基本信息
- 項目名稱：
- 多孔懸浮陶粒的修飾改性及其強化水處理的應用研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 在制備多孔懸浮陶粒載體的基礎上，加以荷正電修飾改性的技術思路，采用熱化學法對陶粒進行表面修飾改性。運用現(xiàn)代測試分析手段，從微生物固定化與懸浮陶粒涂層的結構分析入手，探討涂覆工藝因素對懸浮陶粒性能的影響規(guī)律和優(yōu)化最佳工藝參數(shù)；結合基礎理論和懸浮陶粒涂層表面活性、荷電及微生物吸附分析，研究探明荷電改性對微生物降解水體中污染物性能的影響作用規(guī)律，實現(xiàn)有效去除水體中污染物的性能控制及應用開發(fā)。
- 詳細介紹：
- 資料表明，截至2009年一季度，我國建成并投入運營的污水處理廠共1590座，設計日處理規(guī)模達9000多萬m3。由于資金的相對短缺，目前我國污水處理設施的建設速度滯后于人口和經(jīng)濟的增長。我國對污水處理用普通陶瓷陶粒研究較多，因為它作為污水處理主要載體之一，材料低廉易得。耐用且廉價的微生物固定化載體及其技術的研究和開發(fā)已成為降低環(huán)境治理成本，促進該技術在我國推廣應用的關鍵。 當前，懸浮移動載體已被國內外環(huán)保專家公認為一種高效率、節(jié)能型的生物載體。我們所研制的一種比重與水接近，耐磨性能好，易形成和維持高活性生物膜的多孔陶瓷懸浮載體，屬于國內外首創(chuàng)的新型無機材質載體。它是以工業(yè)廢渣為主要原料研發(fā)的一種處理城市生活污水和工業(yè)有機廢水的陶瓷載體，呈現(xiàn)部分開孔，部分閉孔，表面粗糙多孔，比表面積大，良好的親水性、微生物親和性、化學穩(wěn)定性、抗熱震性等；不僅質量輕、機械強度高、耐磨性好，而且易于再生循環(huán)使用、壽命長、生產(chǎn)和使用的成本低。 目前，我國對懸浮填料載體的研究才剛剛起步，從經(jīng)濟、高效、實用的角度出發(fā)我們認為應在材質方面，尋找價格更低廉，使用壽命長，易掛膜和易再生的原材料；在結構方面，應盡可能設計出比表面積大的形狀，應該對載體表面的化學特性、修飾改性及懸浮填料生物膜的脫落機制進行深入的研究，并可以制造一些功能區(qū)。 在以工業(yè)廢渣如粉煤灰、陶瓷尾砂為基礎原料制備多孔陶瓷懸浮載體的基礎上，采用物理及化學相結合的方法將改性海泡石粉體涂覆在陶瓷載體毫米級內孔表面，并加以載體表面荷正電修飾改性的技術思路，構成具有孔梯度（微米級孔隙、毫米級孔洞）和濕密度梯度（0.95～1.05 g/cm3）的多孔陶瓷懸浮載體；運用現(xiàn)代測試分析手段，從陶瓷載體的結構分析入手，探討涂覆工藝因素對懸浮陶瓷載體性能的影響規(guī)律和優(yōu)化最佳工藝參數(shù)；揭示載體表面修飾改性對微生物吸附的機理，探討改性后陶瓷載體負載微生物和去除水體中污染物的作用機理，并加以科學驗證。 表面改性技術通過對基體材料表面采用化學的、物理的方法改變材料或工件表面的化學成分或組織結構以提高載體或材料性能。通常，無機材料表面帶負電，而水中的微生物和有機污染物表面一般均帶負電，且傳統(tǒng)陶粒載體存在著比表面積小、孔隙率低、表面吸附容量低等問題，所以如何使陶瓷懸浮載體表面帶正電或中性，將有利于靜電間的引力,提高吸附生物膜量，提高水處理能力。 因此，從改善載體表面性質著手，研制優(yōu)于傳統(tǒng)陶粒介質，可以改善優(yōu)化水處理工藝技術，提高出水水質。當前，國內外研制的各種新型水處理載體也正用物理或化學方法對其進行修飾改性，改善其表面結構和性能，朝著改善載體表面特性的方向努力，以提高載體的截污、降解能力。 水處理生物載體也可稱水處理生物吸附劑，它的制備就是將微生物通過一定的方式固定在載體上, 理想的制備吸附劑的載體應該是: 傳質性能好、生物親和性強、穩(wěn)定且強度高、價格低廉、無污染、易于再生等。研究發(fā)現(xiàn)細菌、真菌、藻類等微生物能夠吸附或富集有機污染物和重金屬, 而且不僅能在活的微生物細胞表面, 還能在死的微生物細胞表面進行。微生物在其生存環(huán)境的pH值條件下，一般帶有負電荷。為了利用靜電吸引力促進微生物固定，載體表面若帶有正電荷將有利于生物固定過程的進行。載體表面親疏水性及荷電性是可以通過對載體表面的改性完成的，或直接在載體材料加工過程中得以實現(xiàn)的。若懸浮生物載體表面的正電越高，微生物越易于附著在生物載體上并生長形成高的生物膜量，利于底物滲入與產(chǎn)物擴散出來，構成載體－微生物復合物高活性界面。 在此基礎上，全面了解、評價多孔陶瓷懸浮載體材質?結構的生物特性及在靜態(tài)、動態(tài)環(huán)境下的掛膜機理、效能。進一步對以改性陶瓷懸浮載體為核心生物膜反應器的污水處理機理進行深入研究，為懸浮陶瓷生物膜反應器的放大設計和實際應用提供理論依據(jù)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1、研究目的和基本思路： 當前，懸浮移動載體已被國內外環(huán)保專家公認為一種高效率、節(jié)能型的生物載體。從經(jīng)濟、高效、實用的角度出發(fā)，我們認為應在材質方面，尋找價格更低廉，使用壽命長，易掛膜和易再生的原材料；在結構方面,應盡可能設計出比表面積大的形狀，應該對載體表面的化學特性、修飾改性及懸浮填料生物膜的負載性能進行研究。 本課題擬在以工業(yè)廢渣如粉煤灰、陶瓷尾砂為基礎原料制備多孔懸浮陶粒的基礎上，采用物理及化學相結合的方法對多孔懸浮陶粒表面進行荷正電修飾改性的技術思路，使之能夠負載更大的生物量，且長時間保持較高的微生物活性。2、創(chuàng)新點 我們所研制的一種比重與水接近，耐磨性能好，易形成和維持高活性生物膜的多孔懸浮陶粒載體，屬于國內外首創(chuàng)的新型無機材質載體。該陶瓷載體呈現(xiàn)部分開孔，部分閉孔，表面粗糙多孔，比表面積大，良好的親水性、微生物親和性、化學穩(wěn)定性、抗熱震性等；不僅質量輕、機械強度高、耐磨性好，而且易于再生循環(huán)使用、壽命長、生產(chǎn)和使用的成本低。 本項目研制的多孔懸浮陶粒載體是一種具有孔梯度和密度梯度的高活性載體，集高分子懸浮填料和普通陶粒二者的優(yōu)點于一身， 3、技術關鍵： （1）多孔懸浮陶粒載體制備工藝的穩(wěn)定與優(yōu)化。 （2）載體表面改性處理工藝，包括表面荷正電改性等。探討涂覆工藝因素如反應溫度、反應物種類、濃度、比例及燒成制度等對涂層的顯微結構和電化學性質的影響關系。 （3）微生物固定化工藝與性能評價，研究影響多孔懸浮陶粒載體固定生物膜厚度、結構以及活性的主要因素。
科學性、先進性
- 我國水處理用陶瓷填料多為下沉式普通陶粒，比重在1.50 g/cm3到2.50 g/cm3之間，在污水處理過程中，需要較大的動力消耗，才能使載體流態(tài)化和剝離多余的生物膜。本課題研制的一種比重與水接近，耐磨性能好，易形成和維持高活性生物膜的多孔懸浮陶粒載體，通過表面荷正電改性，提高載體的微生物附著性能和對有機污染物的吸附性能。與其它同類產(chǎn)品比較，集高分子懸浮填料和普通陶粒二者的優(yōu)點于一身，具有明顯的優(yōu)勢，在污水處理生物反應器――曝氣池中作為微生物的活性載體, 只需較小的的曝氣強度就可達到全池流態(tài)化。
獲獎情況及鑒定結果
- 本作品在景德鎮(zhèn)陶瓷學院4月份的挑戰(zhàn)杯選拔賽中獲?！耙坏泉劇?/dd>
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、模型、現(xiàn)場演示、圖片、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 耐用且廉價的微生物固定化載體及其技術的研究和開發(fā)已成為降低環(huán)境治理成本，促進該技術在我國推廣應用的關鍵。我國水處理用陶瓷填料多為下沉式普通陶粒，比重在1.50 g/cm3到2.50 g/cm3之間，在污水處理過程中，需要較大的動力消耗，才能使載體流態(tài)化和剝離多余的生物膜。為此在本研究中，研制了一種輕質陶瓷載體，該陶粒比重為0.95～1.05 g/cm3，在少量曝氣時即能良好懸浮分散。載體呈部分開孔，部分閉孔，表面粗糙多孔，比表面積大，具有良好的親水性和微生物負載性能，采用物理和化學方法對該陶粒進行表面荷電改性，使之能夠負載更大的生物量，且長時間保持較高的微生物活性。它不但降低了水處理成本，還可減少二次污染的產(chǎn)生。
同類課題研究水平概述
- 懸浮生物載體用于污水處理的研究是隨著懸浮生物載體移動床的研制，在20世紀90年代中期才開始相應的研究。懸浮載體生物膜法又稱懸浮填料移動床工藝(MBBR), 最先由挪威KMT公司與SINTEF研究機構合作開發(fā)并申請專利的一種新的污水生物處理技術。它是吸收了傳統(tǒng)的流化床和生物接觸氧化法兩者的優(yōu)點而成的一種高效的污水處理方法，它將微生物固定在載體上形成生物膜使廢水中的污染物進行降解。與活性污泥工藝相比，生物膜法具有更節(jié)能、更強的抗沖擊負荷能力，具有較大的單位體積生物量、較長的固體停留時間、剩余污泥量少及運行管理方便等優(yōu)點。其核心部分就是以比重接近水的懸浮填料直接投加到曝氣池中作為微生物的活性載體，依靠曝氣池內的曝氣和水流的提升作用處于流化狀態(tài)，它既具有傳統(tǒng)生物膜法的穩(wěn)定、耐沖擊等特點，又具有活性污泥法均勻接觸條件所形成的高效率。其又被稱為“移動的生物膜”。 懸浮填料是近十年來國內外污水處理研究開發(fā)的一大動向。懸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樹脂制成，比重接近于水，這些材料表面呈疏水性在紊流較強的條件下，載體外側難以生長生物膜，因此降低了載體的比表面積。我國對污水處理用普通陶瓷濾料研究較多，因為它作為污水處理主要載體之一，材料低廉易得，使得國內許多陶瓷濾料生產(chǎn)廠家競相研制輕質濾料。載體費用一般約占生物膜工藝總投資的30％～40％，因此，成本低廉、性狀良好載體的選擇，對于生物膜系統(tǒng)建設費用的降低非常重要。1998年，同濟大學的周增炎、高延耀、劉霞發(fā)明了一種懸浮式生物載體。這是一種由不同面積高分子材質的翼板、底板構成的，直徑為50 mm、高為50 mm的圓柱型，比表面積為278 m2/m3，密度小于水的懸浮生物載體。張菊萍等采用這種懸浮生物載體進行污水處理的曝氣強度和掛膜試驗研究，得出該種生物載體的密度為0.95～0.99 g/cm3時能很好流化，材料為聚丙烯時容易掛膜，中空圓柱形生物載體掛膜膜量較大。輕質陶粒作為無機類懸浮生物載體，在污水處理中的應用逐漸廣泛，如華南理工大學的王立立等采用直徑為2～4 mm的輕質陶粒作為生物載體進行污水處理試驗，小試試驗反應器容積42 L，進水CODCr和NH3-N分別為88 mg/L、14.5 mg/L，HRT為3.66 h，CODCr和NH3-N的去除率均達到70％以上。
