聚氨酯基生物固定化载体及污水处理方法.pdf

本发明公开了一种聚氨脂基生物固定化载体。该载体中具有三种结构：聚氨脂大孔网络；聚氨脂交联壳聚糖并包织着活性炭的结构；壳聚糖与戊二醛、环氧氯丙烷、或氯乙酸交联而成的微孔网络，三种网络互穿，形成了可固定生物活性分子的聚合物。本发明的载体具有特性：特大孔与微孔、亲水性与反应性、强吸附型与强极性共存；生物承载量高、相容性好；物理化学及机械性能好，传质性能好；以及在酸/碱水溶液中不溶解等。其适用于对各种污水执行生物反应处理。

1、  一种用于水处理的生物固定化载体，该载体包括：一种由泡沫塑料构成的基体；一种吸附剂，其在泡沫塑料基体合成时被加入到基体中；以及一种交联剂，其在泡沫塑料基体合成时被加入到基体中，且与基体发生交联反应而将吸附剂包织在其中。

2、  根据权利要求1所述的生物固定化载体，其特征在于：所述泡沫塑料为聚氨酯材料。

3、  根据权利要求2所述的生物固定化载体，其特征在于：所述吸附剂为活性炭。

4、  根据权利要求3所述的生物固定化载体，其特征在于：所述絮凝剂为壳聚糖。

5、  一种壳聚糖交联活性炭聚氨脂生物固定化载体，该载体是通过在聚氨脂泡沫塑料合成时添加壳聚糖和粉状活性炭、并经发泡—开孔—交联处理制成的。

6、  根据权利要求5所述的生物固定化载体，其特征在于：在聚氨脂泡沫塑料发泡开孔时加入的壳聚糖的氨基与聚氨脂发生交联反应，同时，未参加交联反应的壳聚糖氨基还与聚氨脂中酰胺等其它键形成氢键，并将活性炭包织在其中。

7、  根据权利要求5所述的生物固定化载体，其特征在于：还使用戊二醛、环氧氯丙烷、或氯乙酸与壳聚糖进行二次交联，生成细微小孔网状结构。

8、  根据权利要求7所述的生物固定化载体，其特征在于：载体表面含有伯氨基、仲氨基、酰胺基、羰基、醚键等基团，可以交联固定微生物；载体含有N、O原子，从而可与金属离子形成配位键；在聚氨脂泡沫塑料发泡开孔时加入壳聚糖和粉状活性炭生成了聚氨脂特大孔网络聚合物，其与二次交联所生成的微孔网络结构互穿，形成了复杂的网状结构。

9、  一种污水处理方法，该方法包括步骤：
将根据权利要求1-8之一所述载体加入到曝气池中，接种活性污泥或投加高效微生物，并加注污水，闷曝2-4天，以使微生物与载体产生固定化反应；以及
通入污水，污水流量由小到大逐渐变化，一定时间后连续处理污水。

10、  根据权利要求9所述的污水处理方法，其特征在于：该方法适用于处理城市污水、工业污水、垃圾渗滤液和禽畜废液，并可用于对江河湖泊的环境水体进行修复。

聚氨酯基生物固定化载体及污水处理方法
技术领域
本发明涉及一种生物固定化载体，更具体来讲，本发明涉及一种结合了化学吸附作用与交联反应的聚氨酯基生物固定化载体。
背景技术
目前，随着在环保以及可持续发展方面的要求不断提高，出现了多种用于对废水进行回收处理的方式，其中的一种途径即为水处理生物反应，而水处理生物反应就需要用到生物反应载体。
生物反应中承载微生物的载体是影响污水处理效果的关键性材料，技术人员曾经采用矿渣、竹片、木条、纸、玻璃、塑料、陶瓷等作为生物载体。载体的结构有实心、空心、波纹、蜂窝、环状、树状、分层等，但现有技术中对载体的研究大多仍然集中于增加比表面积、防止堵塞和安装方式，例如在中国专利CN 2528765Y中就披露了利用比表面积较大的纤维网作为微生物载体的技术，但用这些技术获得的载体仍是惰性的，不具有生物活性。
近年发展起来的生物固定化技术是通过一定的固定化手段使微生物附着生长在载体里的技术，生物固定化方法主要有表面吸附固定法、交联固定法、以及包埋固定法等。表面吸附固定法是指微生物吸附在载体表面的固定方法，生物膜法是此类固定法的代表性例子。该方法对微生物活性影响较小，但其固定的微生物量有限。交联固定法是利用两个或两个以上的功能团制剂，直接与微生物肽链某些氨基酸残基进行交联反应，从而与微生物形成共价键使微生物固定化的方法(例如参见中国专利公开文件CN 1478734A)。但该方法化学反应激烈，对微生物活性影响较大，使用的交联剂大多有毒且价格昂贵，从而限制了此法的应用。包埋固定法是用高分子水凝胶材料形成将微生物固定化的网络、微囊等，或利用水溶单体聚合形成凝胶时将微生物包埋在其内(例如参见中国专利公开文件CN 1277942 A)。该方法对微生物活性影响较小，但因其载体网络结构的阻碍而不利于传质，且水凝胶耐冲击性不佳、寿命短。
轻质聚氨脂泡沫塑料是一种较为理想的载体，近年已得到一定的应用，如德国的LINPOR工艺中就采用了聚氨脂网状泡沫塑料载体；现有技术中，为了提高载体的吸附能力，人们尝试在聚氨脂泡沫塑料中加入活性炭，美国专利4983299及中国专利公开文件CN 1105649就公开了这样的方案，但这些载体仍无活性、无微细小孔、比表面小，活性炭及其他添加剂与聚氨脂本体结合不牢固，强度差，且化学稳定性差、易水解。
壳聚糖是脱去甲壳素分子中的乙酰基而得的一种天然活性高分子化合物。壳聚糖分子中含有活泼的羟基和氨基等极性基团，因此，主链上可发生水解反应，C-2位上的氨基和C-6位上的羟基可以发生乙酰化、羟乙酰化、羧甲基化、氰乙基化、硫酸酯化、氧化、黄原酸化等化学修饰。在双官能团的醛或酸酐等交联剂作用下，壳聚糖可进行交联反应。在γ-射线或催化剂作用下，乙烯基单体和丙烯酸类单体可与壳聚糖进行接枝共聚反应。由于壳聚糖不仅具有很好的生物相容性，而且无毒、易生物降解，使得其在医药、农业、环保、纺织、印染、造纸、催化、食品、日用化妆品等领域具有广泛的应用前景。例如在中国专利公开文件CN 1280104A所公开的技术方案中，其被用在污水处理中作为絮凝剂。
但迄今为止，现有技术中尚未出现将聚氨酯、活性炭、以及壳聚糖结合为一体的、具有复合功效的生物固定化载体。
发明内容
基于上述考虑，本发明的目的是提供一种具有复合功效的生物载体，该载体可保持轻质聚氨脂泡沫塑料、活性炭和壳聚糖各自与微生物相结合处理污水所具有的优点，同时又使三者相互协同，成为理想的有机整体。
本发明通过选择载体的原料、利用化学吸附与交联相结合的生物固定化技术形成一种具有生物分子活性的载体，从而实现了上述目的。
根据本发明的一个方面，本申请提供了一种用于水处理的生物固定化载体，该载体包括：一种由泡沫塑料构成的基体；一种吸附剂，其在泡沫塑料基体合成时被加入到基体中；以及一种交联剂，其在泡沫塑料基体合成时被加入到基体中，且与基体发生交联反应而将吸附剂包织在其中。
根据本发明的一项特征，所述泡沫塑料为聚氨酯材料。
根据本发明的一项特征，所述吸附剂为活性炭。
根据本发明的一项特征，所述絮凝剂为壳聚糖。
根据本发明的另一方面，本申请提供了一种壳聚糖交联活性炭聚氨脂生物固定化载体，通过在聚氨脂泡沫塑料合成时添加壳聚糖和粉状活性炭，并经发泡、开孔、交联处理制成所述生物固定化载体。
根据本发明的一项特征，在聚氨脂泡沫塑料发泡开孔时加入的壳聚糖的氨基与聚氨脂发生交联反应，同时，未参加交联反应的壳聚糖氨基还与聚氨脂中酰胺等其它键形成氢键，并将活性炭包织在其中。
根据本发明的另一项特征，还使用戊二醛、环氧氯丙烷、或氯乙酸与壳聚糖进行二次交联，生成细微小孔网状结构。
根据本发明的另一项特征，载体表面含有伯氨基、仲氨基、酰胺基、羰基、醚键等基团，可以交联固定微生物；载体含有N、O原子，从而可与金属离子形成配位键。
根据本发明的一项特征，在聚氨脂泡沫塑料发泡开孔时加入壳聚糖和粉状活性炭生成了聚氨脂特大孔网络聚合物，其与二次交联所生成的微孔网络结构互穿，形成了复杂的网状结构。
根据本发明的另一方面，本申请提供了一种污水处理方法，该方法包括步骤：
将上述载体加入到曝气池中，接种活性污泥或投加高效微生物，并加注污水，闷曝2-4天，以使微生物与载体产生固定化反应；以及
通入污水，污水流量由小到大逐渐变化，一定时间后连续处理污水。
具体实施方式
下文将结合具体的实施方式对本发明作详细的介绍，但这些描述仅是示例性的，本领域技术人员可以领会到：在权利要求书所限定的范围内，还可以有多种其它的实施方式，且所有基于本发明设计思想的实施方式都在本发明的范围内。
通过在合成聚氨脂泡沫塑料时加入活性炭和壳聚糖，并经过发泡、开孔、交联等处理而制成了一种壳聚糖交联活性炭聚氨脂生物固定化载体，其表现出特大孔与微小孔、亲水性与反应性、强吸附型与强极性共存的特性；且传质、传热和动量传递速度快；生物承载量高和相容性好；物理化学性能稳定，具有在酸/碱水溶液中不溶解、抗水解能力强地特点。该载体的干密度为12-35g/m³，湿密度为950-1100kg/m³，孔隙率98％，比表面为150m²/g，持水量3000％。
在实施污水处理时，将载体加入曝气池中，接种活性污泥或投加高效微生物，加入污水后闷曝2-4天，进行微生物与载体的固定化反应，然后进水，流量从小到大，15-20天后可用于连续处理污水。
本发明的载体适用于处理城市污水、工业污水、垃圾渗滤液和禽畜废液，并可用于对江河湖泊的环境水体进行修复。下面介绍一些应用该载体执行水处理的实例
实例1
利用用壳聚糖交联活性炭聚氨脂生物固定化载体处理焦化污水
在曝气生物滤池内装填2/3容积的上述载体，投加高效微生物菌群B350(B350含28种专用微生物及纤维酶、淀粉酶、脂肪酶和水解酶，堆密度为0.6-0.8g/cm3，微生物数量为30-50亿个/g)。池底铺设微孔曝气管对系统曝气。表1是运行90天的结果。
            表1焦化污水处理结果(单位：mg/L，pH值、色度除外)