聚氨酯包埋硝化菌顆粒的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、微生物固定化技術(shù)具有處理效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、生物濃度高和固液分離效果好等優(yōu)點(diǎn)，最近幾十年逐漸引入水處理領(lǐng)域并得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，但是目前大多處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的較少，主要原因是常用的固定化載體性能不穩(wěn)定、價(jià)格較高、使用壽命較短、難以適應(yīng)水處理系統(tǒng)中的長期連續(xù)運(yùn)行。本文根據(jù)聚氨酯水凝膠的特點(diǎn)，合成了一種新型聚氨酯丙烯酸酯大分子單體作為包埋載體，以硝化細(xì)菌作為被包埋微生物，對(duì)聚氨酯包埋硝化菌顆粒的制備和應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)

2、地研究。
　　采用大單體合成技術(shù)，以異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)和聚醚多元醇(PMPO)為原料分步合成了一種新型聚氨酯丙烯酸酯大分子單體，并利用元素分析、紅外光譜和核磁共振圖譜對(duì)聚氨酯預(yù)聚體進(jìn)行了表征，確定所得預(yù)聚體為結(jié)構(gòu)規(guī)整分子量均一的大分子單體。對(duì)影響該大分子單體合成的各因素進(jìn)行了分析，確定以二月桂酸二丁基錫催化劑，適宜的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間分別是65℃和4h。重點(diǎn)對(duì)IPDI/PEG/HEMA大分

3、子單體分步合成反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了探討，確定了反應(yīng)級(jí)數(shù)和反應(yīng)基團(tuán)的順序，表明IPDI與PMPO和IPDI聚氨酯中間體與HEMA的反應(yīng)均為二級(jí)反應(yīng)，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)分別0.0165mol/L·min和0.0264 mol/L·min，并計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)活化能分別為55.02 kJ/mol和101.52 kJ/mol。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的小試結(jié)果和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的理論分析，通過中試放大，建立了一套規(guī)模為200噸/年的生產(chǎn)裝置。
　　在聚氨酯丙烯

4、酸酯大分子單體乳液經(jīng)自由基聚合形成水凝膠的反應(yīng)中，選取過硫酸鉀(KPS)/四甲基乙二胺(TEMED)作為雙組分的氧化還原引發(fā)體系，并采用正交試驗(yàn)優(yōu)化了聚氨酯水凝膠的制備方法，確定最優(yōu)配比為:大分子單體10％，催化劑TEMED0.5％，引發(fā)劑KPS1.0％，添加劑粉末活性炭3％。利用紅外光譜和掃描電鏡對(duì)聚氨酯凝膠顆粒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，表明聚氨酯水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且形成孔洞并具有較大的比表面積。根據(jù)Arrhenius公式估算了聚氨酯凝膠顆粒

5、的使用壽命，在25℃，pH6～8的環(huán)境，凝膠顆粒可以穩(wěn)定運(yùn)行長達(dá)20年。
　　在水凝膠制備的基礎(chǔ)上，考察了固定化試劑和操作條件對(duì)硝化菌活性的影響，確定聚氨酯包埋硝化菌顆粒的工業(yè)化生產(chǎn)流程為:在特制模具中將10％聚氨酯乳液、3％粉末活性炭和MLSS2.0×104 mg/L硝化菌濃縮液混合均勻，加入催化劑TEMED0.5％，引發(fā)劑KPS1.0％，在25℃下反應(yīng)10 min，并將得到規(guī)整凝膠體放入專業(yè)切粒機(jī)中切成3×3×3 mm的立方體

6、，清洗，即得到聚氨酯包埋硝化菌顆粒的成品。分別采取了間歇和連續(xù)兩種馴化方式恢復(fù)包埋硝化菌顆粒的活性，結(jié)果說明連續(xù)提高進(jìn)水氨氮濃度的馴化方式較為理想，氨氧化速率可較快達(dá)到350 mg-N/L-pellet·h。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)馴化前后的包埋顆粒內(nèi)的微生物進(jìn)行分析，并對(duì)聚氨酯載體的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，聚氨酯包埋顆粒的運(yùn)行成本較低，適合工業(yè)化應(yīng)用。
　　包埋硝化菌顆粒應(yīng)用于模擬廢水中氨氮的去除，分別研究了包埋硝化菌顆粒在不同

7、初始氨氮濃度中的硝化動(dòng)力學(xué)，在高濃度條件下，為零級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為329.7 mg-N/L-pellet·h;而在低濃度條件下，則為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為24.72/L-pellet·h。并引入靈敏度分析法，分別考察了高、低氨氮濃度條件下，各個(gè)環(huán)境因素對(duì)包埋硝化菌顆粒硝化特性的影響，確定了最佳操作點(diǎn)分別為:pH=9，DO=4 mg/L，溫度為30℃（低濃度）;pH=8，DO=6 mg/L，溫度為30℃（高濃度）。與游離態(tài)硝化菌