一种促进微生物挂膜的改性填料制备及其应用的制作方法

1.本发明涉及污水处理填料技术领域，具体涉及一种促进微生物挂膜的改性填料制备及其应用。


背景技术：

2.生活污水处理中最常用的生物接触氧化法，主要依靠排放出的污水与生物膜相接触，生物膜吸附大部分有机污染物，在有氧条件下再分解，从而污水得到净化，而填料则为微生物提供了生长空间，作为微生物生存的载体材料，生物填料是污水处理工艺中最关键的环节。填料的材质组成和结构性能会对微生物的附着生长造成直接的影响，普通的聚乙烯材质挤出的填料通常由于亲水性和生物亲和性太差导致微生物挂膜速度慢且活性低，影响污水处理效率。基于这种情况，开展了很多针对提高填料亲水性能的研究，目前亲水性的改性主要通过对填料进行表面处理和在原料中引入亲水基团两种方式。有研究者将填料放进腐蚀性化学试剂中，去除表面杂质，同时糙化表面，增加表面比表面积，增加微生物附着位点；还有采用强氧化性溶液，如重铬酸钾、高锰酸钾，在填料表面进行化学反应，在填料表面引入新的分子结构；有的研究者在填料表面涂抹亲水材料，表面接枝带有亲水基团的高聚物单体，如专利cn 113461998a一种填料的改性方法及其组分以及应用中将填料浸泡于聚电解质和亲水整理剂的混合液中，再干燥得到改性填料，缺点在于亲水涂层在水流冲刷和碰撞中会脱落；也有用紫外线辐照塑料填料，使其表面氧化而形成极性基团。填料形状复杂，结构多变，紫外辐照并不能保证辐射均匀，进而导致空间利用不足，材料浪费。在填料原料中添加对污水处理有促进效果的金属元素是一种较新的方案，通过在原料中加入改性物质，使改性从源头开始，可以避免改性物质脱落从而增强改性效果。通过可降解材料缓慢将元素释放，通过一些过度金属元素或稀土元素的电子活动可以促进微生物的生长速度。释放到污水中金属元素与有机污染物反应，反应中释放的化学能同样为微生物的繁殖提供能量，促进微生物挂膜生长。因此，一种针对原材料改性的生物填料制备方法亟待研究。


技术实现要素：

3.要解决的技术问题：本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种促进微生物挂膜的改性填料制备方法，本发明通过添加微量金属元素到聚乙烯材质中，再经过缓释进入污水中达到更好的去除效果，同时能够促进微生物挂膜生长。
4.技术方案：一种促进微生物挂膜的改性填料，按重量份计，包括以下步骤：(1)取高密度聚乙烯50～90份、聚乙烯再生料5～40份、聚乳酸5～30份、马来酸酐接枝聚乙烯5～10份、橡胶1～10份，过渡金属元素或稀土元素5～10份以及粘土矿物材料1～15份充分混合均匀得到混料；(2)将步骤(1)中的混料放入高速混合机中分散搅拌，搅拌速度为300rpm，搅拌均
匀后熔融、烘干、再经过双螺杆挤出机熔融后挤出，进入到封闭式循环冷却筒体，得到改性聚乙烯；(3)将步骤(2)中的改性聚乙烯冷却后切粒，得到改性聚乙烯颗粒；(4)将步骤(3)中的改性聚乙烯颗粒再经过单螺杆挤出机，挤出改性生物填料。进一步的，所述步骤(1)中高密度聚乙烯为白色粉末或颗粒状产品，密度为0.95-0.96g/m3，拉伸屈服应力为26mpa。进一步的，所述步骤(1)中聚乙烯再生料为颗粒状。进一步的，所述步骤(1)中聚乳酸密度为1.24g/m3，熔融温度为155℃；所述马来酸酐接枝聚乙烯密度为0.92g/m3，熔点为105℃。进一步的，所述步骤(1)中过渡金属元素包括铁fe、锰mn、锌zn、钴co、镍ni、铜cu，金属元素的供体包括金属元素的氧化物或无机盐。进一步的，所述步骤(1)中粘土矿物材料包括沸石粉、粉煤灰、海泡石或凹凸棒土中的一种或多种；所述粘土矿物材料粒径在200目。进一步的，所述步骤(2)中分散搅拌时间为0.2～1h，所述双螺杆挤出机的挤出温度为160～200℃，螺旋直径为20-40mm，螺杆转速为100～600r/min。进一步的，所述步骤(4)中单螺杆挤出机的挤出温度为150～180℃，螺杆直径为30～50mm，螺杆转速为30～150r/min。进一步的，通过改变所述促进微生物挂膜的改性填料中的过渡金属元素的种类，将其应用于各类场景的污水处理。有益效果：1、马来酸酐接枝聚乙烯是通过化学反应的方法在聚乙烯分子链上接技马来酸酐基团，使聚乙烯末端具有马来酸酐极性分子的可再反应性和强极性。它可以提高聚烯烃基材与金属粉、玻纤、木粉、矿物粉，淀粉等无机物的界面亲和能力，从而达到增强复合材料强度的作用。2、采用含金属元素的氧化物或氢氧化物，添加到聚乙烯和聚乳酸混合物中，由于金属氧化物和氢氧化物的胶粒带正电荷，金属硫化物的胶粒带负电荷，所以可以通过调节金属元素来控制改性聚乙烯颗粒表面电荷属性，从而处理不同的污染物。并且电子转移的活动过程有利于微生物菌种的新陈代谢，能够加速挂膜生长，提高生物处理效率。3、聚乳酸作为可降解材料，能够为微生物提供缓释碳源，在厌氧条件下将硝酸盐及亚硝酸盐还原为气态氮化物和氮气。4、粘土矿物材料不仅可以调节聚乙烯材料比重，还能增加材料表面粗糙度，有利于微生物挂膜生长，并且对脱氮除磷有益。
附图说明
图1为本发明促进微生物挂膜的改性填料挂膜周期对比；图2为本发明促进微生物挂膜的改性填料对于污水的cod去除率；图3为本发明促进微生物挂膜的改性填料对于污水的氨氮去除率；图4为本发明促进微生物挂膜的改性填料对于污水的总磷去除率。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述，以下实施例是对本发明的解释而本发明不局限于以下实施例：实施例1一种促进微生物挂膜的改性填料，包括以下步骤：(1)准确称取高密度聚乙烯35kg、聚乙烯再生料5kg、聚乳酸2.5kg、马来酸酐接枝聚乙烯1.5kg、三元乙丙橡胶0.5kg，硫酸亚铁0.1kg、粉煤灰2.5kg，滑石粉0.5kg；(2)将步骤(1)中的混料熔融、烘干后放入高速混合机中，300rpm转速下分散搅拌20分钟，设置双螺杆挤出机的挤出温度160℃，螺杆直径20mm，螺杆转速为100r/min，混料经过双螺杆挤出机熔融挤出；(3)将步骤(2)中的改性聚乙烯冷却后切粒，得到改性聚乙烯颗粒；(4)设置单螺杆挤出机的挤出温度为150℃，螺杆直径30mm，螺杆转速30r/min，将步骤(3)中的改性聚乙烯颗粒再经过单螺杆挤出机，挤出改性生物填料。实施例2一种促进微生物挂膜的改性填料，包括以下步骤：(1)准确称取高密度聚乙烯34.5kg、聚乙烯再生料5.5kg、聚乳酸2.5kg、马来酸酐接枝聚乙烯1.5kg、三元乙丙橡胶0.5kg，硫酸锌0.5kg、沸石粉2.5kg；(2)将步骤(1)中的混料熔融、烘干后放入高速混合机中分散搅拌20分钟，设置双螺杆挤出机的挤出温度180℃，螺杆直径20mm，螺杆转速为200r/min，混料经过双螺杆挤出机熔融挤出；(3)将步骤(2)中的改性聚乙烯冷却后切粒，得到改性聚乙烯颗粒；(4)设置单螺杆挤出机的挤出温度为170℃，螺杆直径30mm，螺杆转速100r/min，将步骤(3)中的改性聚乙烯颗粒再经过单螺杆挤出机，挤出改性生物填料。实施例3一种促进微生物挂膜的改性填料，包括以下步骤：(1)准确称取高密度聚乙烯35.5kg、聚乙烯再生料4kg、聚乳酸3kg、马来酸酐接枝聚乙烯2kg、丁基橡胶0.3kg，氧化镧0.5kg、沸石粉1.5kg，硅藻土1kg；(2)将步骤(1)中的混料熔融、烘干后放入高速混合机中分散搅拌30分钟，设置双螺杆挤出机的挤出温度190℃，螺杆直径30mm，螺杆转速为350r/min，混料经过双螺杆挤出机熔融挤出；(3)将步骤(2)中的改性聚乙烯冷却后切粒，得到改性聚乙烯颗粒；(4)设置单螺杆挤出机的挤出温度为170℃，螺杆直径30mm，螺杆转速100r/min，将步骤(3)中的改性聚乙烯颗粒再经过单螺杆挤出机，挤出改性生物填料。实施例4一种促进微生物挂膜的改性填料，包括以下步骤：(1)准确称取高密度聚乙烯35.5kg、聚乙烯再生料4kg、聚乳酸2kg、马来酸酐接枝聚乙烯2kg、硅橡胶0.5kg，氧化铈0.6kg、凹凸棒石粉末1.5kg，硅藻土1kg；(2)将步骤(1)中的混料熔融、烘干后放入高速混合机中分散搅拌30分钟，设置双螺杆挤出机的挤出温度200℃，螺杆直径40mm，螺杆转速为600r/min，混料经过双螺杆挤出
机熔融挤出；(3)将步骤(2)中的改性聚乙烯冷却后切粒，得到改性聚乙烯颗粒；(4)设置单螺杆挤出机的挤出温度180℃，螺杆直径50mm，螺杆转速150r/min，将步骤(3)中的改性聚乙烯颗粒再经过单螺杆挤出机，挤出改性生物填料。对比例1一种常规聚乙烯材质的生物填料，包括以下步骤：(1)准确称取高密度聚乙烯45.5kg、滑石粉5.5kg；(2)将步骤(1)中的混料熔融、烘干后放入高速混合机中分散搅拌20分钟，设置双螺杆挤出机的挤出温度180℃，螺杆直径20mm，螺杆转速为100r/min，混料经过双螺杆挤出机熔融挤出；(3)将步骤(2)中的聚乙烯冷却后切粒，得到聚乙烯母粒；(4)设置单螺杆挤出机的挤出温度170℃，螺杆直径30mm，螺杆转速100r/min，将步骤(3)中的聚乙烯母粒再经过单螺杆挤出机，挤出生物填料。通过对比挂膜周期和指标去除量探究各实施例的效果。试验装置及仪器：在实验室搭建多个好氧池模拟装置(包括气泵、亚克力玻璃箱体、曝气管路、曝气盘、电器柜等)，各实施例填料若干，复合菌剂，源水(实际农村生活污水)。超净工作台，灭菌锅，微波炉，恒温培养箱，鼓风干燥箱等。实验过程：调节水溶液ph为6.5～7.5，投加填料，不曝气静置一夜。源水调配c:n:p＝100:5:1，以葡萄糖、尿素等补充养分，并投加菌剂，加大曝气混匀。根据溶解氧间歇曝气，控制溶氧量do在适宜范围内。定期通过化学需氧量cod、氨氮、总氮、总磷的指标，以调配养分。每日调节曝气量及间歇时间，控制溶解氧2-8mg/l，观察填料形态变化，记录开始挂膜天数。实验现象和结果：(1)从图1可以看出，实施例1-4的改性填料在7-10天内陆续开始挂膜，而对比例1的填料在第16天的时候才开始挂膜。(2)从图2可以看出，实施例1和实施例2的改性填料对污水cod的去除都有很好的增强效果，尤其是实施例2改性填料，去除率一直领先，说明填料中添加的硫酸锌对cod的去除有益。(3)从图3可以看出，实施例1和2的改性填料对污水氨氮的去除效果也有一定的增强效果，实施例1和实施例2的增强效果相似，具体起作用的改性剂主要是硫酸亚铁和硫酸锌，亚铁盐或锌的存在可以促进微生物在填料上的挂膜并促进硝化反应的进行。(4)从图4可以看出，对比实施例3和实施例4的改性填料与对比例1的填料对总磷的去除率，实施例3和实施例4的改性填料在生化处理中的总磷去除率明显优于对比例1的填料，去除率超出对比例1的填料15％～20％。稀土金属氧化物对总磷有很好的吸附作用，在混合了黏土矿物后能够进一步固化吸附的总磷，不容易再脱附到污水中。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。