基本信息
- 项目名称：
- 多孔悬浮陶粒的修饰改性及其强化水处理的应用研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 在制备多孔悬浮陶粒载体的基础上，加以荷正电修饰改性的技术思路，采用热化学法对陶粒进行表面修饰改性。运用现代测试分析手段，从微生物固定化与悬浮陶粒涂层的结构分析入手，探讨涂覆工艺因素对悬浮陶粒性能的影响规律和优化最佳工艺参数；结合基础理论和悬浮陶粒涂层表面活性、荷电及微生物吸附分析，研究探明荷电改性对微生物降解水体中污染物性能的影响作用规律，实现有效去除水体中污染物的性能控制及应用开发。
- 详细介绍：
- 资料表明，截至2009年一季度，我国建成并投入运营的污水处理厂共1590座，设计日处理规模达9000多万m3。由于资金的相对短缺，目前我国污水处理设施的建设速度滞后于人口和经济的增长。我国对污水处理用普通陶瓷陶粒研究较多，因为它作为污水处理主要载体之一，材料低廉易得。耐用且廉价的微生物固定化载体及其技术的研究和开发已成为降低环境治理成本，促进该技术在我国推广应用的关键。 当前，悬浮移动载体已被国内外环保专家公认为一种高效率、节能型的生物载体。我们所研制的一种比重与水接近，耐磨性能好，易形成和维持高活性生物膜的多孔陶瓷悬浮载体，属于国内外首创的新型无机材质载体。它是以工业废渣为主要原料研发的一种处理城市生活污水和工业有机废水的陶瓷载体，呈现部分开孔，部分闭孔，表面粗糙多孔，比表面积大，良好的亲水性、微生物亲和性、化学稳定性、抗热震性等；不仅质量轻、机械强度高、耐磨性好，而且易于再生循环使用、寿命长、生产和使用的成本低。 目前，我国对悬浮填料载体的研究才刚刚起步，从经济、高效、实用的角度出发我们认为应在材质方面，寻找价格更低廉，使用寿命长，易挂膜和易再生的原材料；在结构方面，应尽可能设计出比表面积大的形状，应该对载体表面的化学特性、修饰改性及悬浮填料生物膜的脱落机制进行深入的研究，并可以制造一些功能区。 在以工业废渣如粉煤灰、陶瓷尾砂为基础原料制备多孔陶瓷悬浮载体的基础上，采用物理及化学相结合的方法将改性海泡石粉体涂覆在陶瓷载体毫米级内孔表面，并加以载体表面荷正电修饰改性的技术思路，构成具有孔梯度（微米级孔隙、毫米级孔洞）和湿密度梯度（0.95～1.05 g/cm3）的多孔陶瓷悬浮载体；运用现代测试分析手段，从陶瓷载体的结构分析入手，探讨涂覆工艺因素对悬浮陶瓷载体性能的影响规律和优化最佳工艺参数；揭示载体表面修饰改性对微生物吸附的机理，探讨改性后陶瓷载体负载微生物和去除水体中污染物的作用机理，并加以科学验证。 表面改性技术通过对基体材料表面采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高载体或材料性能。通常，无机材料表面带负电，而水中的微生物和有机污染物表面一般均带负电，且传统陶粒载体存在着比表面积小、孔隙率低、表面吸附容量低等问题，所以如何使陶瓷悬浮载体表面带正电或中性，将有利于静电间的引力,提高吸附生物膜量，提高水处理能力。 因此，从改善载体表面性质着手，研制优于传统陶粒介质，可以改善优化水处理工艺技术，提高出水水质。当前，国内外研制的各种新型水处理载体也正用物理或化学方法对其进行修饰改性，改善其表面结构和性能，朝着改善载体表面特性的方向努力，以提高载体的截污、降解能力。 水处理生物载体也可称水处理生物吸附剂，它的制备就是将微生物通过一定的方式固定在载体上, 理想的制备吸附剂的载体应该是: 传质性能好、生物亲和性强、稳定且强度高、价格低廉、无污染、易于再生等。研究发现细菌、真菌、藻类等微生物能够吸附或富集有机污染物和重金属, 而且不仅能在活的微生物细胞表面, 还能在死的微生物细胞表面进行。微生物在其生存环境的pH值条件下，一般带有负电荷。为了利用静电吸引力促进微生物固定，载体表面若带有正电荷将有利于生物固定过程的进行。载体表面亲疏水性及荷电性是可以通过对载体表面的改性完成的，或直接在载体材料加工过程中得以实现的。若悬浮生物载体表面的正电越高，微生物越易于附着在生物载体上并生长形成高的生物膜量，利于底物渗入与产物扩散出来，构成载体－微生物复合物高活性界面。 在此基础上，全面了解、评价多孔陶瓷悬浮载体材质−结构的生物特性及在静态、动态环境下的挂膜机理、效能。进一步对以改性陶瓷悬浮载体为核心生物膜反应器的污水处理机理进行深入研究，为悬浮陶瓷生物膜反应器的放大设计和实际应用提供理论依据。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、研究目的和基本思路： 当前，悬浮移动载体已被国内外环保专家公认为一种高效率、节能型的生物载体。从经济、高效、实用的角度出发，我们认为应在材质方面，寻找价格更低廉，使用寿命长，易挂膜和易再生的原材料；在结构方面,应尽可能设计出比表面积大的形状，应该对载体表面的化学特性、修饰改性及悬浮填料生物膜的负载性能进行研究。 本课题拟在以工业废渣如粉煤灰、陶瓷尾砂为基础原料制备多孔悬浮陶粒的基础上，采用物理及化学相结合的方法对多孔悬浮陶粒表面进行荷正电修饰改性的技术思路，使之能够负载更大的生物量，且长时间保持较高的微生物活性。2、创新点 我们所研制的一种比重与水接近，耐磨性能好，易形成和维持高活性生物膜的多孔悬浮陶粒载体，属于国内外首创的新型无机材质载体。该陶瓷载体呈现部分开孔，部分闭孔，表面粗糙多孔，比表面积大，良好的亲水性、微生物亲和性、化学稳定性、抗热震性等；不仅质量轻、机械强度高、耐磨性好，而且易于再生循环使用、寿命长、生产和使用的成本低。 本项目研制的多孔悬浮陶粒载体是一种具有孔梯度和密度梯度的高活性载体，集高分子悬浮填料和普通陶粒二者的优点于一身， 3、技术关键： （1）多孔悬浮陶粒载体制备工艺的稳定与优化。 （2）载体表面改性处理工艺，包括表面荷正电改性等。探讨涂覆工艺因素如反应温度、反应物种类、浓度、比例及烧成制度等对涂层的显微结构和电化学性质的影响关系。 （3）微生物固定化工艺与性能评价，研究影响多孔悬浮陶粒载体固定生物膜厚度、结构以及活性的主要因素。
科学性、先进性
- 我国水处理用陶瓷填料多为下沉式普通陶粒，比重在1.50 g/cm3到2.50 g/cm3之间，在污水处理过程中，需要较大的动力消耗，才能使载体流态化和剥离多余的生物膜。本课题研制的一种比重与水接近，耐磨性能好，易形成和维持高活性生物膜的多孔悬浮陶粒载体，通过表面荷正电改性，提高载体的微生物附着性能和对有机污染物的吸附性能。与其它同类产品比较，集高分子悬浮填料和普通陶粒二者的优点于一身，具有明显的优势，在污水处理生物反应器――曝气池中作为微生物的活性载体, 只需较小的的曝气强度就可达到全池流态化。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品在景德镇陶瓷学院4月份的挑战杯选拔赛中获校“一等奖”
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、现场演示、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 耐用且廉价的微生物固定化载体及其技术的研究和开发已成为降低环境治理成本，促进该技术在我国推广应用的关键。我国水处理用陶瓷填料多为下沉式普通陶粒，比重在1.50 g/cm3到2.50 g/cm3之间，在污水处理过程中，需要较大的动力消耗，才能使载体流态化和剥离多余的生物膜。为此在本研究中，研制了一种轻质陶瓷载体，该陶粒比重为0.95～1.05 g/cm3，在少量曝气时即能良好悬浮分散。载体呈部分开孔，部分闭孔，表面粗糙多孔，比表面积大，具有良好的亲水性和微生物负载性能，采用物理和化学方法对该陶粒进行表面荷电改性，使之能够负载更大的生物量，且长时间保持较高的微生物活性。它不但降低了水处理成本，还可减少二次污染的产生。
同类课题研究水平概述
- 悬浮生物载体用于污水处理的研究是随着悬浮生物载体移动床的研制，在20世纪90年代中期才开始相应的研究。悬浮载体生物膜法又称悬浮填料移动床工艺(MBBR), 最先由挪威KMT公司与SINTEF研究机构合作开发并申请专利的一种新的污水生物处理技术。它是吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者的优点而成的一种高效的污水处理方法，它将微生物固定在载体上形成生物膜使废水中的污染物进行降解。与活性污泥工艺相比，生物膜法具有更节能、更强的抗冲击负荷能力，具有较大的单位体积生物量、较长的固体停留时间、剩余污泥量少及运行管理方便等优点。其核心部分就是以比重接近水的悬浮填料直接投加到曝气池中作为微生物的活性载体，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用处于流化状态，它既具有传统生物膜法的稳定、耐冲击等特点，又具有活性污泥法均匀接触条件所形成的高效率。其又被称为“移动的生物膜”。 悬浮填料是近十年来国内外污水处理研究开发的一大动向。悬浮填料多采用聚乙烯及其改性材料、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫等塑料或树脂制成，比重接近于水，这些材料表面呈疏水性在紊流较强的条件下，载体外侧难以生长生物膜，因此降低了载体的比表面积。我国对污水处理用普通陶瓷滤料研究较多，因为它作为污水处理主要载体之一，材料低廉易得，使得国内许多陶瓷滤料生产厂家竞相研制轻质滤料。载体费用一般约占生物膜工艺总投资的30％～40％，因此，成本低廉、性状良好载体的选择，对于生物膜系统建设费用的降低非常重要。1998年，同济大学的周增炎、高延耀、刘霞发明了一种悬浮式生物载体。这是一种由不同面积高分子材质的翼板、底板构成的，直径为50 mm、高为50 mm的圆柱型，比表面积为278 m2/m3，密度小于水的悬浮生物载体。张菊萍等采用这种悬浮生物载体进行污水处理的曝气强度和挂膜试验研究，得出该种生物载体的密度为0.95～0.99 g/cm3时能很好流化，材料为聚丙烯时容易挂膜，中空圆柱形生物载体挂膜膜量较大。轻质陶粒作为无机类悬浮生物载体，在污水处理中的应用逐渐广泛，如华南理工大学的王立立等采用直径为2～4 mm的轻质陶粒作为生物载体进行污水处理试验，小试试验反应器容积42 L，进水CODCr和NH3-N分别为88 mg/L、14.5 mg/L，HRT为3.66 h，CODCr和NH3-N的去除率均达到70％以上。
