一种复合改性载体的制备及污水处理方法与流程

1.本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种复合改性载体的制备及污水处理方法。


背景技术：

2.目前，现有市场上典型的填料系采用聚乙烯(pe)构成，其堆密度较高，生物挂膜生长的适宜性相对较差。原始的pe材料独特的结构和组成决定了它很好的稳定性但伴随着较差的生物亲和性和亲水性。聚乳酸在自然界并不存在，一般通过人工合成制得。聚乳酸也称聚丙交酯，是一种具有生物可降解的高分子聚酯材料，属合成直链脂肪族聚酯，通过乳酸环化二聚物的化学聚合或乳酸的直接聚合可以得到高相对分子量的聚乳酸。聚乳酸对人体无毒、无刺激性、生物相容性好，具有生物可吸收性，且在降解后不会遗留任何环境问题，在医学领域已被认为是最有前途的可降解高分子材料，因而对它的研究开发极为活跃。由于pla的疏水性妨碍了细胞的黏附与增殖，因此必须对聚乳酸进行改性，增加它的亲水官能团数量。但是现有公开的技术未能综合考虑填料的性能：良好的生物亲和性(适合生物挂膜生长)，良好的亲水性，较大的比表面积和孔隙率以及较好的吸附性，且现有填料不能在净化污水的同时实现生物膜的快速启动。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：污水处理厂目前所用的填料具有经济环保，不易堵塞等优点。但是相对应的，现有技术所产生的载体挂膜效果不好，生物膜形成缓慢且黏附的生物量少。这根本上的原因可能在于现有的载体在性能上有着巨大的缺陷，从而使得载体在水厂的应用过程中表现出挂膜性能差的缺点。
4.解决以上问题及缺陷的难度为：常规生物膜的启动效果非常缓慢。普通污水处理厂所用材料多为聚乙烯，该材料的亲水性差。此外，该材料的生物亲和性也较差，虽然具备经久耐用的优点，但是材料的综合性能比较差。其他类型的材料都有各种各样的缺点。例如聚氨酯泡沫容易堵塞，纤维状材料生物黏附量少，材料不够经久耐用。
5.一般载体改性不符合城镇污水厂载体使用标准(cj/t 461-2014)的要求。该方法改性只是以普通聚乙烯载体为骨架进行改进。除了该类型的材料外，其他类型的材料不容易作为骨架进行改性。
6.一般改性载体多为热塑法掺杂重铸，该方法不需要重铸聚乙烯材料骨架。此方法虽然技术成熟，但是能源消耗大且经济成本高昂。
7.解决以上问题及缺陷的意义为：pe材料的接触角官方标准是87.5
°
,亲水性较差。通过生物絮凝剂掺杂pla絮凝剂的改性过后，材料表面的接触角能降低到52
°
。材料的亲水性能有了极大的提升。
8.更小的接触角意味着亲水性更好，浮游在载体附件的水膜内的微生物能更好地靠近改性载体，能更好地定植在改性载体表面，从而为生物膜最初阶段的可逆黏附提供了最大的可能性。此外，pla由于掺杂了生物絮凝剂，所以使得材料生物亲和性提高的同时，也能使其作为一种缓释碳源。从根本上解决了亲水性和生物亲和性差的问题，且不同于一般掺
杂改性载体的方法(目前多为热塑法掺杂所需的物质)，不仅从根本上降低了材料改性成本，也缩短了改性载体的制备时间，更是在经济上有了一大进步。该技术不仅能快速制备复合改性载体，更是有利于污水处理行业的发展。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种复合改性载体处理污水方法及其应用。具体涉及一种pla掺杂生物絮凝剂的复合改性载体制备及处理污水的方法。
10.本发明是这样实现的，一种复合改性载体的制备方法，包括：
11.生物絮凝剂溶液的制备方法：
12.(1)配制培养基，调节ph值；
13.(2)在无菌条件下，接种产絮菌(主要用来分泌絮凝剂)，30℃下培育72h。
14.复合改性载体的制备；
15.(1)在三氯甲烷中加入聚乳酸粉末，水浴搅拌，充分溶解；
16.(2)向溶解了聚乳酸的三氯甲烷溶液中中加入过饱和氯化钠的生物絮凝剂溶液，充分搅拌，溶解；
17.(3)向充分溶解了聚乳酸和过饱和氯化钠生物絮凝剂的三氯甲烷溶液中加入适量聚乙烯普通塑料载体使其完全被三氯甲烷浸泡；
18.(4)将浸泡好的载体取出，自然通风干燥。
19.进一步，三维多孔材料制备初期，利用比表面积大的特性实现微生物的物理可逆吸附；制备后期，利用载体残渣的多糖和蛋白，实现微生物的不可逆吸附。
20.进一步，制得三维多孔材料后，应用于载体生物膜的定植黏附，并采用磷脂法检测生物量。
21.进一步，接种常见产絮菌：球形芽孢杆菌(bacillus sphaeicus)、克雷伯氏菌(klebsiella sp.)等。
22.本发明的另一目的在于提供一种应用所述制备方法制备的复合改性载体。
23.本发明的另一目的在于提供一种复合改性载体污水处理方法包括：将制得的三维多孔材料应用于载体生物膜的定植黏附，并采用磷脂法检测生物量，采用分光光度法检测cod和总氮以及总磷。
24.进一步，所述载体生物膜的定植黏附包括：
25.将制备的载体投入反应器中运行两个月，反应器的运行周期是3小时曝气，1小时静置，在静置的后期5min排水排泥。
26.进一步，将制备的载体投入反应器具体过程为：取样前先将反应器放空，然后用自制取样器从反应器不同高度取出适量填料；
27.将待测物置于2500ml具塞三角瓶中，加入氯仿、甲醇和水的萃取混合液47.5ml，用力振摇10min，静置12h，向三角瓶中加入氯仿和水各12.5ml，使得最终氯仿：甲醇：水为1∶2∶0.8，静置12h；
28.取出含有脂类组分的下层氯仿相12.5ml转移至50ml具塞刻度试管，水浴蒸干；
29.向试管中加入4ml 5％过硫酸钾溶液，并加水至25ml刻度，在高压蒸汽灭菌锅内121℃消解30min，按照制作标准曲线的方法测定消解液中的磷酸盐浓度；
30.将复合改性载体投入反应器中运行两个月；每过十天取4个载体，通过磷脂法测定载体上黏附的生物量；在挂膜期间，每两三天检测一次污水的中的cod、总氮、总磷的去除率；进水cod浓度保持在400mg/l，tn 40mg/l，tp10mg/l。
31.进一步，所述氯仿、甲醇和水的萃取混合液体积比为1：2：0.8；
32.进一步，所述按照制作标准曲线的方法测定消解液中的磷酸盐浓度结果以nmol p填料或nmol p/cm3填料表示，1nmol p约相当于大肠杆菌大小的细胞108个，将制备的载体投入反应器中运行两个月。
33.本发明所述聚乳酸中加入生物絮凝剂，使得多孔的聚乳酸中掺杂了大量的多糖和蛋白，作为一种缓释碳源，应用于碳源不足的工业废水。
34.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
35.(1)在一定温度条件下使三氯甲烷挥发，聚乳酸在饱和氯化钠的溶液中会形成三维多孔材料。形成的多孔材料相较于普通的pe载体有更大的比表面(7.64～47.41m2/g)和孔径(2.11～6.20μm)。
36.(2)聚乳酸和组成生物絮凝剂的多糖－蛋白支架复合过程中，多糖带正电荷，通过静电作用与蛋白分子结合，形成聚电解质复合物；而蛋白中含有大量的氨基和羧基这样的亲水基团，因而随着生物絮凝剂的引入，增加了载体的亲水性能，从而也提高了溶质的透过能力及透氧性能。
37.(3)相较于普通的pla附着改性载体，pla 生物絮凝剂复合改性载体在光学显微镜下面除了能看到三维多孔结构外，还能看到被包裹在里面的浅黄色生物絮凝剂(见图7)。在实验结束后的负载着生物膜的载体上面，通过制备扫描电镜的样本的方法制备负载生物膜的复合改性载体材料的样品能有效观察到里面的生物絮凝剂结构和生物群落聚集体。
38.本发明的材料具有极大的表面积和孔隙率，可以通过复合改性载体实现载体初期因为物理性质而快速挂膜，具有明显的技术优势。本发明考虑到填料的性能：生物亲和性(适合生物挂膜生长，细胞基团在载体上的黏附性)。同时因为物理性质被吸附的微生物在载体表面产生易于黏附在材料表面的胞外多聚物等基团，从而实现微生物从简单的可逆的物理吸附，逐渐形成稳定的不可逆的黏附。本发明由于聚乳酸中加入了生物絮凝剂，使得多孔的聚乳酸中掺杂了大量的多糖和蛋白，也能作为一种缓释碳源，应用于低碳源的污水处理中。
39.同时本发明通过接枝共聚和物理共混－化学交联的方法，制备了复合三维多孔支架，支架孔间连通性良好，孔隙率大于75％。多糖可以通过硫酸酰化、羧甲基化、羟基化等化学修饰，如n-乙酰化壳多糖膜具有较高的抗张强度、渗透性和血液相容性，且在酸碱溶液中较稳定，热分解温度较高，与生物体有较好的亲和性。制备初期，利用比表面积大的优势实现微生物的物理可逆吸附；在后期，利用所述载体掺杂的多糖和蛋白，实现微生物的不可逆吸附。
附图说明
40.图1是本发明实施例提供的复合改性载体污水处理方法流程图。
41.图2是本发明实施例提供的生物絮凝剂制备流程图。
42.图3是本发明实施例提供的未改性的聚乙烯载体，以及单纯的pla改性载体和pla
生物絮凝剂工程菌的复合改性对比图。(
①
：pla 生物絮凝剂复合改性载体；
②
：pla改性载体；
③
空白载体)
43.图4是本发明实施例提供的cod去除率数据图。
44.图5是本发明实施例提供的总氮去除率数据图。
45.图6是本发明实施例提供的tp去除率数据图。
46.图7是本发明实施例提供的生物量数据图。
47.图8是本发明实施例提供的显微镜下的改性载体图。(
①
pla掺杂生物絮凝剂复合改性载体；
②
pla改性载体；
③
生物膜；
④
生物膜局部放大图)
具体实施方式
48.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
49.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种复合改性载体处理污水方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
50.本发明提供的复合改性载体处理污水方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1、2的本发明提供的复合改性载体处理污水方法仅仅是一个具体实施例而已。
51.本发明实施例提供的复合改性载体污水处理方法包括复合改性载体的制备和生物絮凝剂溶液的制备。
52.如图1所示，本发明实施例提供的复合改性载体的制备方法包括以下步骤：
53.s101、在三氯甲烷溶液中加入聚乳酸粉末，水浴搅拌，充分溶解；
54.s102、向溶解了聚乳酸的三氯甲烷溶液中加入过饱和氯化钠和生物絮凝剂溶液，充分搅拌，溶解；
55.s103、向充分溶解了聚乳酸和过饱和氯化钠及生物絮凝剂的三氯甲烷溶液中加入适量聚乙烯普通塑料载体使其完全被三氯甲烷浸泡；
56.s104、将浸泡好的载体取出，自然通风干燥；
57.s105、将改性后的材料应用于生物膜的快速启动，在应用过程中用磷脂法检测生物量，去除效果好。
58.本发明实施例提供的s101，具体过程为：将20～40ml的左旋300目的聚乳酸粉末倒入5l烧杯中，加入2l分析纯的三氯甲烷，将烧杯放于65℃度的水浴锅中边恒温加热边充分搅拌，使聚乳酸充分溶解在三氯甲烷中。
59.本发明实施例提供的s102，具体过程为：在聚乳酸溶解过程中向烧杯中倒入0.5～1l过饱和氯化钠的生物絮凝剂溶液。在倒入的过程中不断搅拌。
60.本发明实施例提供的s103，具体过程为：向充分溶解了聚乳酸和过饱和氯化钠及生物絮凝剂的三氯甲烷溶液中加入适量聚乙烯普通塑料载体使其完全被三氯甲烷浸泡。
61.本发明实施例提供的s103，具体过程为：将浸泡好的载体取出，自然通风干燥。
62.如图2所示，本发明实施例提供的生物絮凝剂溶液的制备方法包括以下步骤：
63.s201、配制培养基，调节ph值；
64.s202、在无菌条件下，接种常见产絮菌，如球形芽孢杆菌(bacillus sphaeicus)、克雷伯氏菌(klebsiella sp.)，30℃下培育72h。
65.本发明实施例提供的s201，具体过程为：生产培养基(每升)由10克葡萄糖、2克kh2po4、5克k2hpo4、0.2克mgso4·
7h2o、0.1克氯化钠、0.5克尿素和0.5克酵母提取物组成。初始ph值调整为7.2～7.5。所有培养基溶液均用蒸馏水制备，并在121℃下灭菌30min。
66.本发明实施例提供的s202，在无菌条件下，接种产絮菌，30℃下培育72h。
67.所述聚乳酸中加入生物絮凝剂，使得多孔的聚乳酸中掺杂了大量的多糖和蛋白，作为一种缓释碳源，应用于碳源不足的工业废水。
68.所述聚乳酸和工程菌的多糖－蛋白支架复合过程中，多糖带正电荷，通过静电作用与蛋白分子结合，形成聚电解质复合物；而蛋白中含有大量的氨基和羧基这样的亲水基团，因而随着生物絮凝剂的引入，增加了载体的亲水性能，从而也提高了溶质的透过能力及透氧性能。
69.本发明实施例提供的s105中，将改性后的材料应用于微生物群落在载体上面快速定植黏附，在应用过程中用磷脂法检测生物量，具体过程为：
70.将制备的载体投入反应器中运行两个月，反应器的运行周期是3小时曝气，1小时静置，在静置的后期5min排水排泥，cod和总氮以及总磷的测量方法按照国标进行。
71.所述将制备的载体投入反应器具体过程为：取样前先将反应器放空，然后用自制取样器从反应器不同高度取出适量填料。
72.将待测物置于2500ml具塞三角瓶中，加入氯仿、甲醇和水的萃取混合液(体积比为1∶2∶0.8)47.5ml，用力振摇10min，静置12h，向三角瓶中加入氯仿和水各12.5ml，使得最终氯仿：甲醇：水为1∶2∶0.8，静置12h；
73.取出含有脂类组分的下层氯仿相12.5ml转移至50ml具塞刻度试管，水浴蒸干；
74.向试管中加入4ml 5％过硫酸钾溶液，并加水至25ml刻度，在高压蒸汽灭菌锅内121℃消解30min，按照制作标准曲线的方法测定消解液中的磷酸盐浓度；结果以nmol p填料或nmol p/cm3填料表示，1nmol p约相当于大肠杆菌(e.coli)大小的细胞108个，将制备的载体投入反应器中运行两个月；
75.将复合改性载体投入反应器中运行两个月；每过十天取4个载体，通过磷脂法测定载体上黏附的生物量；在挂膜期间，每两三天检测一次污水的中的cod、总氮、总磷的去除率；进水cod浓度保持在400mg/l，tn 40mg/l，tp10mg/l。
76.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
77.(1)将20～40ml的左旋300目的聚乳酸粉末倒入5l烧杯中，加入2l分析纯的三氯甲烷，将烧杯放于65℃的水浴锅中边恒温加热边充分搅拌，使聚乳酸充分溶解在三氯甲烷中。在聚乳酸溶解过程中向烧杯中倒入0.5～1l溶解了过饱和氯化钠的生物絮凝剂溶液。在倒入的过程中不断搅拌。向充分溶解了聚乳酸和过饱和氯化钠及生物絮凝剂的三氯甲烷溶液中加入适量聚乙烯普通塑料载体使其完全被三氯甲烷浸泡。之后，将浸泡好的载体取出，自然通风干燥。
78.生物絮凝剂的制备方法：
79.生产培养基(每升)由10克葡萄糖、2克kh2po4、5克k2hpo4、0.2克mgso4·
7h2o、0.1克氯化钠、0.5克尿素和0.5克酵母提取物组成。初始ph值调整为7.2～7.5。所有培养基溶液均
用蒸馏水制备，并在121℃下灭菌30min。之后在无菌条件下，接种产絮菌，30℃下培育72h。
80.(2)取样前先将反应器放空，然后用自制取样器从反应器不同高度取出适量填料。将待测物置于2500ml具塞三角瓶中，加入氯仿、甲醇和水的萃取混合液(体积比为1∶2∶0.8)47.5ml，用力振摇10min，静置12h，向三角瓶中加入氯仿和水各12.5ml，使得最终氯仿：甲醇：水为1∶2∶0.8，静置12h。取出含有脂类组分的下层氯仿相12.5ml转移至50ml具塞刻度试管，水浴蒸干。向试管中加入4ml 5％过硫酸钾溶液，并加水至25ml刻度，在高压蒸汽灭菌锅内121℃消解30min，按照制作标准曲线的方法测定消解液中的磷酸盐浓度。结果以nmol p填料或nmol p/cm3填料表示，1nmol p约相当于大肠杆菌(e.coli)大小的细胞108个，将制备的载体投入反应器中运行两个月。
81.将复合改性载体投入反应器中运行两个月。每过十天取4个载体，通过磷脂法测定载体上黏附的生物量。在挂膜期间，每两三天检测一次污水的中的cod、总氮、总磷的去除率。进水cod浓度保持在400mg/l，tn 40mg/l，tp10mg/l。
82.图3是本发明实施例提供的未改性的聚乙烯载体，以及纯pla改性载体和pla 生物絮凝剂的复合改性载体对比图。
83.图3中：
①
：pla 生物絮凝剂复合改性载体；
②
：pla改性载体；
84.③
：空白载体。
85.实施例2
86.(1)将20～40ml的左旋300目的聚乳酸粉末倒入5l烧杯中，加入2l分析纯的三氯甲烷，将烧杯放于65℃的水浴锅中边恒温加热边充分搅拌，使聚乳酸充分溶解在三氯甲烷中，加入适量聚乙烯普通塑料载体使其完全被三氯甲烷浸泡。之后，将浸泡好的载体取出，自然通风干燥。
87.(2)取样前先将反应器放空，然后用自制取样器从反应器不同高度取出适量填料。将待测物置于2500ml具塞三角瓶中，加入氯仿，甲醇和水的萃取混合液(体积比为1∶2∶0.8)47.5ml，用力振摇10min，静置12h，向三角瓶中加入氯仿和水各12.5ml，使得最终氯仿：甲醇：水为1：1：0.9,静置12h。取出含有脂类组分的下层氯仿相12.5ml转移至50ml具塞刻度试管，水浴蒸干。向试管中加入4ml 5％过硫酸钾溶液，并加水至25ml刻度，在高压蒸汽灭菌锅内121℃消解30min，按照制作标准曲线的方法测定消解液中的磷酸盐浓度。结果以nmol p填料或nmol p/cm3填料表示，1nmol p约相当于大肠杆菌(e.coli)大小的细胞108个。
88.(3)将单纯pla改性载体投入反应器中运行两个月。每过十天取4个载体，通过磷脂法测定载体上黏附的生物量。在挂膜期间，每两三天检测一次污水的中的cod、总氮、总磷的去除率。进水cod浓度保持在400mg/l,tn 40mg/l，tp 10mg/l。
89.实施例3
90.(1)将未经任何改性的载体投入反应器中运行两个月。反应器的运行周期是3小时曝气，1小时静置，在静置的后期5min排水排泥，cod和总氮以及总磷的测量方法按照国标进行。
91.(2)取样前先将反应器放空，然后用自制取样器从反应器不同高度取出适量填料。将待测物置于2500ml具塞三角瓶中，加入氯仿，甲醇和水的萃取混合液(体积比为1：2：0.8)47.5ml，用力振摇10min，静置12h，向三角瓶中加入氯仿和水各12.5ml，使得最终氯仿：甲醇：水为1：1：0.9，静置12h。取出含有脂类组分的下层氯仿相12.5ml转移至50ml具塞刻度试
管，水浴蒸干。向试管中加入4ml 5％过硫酸钾溶液，并加水至25ml刻度，在高压蒸汽灭菌锅内121℃消解30min，按照制作标准曲线的方法测定消解液中的磷酸盐浓度。结果以nmol p填料或nmol p/cm3填料表示，1nmol p约相当于大肠杆菌(e.coli)大小的细胞108个。
92.(3)将未经过任何改性的聚乙烯载体投入反应器中运行两个月。每过十天取4个载体，通过磷脂法测定载体上黏附的生物量。在挂膜期间，每两三天检测一次污水的中的cod、总氮、总磷的去除率。进水cod浓度保持在400mg/l,tn 40mg/l，tp 10mg/l。
93.通过以上三个实施例以及对复合改性载体运行了两个月，可以发现无论是cod或者是总氮的去除率都比空白组和单纯的pla改性载体的cod和总氮的去除率有较高的提升，如图4、图5、图6、图7所示。通过磷脂法测定生物量结果发现，复合改性载体的生物量较空白组和pla改性组也有了很大的提升(生物量通过磷脂法检测)。
94.本发明中饱和氯化钠在溶液中呈现分散装以使还没有固定的聚乳酸成孔，聚乳酸能与蛋白或者多糖混合互溶，相互掺杂。聚乳酸能溶解在有机溶剂中，有机溶剂挥发时，聚乳酸附着在载体表面上，掺杂多糖和蛋白形成一层多孔材料的膜。在pla-生物絮凝剂共混支架体系中，水不仅存在于支架材料的孔隙之中，还能渗透进入生物絮凝剂，缓慢溶胀，形成一定的凝胶，导致支架平衡吸水率的升高。生物絮凝剂是生物絮凝剂工程菌的分泌产物，是一种水溶性多糖和蛋白质混合物，分子链上同时存在羧基和氨基，在酸性介质中氨基质子化，在碱性介质中羧基质子化，这两个过程都将影响聚合物分子间的作用，导致其氢键的解离，从而吸收大量的水。
95.相较于普通的pla负载改性载体,pla 生物絮凝剂复合改性载体在光学显微镜下面除了能看到三维多孔结构外，还能看到被包裹在里面的浅黄色生物絮凝剂(见图8)。在实验结束后的负载着生物膜的载体上面，通过制备扫描电镜的样本的方法制备负载生物膜的复合改性载体材料的样品能有效观察到里面的生物絮凝剂结构和生物群落聚集体。
96.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。