一种生物可降解型缓释碳源填料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生物可降解型缓释碳源填料及其制备方法，属于污水处理技术领域，所述缓释碳源填料由外部碳源层、内部碳源层、连接胶体，外部碳源层主要包括可生物降解聚合物、淀粉、乳化剂；内部碳源层主要包括琼脂粉、燕麦麸粉、微生物营养剂、黄原胶、海藻糖；连接胶体主要包括碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素；本发明专利技术在传统以淀粉和可生物降解聚合物为基本体系共混制作缓释碳源的方法基础上，将外部碳源制成粉末，并通过连接胶体对内部碳源进行多层包裹。总之，本发明专利技术机械强度良好、释碳速率稳定、碳源品质高，可为微生物反硝化提供稳定的碳源和生长代谢的场所。

【技术实现步骤摘要】
一种生物可降解型缓释碳源填料及其制备方法
本专利技术属于污水处理
，具体涉及一种生物可降解型缓释碳源填料及其制备方法。
技术介绍
研究表明，碳源补充不足或供给不稳定成为制约生物脱氮效率的重要因素，充足的碳源能够为微生物的生长代谢提供足量的营养源。因此通过外加碳源来解决脱氮效率低的问题在水处理领域逐渐成为研究的热点。由有关碳源补充的研究报道可知，较为成熟、应用最多的主要为液态碳源，如甲醇、乙醇、葡萄糖等短链的有机碳，但其高成本、有毒性、投加量不确定以及运输困难等问题也让研究者开始对外加补充碳源进行新的探索和尝试。热点多集中在如何优化传统碳源，如在脱氮工艺前加水解酸化工艺，提高原污水的可生化性和处理率；开发非传统碳源作为反硝化脱氮工艺中可选择的碳源，如工业废水、初沉污泥水解产物、垃圾渗滤液、植物秸秆等。但是，这些碳源均存在补充量调节难把握或初期补充过量后期不足等问题，影响微生物代谢，进而影响处理效果。然而，相关研究结果显示，常规方法补充的碳源(如乙醇、乙酸、葡萄糖、柠檬酸及其盐、琥珀酸、果糖等)在水动力场条件下极易流失，投加其他碳源(如树皮、秸秆、木屑等)又存在着水质二次污染、易堵塞、碳源不可控等不足之处。这些方法和碳源投加方式不能持续、稳定的供给和补充微生物新陈代谢所需的碳源和微量营养元素，大大影响了生物修复的效果和持续性。近年来，很多学者对缓释碳源进行了研究，现有的缓释碳源大体上分为三大类：以纤维素为主的天然材料、人工合成的可生物降解的高分子材料和对天然材料进行加工所得的新型材料。纤维素类天然材料主要有玉米芯、稻草、原棉等，其特点是来源广泛廉价，并取得了良好的脱氮效果，但其机械强度低使用寿命短。人工合成的可生物降解的高分子材料主要有聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯等，主要缺点是价格相对较高、营养过于单一应用受到限制。而对天然材料进行加工所得的新型缓释材料，其价格相对较低，且碳源性能得到很大提升，在反硝化脱氮领域有很好的应用前景。主要有对淀粉、甲壳素等天然高分子进行改性，如将淀粉和PVA共混、淀粉和聚己内酯共混等。然而，现有技术中由此制成的缓释碳源大多为密度高、比表面积小的块状物，虽然机械强度高，但是不利于微生物的附着，并且营养较为单一。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种生物可降解型缓释碳源填料及其制备方法。本专利技术的技术方案为：一种生物可降解型缓释碳源填料，主要包括外部碳源层、内部碳源层和连接胶体，所述外部碳源层、内部碳源层和连接胶体的质量比为：3-5:1:2-3，所述外部碳源层通过所述连接胶体包裹所述内部碳源层组成多层球状结构；多层状结构的内部比表面积大，有利于微生物附着。外部碳源层按照重量百分比计主要包括：25-30％可生物降解聚合物、25-30％淀粉、3-5％乳化剂、0.8-1.2％催化剂、6-8％石墨粉、6-8％铁粉，余量为硬水；内部碳源层按照重量百分比计主要包括：18-28％琼脂粉、9-17％燕麦麸粉、15-20％甘油、4-6％微生物营养剂、1-3％海藻糖、2-5％黄原胶、0.5-1.5％润湿分散剂，余量为纯水；连接胶体按照重量百分比计主要包括：4-7％碳纳米管、14-18％聚乙烯吡咯烷酮、2-3％非离子型表面活性剂、8-12％甲基纤维素、1-2％溶解助剂，余量为去离子水。进一步地，所述可生物降解聚合物为聚己内酯、聚乙烯醇任意一种，生物可降解材料能够在微生物酶的作用下进行自然降解，无毒无公害，释放碳源更稳定。进一步地，所述淀粉为醋酸酯淀粉、交联淀粉、普通淀粉、膨化糯米粉中任意一种，其中醋酸酯淀粉和膨化糯米粉的碳源品质高，脱氮效率快。进一步地，所述乳化剂为脂肪酸聚甘油酯或山梨糖醇甘油酸酯，乳化剂可以降低滤料的亲水性，减缓碳源的释放。进一步地，所述外部碳源层的制备方法包括以下步骤：S1：将所述可生物降解聚合物和淀粉按照上述比例进行混合，并投加所述乳化剂和催化剂，与所述硬水混合均匀后，在100℃的水浴中搅拌糊化共混匀1h，制得共混物；S2：将所述共混物制成取出后放入放入冰箱冷冻成型，切成小方块状后放入烘箱，在70-80℃下烘干，研磨成粒径为60-80目共混物粉末；S3：将所述共混物粉末和所述石墨粉、铁粉按照上述比例进行混合均匀，隔氧存储待用；石墨粉、铁粉的接触，能够在水环境下发生铁碳微电解，促进污水中有机物的降解；进一步地，所述内部碳源层的制备方法包括以下步骤：S1：将所述琼脂粉和燕麦麸粉按照上述比例混合均匀，加入二分之一所述纯水，并搅拌成糊状；S2：依次加入所述甘油、微生物营养剂、海藻糖、润湿分散剂，利用搅拌器以80-120r/min同方向搅拌10-30min，期间分2-4次间歇加入剩余纯水；S3：最后加入所述黄明胶增稠，利用搅拌器以15-30r/min同方向搅拌1-3min，成型后搓成直径为0.6-0.8cm的球形颗粒，再放入冰箱冷干成型，得到内部碳源球，备用。内部碳源作为储备碳源，可持续为水体补充营养更加丰富的碳源。进一步地，所述连接胶体的制备方法包括以下步骤：S1：先将所述甲基纤维素加入到所述聚乙烯吡咯烷酮中搅拌均匀，进行预溶解，得到甲基纤维素-聚乙烯吡咯烷酮溶液；聚乙烯吡咯烷酮不仅有良好的粘结性，还具有优良的生理惰性，不参与微生物代谢反应，同时性质稳定，不会对水体产生污染；而甲基纤维素具有优良的润湿性、分散性、粘接性、保水性和成膜性，并且所成膜的韧性、柔曲性良好。S2：在所述甲基纤维素-聚乙烯吡咯烷酮溶液中加入所述去离子水进行稀释，然后依次加入所述碳纳米管、溶解助剂和非离子型表面活性剂，搅拌混合均匀，得到连接胶体溶液。碳纳米管具有完美的六边形结构，因此可增加连接胶体成膜后的强度、弹性和抗疲劳性，同时，碳纳米管还具有优异的电学性质，可作为铁碳微电解时的导体。一种生物可降解型缓释碳源填料的制备方法包括以下步骤：(1)制备内部碳源球：将所述琼脂粉和燕麦麸粉按照上述比例混合均匀，加入二分之一所述纯水，并搅拌成糊状；再依次加入所述甘油、微生物营养剂、海藻糖、润湿分散剂，利用搅拌器以80-120r/min同方向搅拌10-30min，期间分2-4次间歇加入剩余纯水；最后加入所述黄明胶增稠，利用搅拌器以15-30r/min同方向搅拌1-3min，成型后搓成直径为0.6-0.8cm的球形颗粒，再放入冰箱冷干成型，得到内部碳源球；(2)制备外部碳源粉末：将所述可生物降解聚合物和淀粉按照上述比例进行混合，并投加所述乳化剂和催化剂，与所述硬水混合均匀后，在100℃的水浴中搅拌糊化共混匀1h，制得共混物；将所述共混物制成取出后放入放入冰箱冷冻成型，切成小方块状后放入烘箱，在70-80℃下烘干，研磨成粒径为60-80目共混物粉末；将所述共混物粉末和所述石墨粉、铁粉按照上述比例进行混合均匀，得到外部碳源粉末，隔氧存储待用；(3)制备连接胶体溶液：先将所述甲基纤维素加入到所述聚乙烯吡咯烷酮中搅拌均匀，进行预溶解，得到甲基纤维素-聚乙烯吡咯烷酮溶液；在所述甲基纤维素-聚乙烯吡咯烷酮溶液中加入所述去离子水进行稀释，然后依次加入所述碳纳米管、溶解助剂和非离子型表面活性剂，搅拌混合均匀，得到连接胶体溶液；(4)制备多层缓释碳源球体：A)先用所述连接胶体溶液对所述内部碳源球进行均匀喷洒，使内部碳源球表面润湿；B)将润本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物可降解型缓释碳源填料，其特征在于，主要包括外部碳源层、内部碳源层和连接胶体，所述外部碳源层、内部碳源层和连接胶体的质量比为：3‑5:1:2‑3，所述外部碳源层通过所述连接胶体包裹所述内部碳源层组成多层球状结构；外部碳源层按照重量百分比计主要包括：25‑30％可生物降解聚合物、25‑30％淀粉、3‑5％乳化剂、0.8‑1.2％催化剂、6‑8％石墨粉、6‑8％铁粉，余量为硬水；内部碳源层按照重量百分比计主要包括：18‑28％琼脂粉、9‑17％燕麦麸粉、15‑20％甘油、4‑6％微生物营养剂、1‑3％海藻糖、2‑5％黄原胶、0.5‑1.5％润湿分散剂，余量为纯水；连接胶体按照重量百分比计主要包括：4‑7％碳纳米管、14‑18％聚乙烯吡咯烷酮、2‑3％非离子型表面活性剂、8‑12％甲基纤维素、1‑2％溶解助剂，余量为去离子水。

【技术特征摘要】
1.一种生物可降解型缓释碳源填料，其特征在于，主要包括外部碳源层、内部碳源层和连接胶体，所述外部碳源层、内部碳源层和连接胶体的质量比为：3-5:1:2-3，所述外部碳源层通过所述连接胶体包裹所述内部碳源层组成多层球状结构；外部碳源层按照重量百分比计主要包括：25-30％可生物降解聚合物、25-30％淀粉、3-5％乳化剂、0.8-1.2％催化剂、6-8％石墨粉、6-8％铁粉，余量为硬水；内部碳源层按照重量百分比计主要包括：18-28％琼脂粉、9-17％燕麦麸粉、15-20％甘油、4-6％微生物营养剂、1-3％海藻糖、2-5％黄原胶、0.5-1.5％润湿分散剂，余量为纯水；连接胶体按照重量百分比计主要包括：4-7％碳纳米管、14-18％聚乙烯吡咯烷酮、2-3％非离子型表面活性剂、8-12％甲基纤维素、1-2％溶解助剂，余量为去离子水。2.如权利要求1所述的一种生物可降解型缓释碳源填料，其特征在于，所述可生物降解聚合物为聚己内酯或聚乙烯醇。3.如权利要求1所述的一种生物可降解型缓释碳源填料，其特征在于，所述淀粉为醋酸酯淀粉、交联淀粉、普通淀粉、膨化糯米粉中任意一种。4.如权利要求1所述的一种生物可降解型缓释碳源填料，其特征在于，所述乳化剂为脂肪酸聚甘油酯或山梨糖醇甘油酸酯。5.如权利要求1所述的一种生物可降解型缓释碳源填料，其特征在于，所述外部碳源层的制备方法包括以下步骤：S1：将所述可生物降解聚合物和淀粉按照上述比例进行混合，并投加所述乳化剂和催化剂，与所述硬水混合均匀后，在100℃的水浴中搅拌糊化共混匀1h，制得共混物；S2：将所述共混物制成取出后放入放入冰箱冷冻成型，切成小方块状后放入烘箱，在70-80℃下烘干，研磨成粒径为60-80目共混物粉末；S3：将所述共混物粉末和所述石墨粉、铁粉按照上述比例进行混合均匀，隔氧存储待用。6.如权利要求1所述的一种生物可降解型缓释碳源填料，其特征在于，所述内部碳源层的制备方法包括以下步骤：S1：将所述琼脂粉和燕麦麸粉按照上述比例混合均匀，加入二分之一所述纯水，并搅拌成糊状；S2：依次加入所述甘油、微生物营养剂、海藻糖、润湿分散剂，利用搅拌器以80-120r/min同方向搅拌10-30min，期间分2-4次间歇加入剩余纯水；S3：最后加入所述黄明胶增稠，利用搅拌器以15-30r/min同方向搅拌1-3min，成型后搓成直径为0.6-0.8cm的球形颗粒，再放入冰箱冷干成型，得到内部碳源球，备用。7.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆其金，周秀秀，谌建宇，黄荣新，林方敏，黎京士，赖后伟，刘立，
申请(专利权)人：环境保护部华南环境科学研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44