CN111137976A - 一种缓释微量元素的水处理悬浮填料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓释微量元素的水处理悬浮填料，属于水处理领域，其技术方案要点如下，按照重量份数计算，包括如下组分：高密度聚乙烯60‑90份；可降解塑料、橡胶、马来酸酐接枝聚乙烯、活性炭粉；单一或复合微量元素和比重调节材料。其制备方法包括以下操作步骤：S1.将可降解塑料、三元乙丙橡胶、马来酸酐接枝聚乙烯及微量元素的氧化物或盐搅拌混合，烘干，造粒得到颗粒；S2.将S1得到的颗粒与高密度聚乙烯、活性炭粉和比重调节材料混合成混料；S3.将上述混料熔融后挤出成型并切割成需要长度。本发明提供缓释微量元素的水处理悬浮填料单独应用于水处理中或与其他填料按照不同比例组合应用于水处理中具有产业价值。

Description

一种缓释微量元素的水处理悬浮填料及其制备方法

技术领域

本发明涉及水处理领域，具体而言，涉及一种缓释微量元素的水处理悬浮填料。

背景技术

缓释技术，就是在一个特定体系中，通过某些措施来维持某些特殊物质的释放速度，从而保证在某段时间内使某种物质维持在稳定的浓度范围之内。在水处理领域，常见的是缓释水处理剂，是将某些特殊活性物质与介体以“捆绑”的形式制备成一个均相载体，当其在水中发生溶蚀时，活性物质得到释放，发挥其作用，但是当特殊物质全部释出后，填料的结构会解体形成碎片，导致后续工艺设备的损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种缓释微量元素的水处理悬浮填料，可以释放微量元素，使悬浮填料在污水处理中更具实用价值。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种缓释微量元素的水处理悬浮填料，按照重量份数计算，包括如下组分：高密度聚乙烯60-90份；可降解塑料5-30份；橡胶1-20份；马来酸酐接枝聚乙烯5-10份；活性炭粉1-10份；单一或复合微量元素5-20份；比重调节材料1-20份。

进一步的，可降解塑料为聚乳酸或聚羟基脂肪酸或两者任意比例的混合物。

进一步的，聚乳酸是以可再生植物资源中提取出的淀粉作为原材料制成。

进一步的，聚乳酸是以玉米、红薯或马铃薯中提取出的淀粉作为原材料制成。

进一步的，聚乳酸的粒径为0.5-2mm

进一步的，聚羟基脂肪酸是由微生物合成的生物塑料。

进一步的，聚羟基脂肪酸优选为聚-β-羟基丁酸(PHB)。

进一步的，高密度聚乙烯的密度为0.95-0.96g/cm³，粒径为0.1-4mm。

进一步的，微量元素为Fe、Zn、Co、Mg、Mn、Cn、Ca、Mo、K或稀土元素中的任意一种或几种的混合物。很多的微量元素在适宜的浓度具有明显的促进微生物生长或活性的作用，它们通过作为生物酶合成组分、辅酶因子或参与电子转移等途径促进微生物的生长。这些微量元素包括：Fe、Zn、Co、Mg、Mn、Cn、Ca、Mo、K及部分稀土元素等。如Fe元素，是生物体系中含量最多的过渡金属元素，它通常与蛋白质辅酶因子相结合，参与微生物的催化、氧化还原或电子传递过程。研究发现，厌氧氨氧化菌十分依赖一些含铁蛋白尤其是细胞色素来进行能量的转换。Fe有可能成为厌氧氨氧化反应器启动过程中的缺乏元素。厌氧氨氧化菌体内含有很多铁存储“站点”，这些存储的铁元素通常以Fe²⁺的形式作为Fe-S蛋白及血红素蛋白的辅酶因子参与到厌氧氨氧化菌的电子传递过程中包括NH₄ ⁺-N到N₂的转变，并能够促进厌氧氨氧化菌的新陈代谢。

进一步的，微量元素的供体为微量元素的氧化物或无机盐。

进一步的，橡胶优选为三元乙丙橡胶，且三元乙丙橡胶的粒径为0.5-2nm，将三元乙丙橡胶加入可降解塑料和高密度聚乙烯的共混物中能够提高材料的表面张力和抗拉伸性能，同时保证当可降解塑料完全降解后填料整体不会解体，能够继续作为普通填料使用，避免后续工艺设备的损坏。

进一步的，马来酸酐接枝聚乙烯的粒径为0.5-5nm，有效质含量80％-90％，由于高密度聚乙烯和可降解塑料的结构差异较大，因此马来酸酐接枝聚乙烯的加入能够提高两者的相容性；并且高密度聚乙烯和可降解塑料的结晶度和结晶性不同，在熔融状态下，马来酸酐接枝聚乙烯的加入能够使两者在熔融状态下的融合度更高，挤出成型更加容易，且冷却后不易分离。

进一步的，活性炭粉末粒径为400-600目，纯度为99.9％。活性炭粉末可增加填料的比表面积和亲水性，能够保证填料在水中悬浮。

进一步的，比重调节材料为碳酸钙或滑石粉。

进一步的，一种缓释微量元素的水处理悬浮填料的制备方法，包括以下操作步骤：

S1.将可降解塑料、三元乙丙橡胶、马来酸酐接枝聚乙烯及微量元素的氧化物或盐搅拌混合，烘干，造粒得到颗粒；

S2.将所述S1得到的颗粒与高密度聚乙烯、活性炭粉和比重调节材料混合成混料；

S3.将上述混料熔融后挤出成型并切割成需要长度。

进一步的，在S2中的混合为高速搅拌混合，搅拌机转速为100-500rpm。

进一步的，在S3中的混料熔融料筒不同部位温度不同，采用“两头低，中间高”的形式，整体温度区间在150-190℃。

进一步的，在S3中，热挤压成型后立即快速冷却，冷却形式为水冷。

进一步的，一种缓释微量元素的水处理悬浮填料的应用方法，缓释微量元素的水处理悬浮填料单独应用于水处理中或与其他填料按照不同比例组合应用于水处理中。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)微量元素可随着可降解塑料的降解而同步从填料中释放出来，达到缓释的效果，微量元素的缓释浓度可由不同的聚乳酸配比进行控制。

(2)微量元素全部释出后，填料的结构不会解体形成碎片，不至于导致后续工艺设备的损坏。

(3)可降解塑料(PLA或PHA)的水解过程中产生的有机物可作为营养物质利于微生物挂膜和生长；也在反硝化过程中为微生物提供碳源，起到了双重作用。

具体实施方式

实施例1：一种可以缓释亚铁促进厌氧氨氧化菌活性的水处理悬浮填料，按照重量份数计算，材料配比为：高密度聚乙烯80份；聚乳酸15份；三元乙丙橡胶10份；马来酸酐接枝聚乙烯8份；活性炭粉8份；氯化亚铁6份；增加比重调节材料使填料比重在0.98-0.99g/cm³，此填料适用于在厌氧或缺氧工况，亚铁盐的存在可以促进厌氧氨氧化菌等微生物的挂膜和活性。

制备过程：S1.将聚乳酸、三元乙丙橡胶、马来酸酐接枝聚乙烯及氯化亚铁搅拌混合，105℃烘干至恒重，造粒得到颗粒；

S2.将上述颗粒与高密度聚乙烯、活性炭粉、比重调节材料用300rpm高速搅拌机混合成混料；

S3.将上述混料导入螺杆挤塑机，挤塑机设置五路加热装置对料筒的温度进行控制，温度组合比较适合该配方原料的加工：160℃，175℃，180℃，175℃，和170℃，挤出成型后立即水冷，并切割成需要长度。

所得填料按照《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》(CJ/T 461-2014)的规定进行测试，测试结果如下：

表1实施例1填料性能测试结果

由实施例1测试结果可知：三元乙丙橡胶的加入，提高了填料的表面张力和抗拉伸性能，同时保证当可降解塑料完全降解后填料整体不会解体，能够继续作为普通填料使用，避免后续工艺设备的损坏；马来酸酐接枝聚乙烯的加入能够使两者在熔融状态下的融合度更高，挤出成型更加容易，且冷却后不易分离，填料的抗压强度和压缩回弹率满足相应标准。

针对厌氧氨氧化菌生长速率较慢，倍增时间长(通常为11-15天)，导致工艺启动时间长，影响工艺的实际应用等问题，采用UASB中的活性污泥，投加实施例1所述填料挂膜。采用完全封闭厌氧培养模式，在恒温摇床中以150rpm、30℃±2℃进行振荡培养。试验运行单周期为2天，每周期交换体积为50mL，即交换比为50％。试验分为两组，A组为普通MBBR填料组，B组为实施例1填料组。

结果表明，B组的平均总氮去除率比A组高10.33％；B组厌氧氨氧化菌活性提高最明显，第30天，B组对厌氧氨氧化菌活性的提高程度与A组相比具有显著性差异(p<0.05)，比A组高53.21％。

实施例2：一种可以缓释锌促进印染废水处理效果的水处理悬浮填料，按照重量份数计算，材料配比为：高密度聚乙烯70份；聚乳酸10份；三元乙丙橡胶5份；马来酸酐接枝聚乙烯5份；活性炭粉3份；硫酸锌15份；增加比重调节材料使填料比重在0.95-0.96g/cm³，此填料适用于在好氧工况，锌的存在可以提高印染废水COD去除率。

制备过程：S1.将聚乳酸、三元乙丙橡胶、马来酸酐接枝聚乙烯及硫酸锌搅拌混合，105℃烘干至恒重，造粒得到颗粒；

S2.将上述颗粒与高密度聚乙烯、活性炭粉、比重调节材料用300rpm高速搅拌机混合成混料；

S3.将上述混料导入螺杆挤塑机，挤塑机设置五路加热装置对料筒的温度进行控制，温度组合比较适合该配方原料的加工：150℃，165℃，175℃，170℃，和160℃，挤出成型后立即水冷，并切割成需要长度。

所得填料按照《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》(CJ/T 461-2014)的规定进行测试，测试结果如下：

表2实施例2填料性能测试结果

	实施例2填料	标准要求
			密度	0.956g/cm<sup>3</sup>	0.94-0.97
亲水性接触角	73°	无
			比表面积	620m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>	620m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup>
抗压强度	0.23N/mm	0.14-0.32
			压缩回弹率	94％	75～96
可降解年限	5.76年	无

由实施例2测试结果可知：三元乙丙橡胶的加入，提高了填料的表面张力和抗拉伸性能，同时保证当可降解塑料完全降解后填料整体不会解体，能够继续作为普通填料使用，避免后续工艺设备的损坏；马来酸酐接枝聚乙烯的加入能够使两者在熔融状态下的融合度更高，挤出成型更加容易，且冷却后不易分离，填料的抗压强度和压缩回弹率满足相应标准。

模拟某印染废水处理厂好氧池运行条件，HRT为22h，DO为2～3mg/L。试验分为两组，A组为普通MBBR填料组，B组为实施例2填料组。

结果表明，B组的生物膜的增长率是A组的1.3倍，B组反应器稳定后COD去除率较A组高12％，氨氮去除率较A组高15％。

生物膜上锌含量满足《城镇污水处理厂污泥泥质》(GB 24188-2009)规定的锌排放量小于4mg/g干污泥的要求，出水中锌浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)规定的锌排放限值0.1mg/L的要求。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种缓释微量元素的水处理悬浮填料，其特征在于，按照重量份数计算，包括如下组分：高密度聚乙烯60-90份；可降解塑料 5-30份；橡胶1-20份；马来酸酐接枝聚乙烯5-10份；活性炭粉1-10份；单一或复合微量元素5-20份；比重调节材料1-20份。

2.根据权利要求1所述的缓释微量元素的水处理悬浮填料，其特征在于，所述可降解塑料为聚乳酸或聚羟基脂肪酸或两者任意比例的混合物。

3.根据权利要求2所述的缓释微量元素的水处理悬浮填料，其特征在于，所述聚乳酸是以可再生植物资源中提取出的淀粉作为原材料制成。

4.根据权利要求2所述的缓释微量元素的水处理悬浮填料，其特征在于，所述聚羟基脂肪酸是由微生物合成的生物塑料。

5.根据权利要求1所述的缓释微量元素的水处理悬浮填料，其特征在于，所述高密度聚乙烯的密度为0.95-0.96g/cm³，粒径为0.1-4mm。

6.根据权利要求1所述的缓释微量元素的水处理悬浮填料，其特征在于，所述微量元素为Fe、Zn、Co、Mg、Mn、Cn、Ca、Mo、K或稀土元素中的任意一种或几种的混合物。

7.根据权利要求6所述的缓释微量元素的水处理悬浮填料，其特征在于，所述微量元素的供体为微量元素的氧化物或无机盐。

8.根据权利要求1所述的缓释微量元素的水处理悬浮填料，其特征在于，所述比重调节材料为碳酸钙或滑石粉。

9.一种缓释微量元素的水处理悬浮填料的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

S1.将可降解塑料、橡胶、马来酸酐接枝聚乙烯及微量元素的氧化物或盐搅拌混合，烘干，造粒得到颗粒；

S2.将所述S1得到的颗粒与高密度聚乙烯、活性炭粉和比重调节材料混合成混料；

S3.将上述混料熔融后挤出成型并切割成需要长度。

10.一种缓释微量元素的水处理悬浮填料的应用方法，其特征在于，所述缓释微量元素的水处理悬浮填料单独应用于水处理中或与其他填料按照不同比例组合应用于水处理中。