周期6h，各阶段具体运行时段为：进水10min、厌氧350min、排水10min和好氧350min，每次进水、出水为400mL；(3)运行10天，进行COD及氨氮去除。
发明内容
针对现有技术的水处理生物填料的启动周期长，挂膜速度慢，生物膜易脱落的问题，本发明提供了一种生物填料的改性方法，利用等离子体对材料表面进行预处理，进行表面原位聚合植绒胶粘剂，再通过静电植绒工艺在其表面排布短纤维，最后经过固化工艺将短纤维固定在材料表面。通过本发明方法制备的生物填料表面具有丰富的短纤维，有利于微生物的繁殖和生长，且植绒胶黏剂与生物材料基材结合紧密，不存在脱落的问题。
本发明的技术方案是：
一种改性植绒生物填料的制备方法，具体操作步骤如下：
(1)N等离子体轰击生物填料表面
1)采用低体积H2(10-20％)的混合气体(N2/H2)作为气体载体，在100-200W功率下轰击生物填料0.5-1小时，使材料表面富含-NH2或-NH基团。
通过该步骤可以使得材料表面富含-NH2或-NH基团。
(2)原位聚合植绒胶黏剂
1)将50mL堆积体积的二缩水甘油醚加入到100g惰性溶剂中，混合均匀，将步骤(1)处理的生物填料迅速的浸入混合液中，回流60℃，2-4小时。
2)向反应液中滴加固化剂，继续搅拌0.5-1小时。
(3)静电植绒
将步骤(2)的载体放入植绒机下极板中，将短纤维放入上极板，极板间距离为7-15cm。打开静电加工设备，静电发生器电压为40-100kV，在高压电场作用下，短纤维垂直落到含有植绒胶黏剂的载体上，0.1-1小时后关闭静电加工设备。
通过该步骤使载体表面植入短纤维。
(4)固化
将步骤(3)载体放入通风橱内进行风干，表面干燥后，放入氮气保护的60-80℃烘箱中进行固化1-3小时，得到改性植绒生物填料。
本发明通过等离子体技术，在生物填料表面引入-NH2或-NH基团，后通过原位聚合植绒胶黏剂，在植绒机中将短纤维植绒到生物填料表面。该合成方法工艺步骤少，操作简单。
进一步地，所述二缩水甘油醚是聚乙二醇二缩水甘油醚400、聚乙二醇二缩水甘油醚1000、聚乙二醇二缩水甘油醚2000、聚乙二醇二缩水甘油醚6000、聚丙二醇二缩水甘油醚380、聚丙二醇二缩水甘油醚640中的一种。
进一步地，所述惰性溶剂是乙酸乙酯、四氢呋喃、三氯甲烷、二氯甲烷中的一种。
进一步地，所述二缩水甘油醚与惰性溶剂的质量比是20-40：100。
进一步地，所述固化剂是乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、二乙氨基丙胺中的一种。
进一步地，所述固化剂与二缩水甘油醚的摩尔比是2：3-4。
进一步地，所述纤维类型包括棉纤维、粘胶短绒、尼龙短绒、腈纶、涤纶等。
进一步地，所述生物填料的半径15mm，高度10mm，材质为聚乙烯，比表面积＞500m2/m3。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种改性生物填料的应用，将上述生物填料用于生物固定床反应器，包括以下步骤：
(1)在生物固定床反应器中，加入一定量活性污泥及上述改性后的植绒生物填料。
(2)每天运行4个周期，每个周期6h，各阶段具体运行时段为：进水(10min)、厌氧(350min)、排水(10min)和好氧(350min)每次进水、出水为400mL。
(3)运行10天后，观察生物填料的负载微生物效果，测试反应器的COD及氨氮等去除效果。
所述进水采用实验室污水配方，以葡萄糖和乙酸钠为碳源，硫酸铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，单位MLSS的污水COD负荷为0.4Kg/(Kg·d)，此外，为保证活性污泥的生长代谢活动，添加少量微量元素。
将该生物填料应用于固定床反应器，可以解决反应器启动时间长的问题，同时提高微生物挂膜效果，保证活性污泥长期运行的稳定性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用等离子体技术轰击材料表面，与常用的添加化学试剂方法相比，可以减少化学的试剂使用，工艺步骤少，操作简单，环境友好。
(2)本发明在生物填料表面原位聚合植绒胶黏剂，使用该方法获得的生物填料经植绒后，短纤维黏结牢固，不易脱落，应用于固定床反应器有更好的挂膜效果和抗水力冲击效果，可以减少污泥的损失，从而有较好的污染物及氨氮去除效果。
（发明人：冯权;秦凡;郭荣波）