一种污水处理微生物载体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种污水处理微生物载体，由磁性碳纤维支架和其表面固定有微生物的聚吡咯薄膜层组成；其中，磁性碳纤维支架由复合纤维束编织而成，经预氧化和碳化处理得到；所述复合纤维为掺杂有石墨烯的聚丙烯腈纤维，表面及内部均匀分布有磁性氧化铁纳米粒子。本发明专利技术通过原位生成的氧化铁纳米粒子具有良好的光催化活性，其还能促进碳纤维局部石墨化与石墨烯协同提高碳纤维的导电性；以磁性碳纤维支架为工作电极，在其上电化学沉积聚吡咯薄膜，实现了微生物的有效固定且不会发生包埋，不仅有利于微生物负载和增殖，也有利于氧化铁光催化剂及微生物与污水中的污染物充分接触，光催化降解与微生物处理同步进行，大大提高了污水处理的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种污水处理微生物载体及其制备方法
本专利技术涉及污水处理
，具体涉及一种污水处理微生物载体及其制备方法。
技术介绍
随着水资源紧缺程度不断增加，对污水处理的要求也不断提高。微生物处理法由于成本低，污染小，在污水处理工艺中占据重要地位。微生物处理工序中通常需要将微生物附着在载体上，然后将载体放置在待处理污水中，实现对微生物的长效利用。微生物载体的结构和材质直接影响生物载体对微生物的附着性。申请号为201510985470.2的中国专利文献公开了一种包埋微生物的污水处理复合凝胶材料及其制备方法，其特征在于按重量份计，其原料组分包括：卡拉胶60～80份，聚丙烯酰胺5～15份，多孔淀粉5～8份，微生物4～8份，生长因子0.1～0.3份，无机粉体1～4份，交联剂1～3份，钾盐0.5～0.8份。该专利技术采用卡拉胶、聚丙烯酰胺复合凝胶为包埋剂以及多孔淀粉为吸附剂作为载体，无机粉体为添加剂，用于包埋微生物，应用于污水处理，可有效吸附去除重金属离子以及降解有机物，其制备工艺简单，成本低，但是其存在孔隙率低、传质性差、包埋导致微生物活性降低的缺点。申请号为201610765460.2的中国专利文献公开了一种基于静电纺丝-静电喷涂交替使用以制备可吸附重金属的负载微生物的夹心微纳米纤维复合膜的方法。将高分子复合物溶解于有机溶剂中，磁力搅拌得到混合溶液；然后通过静电纺丝技术制备微纳米纤维膜；将微生物分散在去离子水中，搅拌均匀静电喷涂于微纳米纤维膜表面；样品放入真空干燥箱中干燥至溶剂完全挥发，此为1个双层；重复操作可获得所需层数奇偶性不同的负载微生物的夹心微纳米纤维复合膜。该纳米纤维复合膜的原料成本低、生物相容性好，反应条件温和、适用广泛，但是实际应用过程中由于微生物依赖静电喷涂与纳米纤维结合，聚集和脱落现象仍时有发生，夹心结构不利于微生物与污水的充分接触，且随着微生物的代谢和生物膜的增厚，有效的比表面积大幅减少，传质速率迅速下降，需要频繁更换或再生。
技术实现思路
针对现有微生物载体存在表面面积小、孔隙率低、载体与微生物间的亲和作用小，容易发生脱落，污水处理效率低、处理后的水容易再次恶化等问题。本专利技术的一个目的是提供一种性质稳定、机械强度高、微生物亲和性好、传质性能优良、能够同时进行光催化与生物降解的污水处理微生物载体及其制备方法。上述目的通过如下技术方案实现：一种污水处理微生物载体，由磁性碳纤维支架和其表面固定有微生物的聚吡咯薄膜层组成；其中，磁性碳纤维支架由复合纤维束编织而成，再经预氧化和碳化处理得到；所述复合纤维为掺杂有石墨烯的聚丙烯腈纤维，表面及内部均匀分布有磁性氧化铁纳米粒子。进一步地，所述微生物为蜡状芽胞杆菌、枯草芽孢杆菌、赤红球菌中的一种或几种。一种污水处理微生物载体的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将聚丙烯腈和铁盐溶解在乙醇中，与石墨烯溶液混合制备纺丝液，双针头共轭法制备得到复合纤维束，再进行编织得到复合纤维支架；步骤2：将复合纤维支架进行预氧化、碳化处理，得到磁性碳纤维支架；步骤3：将步骤2所得磁性碳纤维支架作为工作电极，采用电化学聚合方法在磁性碳纤维支架表面制备固定有微生物的聚吡咯薄膜层，即得污水处理微生物载体。进一步地，步骤1中铁盐为柠檬酸铁、乙酸铁或草酸铁。进一步地，步骤1中石墨烯溶液的制备方法为：将石墨烯加入溶剂中，在30～45℃下超声分散2～6h，得到石墨烯溶液。进一步地，步骤1中复合纤维束的平均直径为5～10μm；支架孔隙直径范围在50～150μm，支架孔隙率大于90％。进一步地，步骤2中预氧化为空气氛中，200～250℃预氧化2～4h；碳化为惰性气体中，程序升温至600～800℃保持0.5～1h，程序降温至180℃之后停止通入惰性气体，随炉冷却，取出水洗，即得负载有氧化铁纳米粒子的磁性碳纤维支架。进一步地，步骤3中电化学沉积方法所用的电聚合液的配制：在PBS缓冲溶液中加入微生物悬浮液，加入新配制的吡咯单体微乳液，混合均匀后超声5～10min，静置10min即得电聚合液。进一步地，所述吡咯单体微乳液的配制方法为：将吡咯单体分散在水中，磁力搅拌30～60min，形成微乳液；进一步地，步骤3中电化学聚合方法所用的电聚合液配制中所述PBS缓冲溶液的pH为7.0。进一步地，步骤3中电化学聚合采用循环伏安法进行，电压范围0～1.1V，扫描速度100mV/s。本专利技术另一个目的是提供上述污水处理微生物载体在污水处理中的应用。本专利技术通过将聚丙烯腈溶液与石墨烯溶液混合制备纺丝液，能够使得碳纤维自身具有两种尺寸的孔结构，使碳纤维的传质和吸附能力更强，同时铁盐转变为粒径在10nm左右的氧化铁纳米粒子均匀分布在碳纤维的表面及内部，促进碳纤维局部石墨化，进一步提升了碳纤维的强度，且与掺杂的石墨烯协同使得碳纤维具有良好的导电性，为多孔结构表面电化学聚合创造条件。本专利技术以磁性碳纤维支架为工作电极，通过电化学聚合的方法在磁性碳纤维表面制备得到聚吡咯薄膜，而微生物菌群由于表面带负电，通过调节聚合液的pH，能够使得微生物菌群在电聚合过程中掺杂到聚吡咯薄膜中，同时菌群表面的功能基团能够与聚吡咯的氨基发生特异性结合，使微生物菌群牢固负载在磁性碳纤维表面，由于聚吡咯的厚度可控，能够达到有效固定微生物又不会发生包埋现象的目的，与现有微生物负载技术相比，微生物不易脱落且活性大大提高。此外，聚吡咯与磁性碳纤维支架间很强的相互作用以及聚吡咯表面组织的微结构使得微生物载体具有良好的柔韧性和抗弯折能力。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术通过有机铁前驱体原位生成氧化铁纳米粒子，使得氧化铁纳米粒子能够在碳纤维表面及内部均匀分布，生成的氧化铁粒径小，能够加速电子-空穴的传输，同时也增加了氧化铁的吸光效率，石墨烯掺杂碳纤维载体优良的导电性能显著提高氧化铁的光电流密度，同时降低氧化铁的起始电压，使得其具有高的光催化活性，污水处理过程中能够高效降解有机污染物和死去的微生物体，保证传质效率，而现有技术直接将氧化铁纳米粒子与聚丙烯腈混合时，氧化铁纳米粒子粒径通常较大，还存在容易聚集导致活性降低，与碳纤维间结合不牢固，使用过程中容易流失的缺点；(2)本专利技术以磁性碳纤维支架为工作电极，在其上电化学沉积聚吡咯薄膜，由于聚吡咯具有良好的微生物亲和性，不会影响微生物的活性，能够根据微生物浓度及特点通过调节电化学聚合循环伏安扫描的圈数来控制聚吡咯薄膜的厚度，实现了微生物的有效固定且不会发生包埋，使得载体具有很高的传质性能，由于磁性碳纤维支架为高孔隙率的三维立体结构，有微孔和中孔两种尺寸的孔结构，比表面积大，不仅有利于微生物负载和增殖，也有利于氧化铁光催化剂及微生物与污水中的污染物充分接触，氧化铁纳米粒子的磁性还对微生物的酶有活化作用，光催化降解与微生物处理同步进行，大大提高了污水处理的效率和延长了微生物载体的使用周期。附图说明图1为本专利技术污水处理试验工艺流程图，其中1-调节池，2-水泵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种污水处理微生物载体，其特征在于，由磁性碳纤维支架和其表面固定有微生物的聚吡咯薄膜层组成；其中，磁性碳纤维支架由复合纤维束编织而成，再经预氧化和碳化处理得到；所述复合纤维为掺杂有石墨烯的聚丙烯腈纤维，表面及内部均匀分布有磁性氧化铁纳米粒子。/n

【技术特征摘要】
1.一种污水处理微生物载体，其特征在于，由磁性碳纤维支架和其表面固定有微生物的聚吡咯薄膜层组成；其中，磁性碳纤维支架由复合纤维束编织而成，再经预氧化和碳化处理得到；所述复合纤维为掺杂有石墨烯的聚丙烯腈纤维，表面及内部均匀分布有磁性氧化铁纳米粒子。


2.如权利要求1所述的污水处理微生物载体，其特征在于，所述微生物为蜡状芽胞杆菌、枯草芽孢杆菌、赤红球菌中的一种或几种。


3.一种如权利要求1所述的污水处理微生物载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将聚丙烯腈和铁盐溶解在乙醇中，与石墨烯溶液混合制备纺丝液，双针头共轭法制备得到复合纤维束，再进行编织得到复合纤维支架；
步骤2：将复合纤维支架进行预氧化、碳化处理，得到磁性碳纤维支架；
步骤3：将步骤2所得磁性碳纤维支架作为工作电极，采用电化学聚合方法在磁性碳纤维支架表面制备固定有微生物的聚吡咯薄膜层，即得污水处理微生物载体。


4.如权利要求3所述的污水处理微生物载体的制备方法，其特征在于，步骤1中铁盐为柠檬酸铁、乙酸铁或草酸铁。


5.如权利要求3所述的污水处理微生物载体的制备方法，其特征在于，步骤1中石墨烯溶液的制备方法为：将石墨烯加入溶剂中，在30～45℃下超声分散2～6...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立，
申请(专利权)人：无锡原旭机电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32