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基本信息

項(xiàng)目名稱：
多孔懸浮陶粒的修飾改性及其強(qiáng)化水處理的應(yīng)用研究
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
在制備多孔懸浮陶粒載體的基礎(chǔ)上，加以荷正電修飾改性的技術(shù)思路，采用熱化學(xué)法對(duì)陶粒進(jìn)行表面修飾改性。運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)試分析手段，從微生物固定化與懸浮陶粒涂層的結(jié)構(gòu)分析入手，探討涂覆工藝因素對(duì)懸浮陶粒性能的影響規(guī)律和優(yōu)化最佳工藝參數(shù)；結(jié)合基礎(chǔ)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(duì)微生物降解水體中污染物性能的影響作用規(guī)律，實(shí)現(xiàn)有效去除水體中污染物的性能控制及應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
詳細(xì)介紹：
資料表明，截至2009年一季度，我國(guó)建成并投入運(yùn)營(yíng)的污水處理廠共1590座，設(shè)計(jì)日處理規(guī)模達(dá)9000多萬(wàn)m3。由于資金的相對(duì)短缺，目前我國(guó)污水處理設(shè)施的建設(shè)速度滯后于人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。我國(guó)對(duì)污水處理用普通陶瓷陶粒研究較多，因?yàn)樗鳛槲鬯幚碇饕d體之一，材料低廉易得。耐用且廉價(jià)的微生物固定化載體及其技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)已成為降低環(huán)境治理成本，促進(jìn)該技術(shù)在我國(guó)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。 當(dāng)前，懸浮移動(dòng)載體已被國(guó)內(nèi)外環(huán)保專家公認(rèn)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(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的新型無(wú)機(jī)材質(zhì)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(jī)廢水的陶瓷載體，呈現(xiàn)部分開(kāi)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(xué)穩(wěn)定性、抗熱震性等；不僅質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性好，而且易于再生循環(huán)使用、壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)和使用的成本低。 目前，我國(guó)對(duì)懸浮填料載體的研究才剛剛起步，從經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)用的角度出發(fā)我們認(rèn)為應(yīng)在材質(zhì)方面，尋找價(jià)格更低廉，使用壽命長(zhǎng)，易掛膜和易再生的原材料；在結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)出比表面積大的形狀，應(yīng)該對(duì)載體表面的化學(xué)特性、修飾改性及懸浮填料生物膜的脫落機(jī)制進(jìn)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(chǔ)原料制備多孔陶瓷懸浮載體的基礎(chǔ)上，采用物理及化學(xué)相結(jié)合的方法將改性海泡石粉體涂覆在陶瓷載體毫米級(jí)內(nèi)孔表面，并加以載體表面荷正電修飾改性的技術(shù)思路，構(gòu)成具有孔梯度（微米級(jí)孔隙、毫米級(jí)孔洞）和濕密度梯度（0.95～1.05 g/cm3）的多孔陶瓷懸浮載體；運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)試分析手段，從陶瓷載體的結(jié)構(gòu)分析入手，探討涂覆工藝因素對(duì)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(duì)微生物吸附的機(jī)理，探討改性后陶瓷載體負(fù)載微生物和去除水體中污染物的作用機(jī)理，并加以科學(xué)驗(yàn)證。 表面改性技術(shù)通過(guò)對(duì)基體材料表面采用化學(xué)的、物理的方法改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)以提高載體或材料性能。通常，無(wú)機(jī)材料表面帶負(fù)電，而水中的微生物和有機(jī)污染物表面一般均帶負(fù)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(wèn)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(zhì)著手，研制優(yōu)于傳統(tǒng)陶粒介質(zhì)，可以改善優(yōu)化水處理工藝技術(shù)，提高出水水質(zhì)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研制的各種新型水處理載體也正用物理或化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行修飾改性，改善其表面結(jié)構(gòu)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(guò)一定的方式固定在載體上, 理想的制備吸附劑的載體應(yīng)該是: 傳質(zhì)性能好、生物親和性強(qiáng)、穩(wěn)定且強(qiáng)度高、價(jià)格低廉、無(wú)污染、易于再生等。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)等微生物能夠吸附或富集有機(jī)污染物和重金屬, 而且不僅能在活的微生物細(xì)胞表面, 還能在死的微生物細(xì)胞表面進(jìn)行。微生物在其生存環(huán)境的pH值條件下，一般帶有負(fù)電荷。為了利用靜電吸引力促進(jìn)微生物固定，載體表面若帶有正電荷將有利于生物固定過(guò)程的進(jìn)行。載體表面親疏水性及荷電性是可以通過(guò)對(duì)載體表面的改性完成的，或直接在載體材料加工過(guò)程中得以實(shí)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(zhǎng)形成高的生物膜量，利于底物滲入與產(chǎn)物擴(kuò)散出來(lái)，構(gòu)成載體－微生物復(fù)合物高活性界面。 在此基礎(chǔ)上，全面了解、評(píng)價(jià)多孔陶瓷懸浮載體材質(zhì)?結(jié)構(gòu)的生物特性及在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)環(huán)境下的掛膜機(jī)理、效能。進(jìn)一步對(duì)以改性陶瓷懸浮載體為核心生物膜反應(yīng)器的污水處理機(jī)理進(jìn)行深入研究，為懸浮陶瓷生物膜反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

作品圖片

  • 多孔懸浮陶粒的修飾改性及其強(qiáng)化水處理的應(yīng)用研究
  • 多孔懸浮陶粒的修飾改性及其強(qiáng)化水處理的應(yīng)用研究
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1、研究目的和基本思路： 當(dāng)前，懸浮移動(dòng)載體已被國(guó)內(nèi)外環(huán)保專家公認(rèn)為一種高效率、節(jié)能型的生物載體。從經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)用的角度出發(fā)，我們認(rèn)為應(yīng)在材質(zhì)方面，尋找價(jià)格更低廉，使用壽命長(zhǎng)，易掛膜和易再生的原材料；在結(jié)構(gòu)方面,應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)出比表面積大的形狀，應(yīng)該對(duì)載體表面的化學(xué)特性、修飾改性及懸浮填料生物膜的負(fù)載性能進(jìn)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(chǔ)原料制備多孔懸浮陶粒的基礎(chǔ)上，采用物理及化學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)多孔懸浮陶粒表面進(jìn)行荷正電修飾改性的技術(shù)思路，使之能夠負(fù)載更大的生物量，且長(zhǎng)時(shí)間保持較高的微生物活性。2、創(chuàng)新點(diǎn) 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(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的新型無(wú)機(jī)材質(zhì)載體。該陶瓷載體呈現(xiàn)部分開(kāi)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(xué)穩(wěn)定性、抗熱震性等；不僅質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性好，而且易于再生循環(huán)使用、壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)和使用的成本低。 本項(xiàng)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(diǎn)于一身， 3、技術(shù)關(guān)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(yīng)溫度、反應(yīng)物種類(lèi)、濃度、比例及燒成制度等對(duì)涂層的顯微結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性質(zhì)的影響關(guān)系。 （3）微生物固定化工藝與性能評(píng)價(jià)，研究影響多孔懸浮陶粒載體固定生物膜厚度、結(jié)構(gòu)以及活性的主要因素。

科學(xué)性、先進(jìn)性

我國(guó)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(guò)程中，需要較大的動(dòng)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(guò)表面荷正電改性，提高載體的微生物附著性能和對(duì)有機(jī)污染物的吸附性能。與其它同類(lèi)產(chǎn)品比較，集高分子懸浮填料和普通陶粒二者的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在污水處理生物反應(yīng)器――曝氣池中作為微生物的活性載體, 只需較小的的曝氣強(qiáng)度就可達(dá)到全池流態(tài)化。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

本作品在景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院4月份的挑戰(zhàn)杯選拔賽中獲?！耙坏泉?jiǎng)”

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品、模型、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、樣品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

耐用且廉價(jià)的微生物固定化載體及其技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)已成為降低環(huán)境治理成本，促進(jìn)該技術(shù)在我國(guó)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。我國(guó)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(guò)程中，需要較大的動(dòng)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(zhì)陶瓷載體，該陶粒比重為0.95～1.05 g/cm3，在少量曝氣時(shí)即能良好懸浮分散。載體呈部分開(kāi)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(fù)載性能，采用物理和化學(xué)方法對(duì)該陶粒進(jìn)行表面荷電改性，使之能夠負(fù)載更大的生物量，且長(zhǎng)時(shí)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(lèi)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(dòng)床的研制，在20世紀(jì)90年代中期才開(kāi)始相應(yīng)的研究。懸浮載體生物膜法又稱懸浮填料移動(dòng)床工藝(MBBR), 最先由挪威KMT公司與SINTEF研究機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)并申請(qǐng)專利的一種新的污水生物處理技術(shù)。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(diǎn)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(jìn)行降解。與活性污泥工藝相比，生物膜法具有更節(jié)能、更強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，具有較大的單位體積生物量、較長(zhǎng)的固體停留時(shí)間、剩余污泥量少及運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)。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(nèi)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(diǎn)，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(dòng)的生物膜”。 懸浮填料是近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外污水處理研究開(kāi)發(fā)的一大動(dòng)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(shù)脂制成，比重接近于水，這些材料表面呈疏水性在紊流較強(qiáng)的條件下，載體外側(cè)難以生長(zhǎng)生物膜，因此降低了載體的比表面積。我國(guó)對(duì)污水處理用普通陶瓷濾料研究較多，因?yàn)樗鳛槲鬯幚碇饕d體之一，材料低廉易得，使得國(guó)內(nèi)許多陶瓷濾料生產(chǎn)廠家競(jìng)相研制輕質(zhì)濾料。載體費(fèi)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(duì)于生物膜系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用的降低非常重要。1998年，同濟(jì)大學(xué)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(zhì)的翼板、底板構(gòu)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(jìn)行污水處理的曝氣強(qiáng)度和掛膜試驗(yàn)研究，得出該種生物載體的密度為0.95～0.99 g/cm3時(shí)能很好流化，材料為聚丙烯時(shí)容易掛膜，中空?qǐng)A柱形生物載體掛膜膜量較大。輕質(zhì)陶粒作為無(wú)機(jī)類(lèi)懸浮生物載體，在污水處理中的應(yīng)用逐漸廣泛，如華南理工大學(xué)的王立立等采用直徑為2～4 mm的輕質(zhì)陶粒作為生物載體進(jìn)行污水處理試驗(yàn)，小試試驗(yàn)反應(yīng)器容積42 L，進(jìn)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(dá)到70％以上。
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