CN107720944A

CN107720944A - 一种复合滤料生物硝化滤池及处理水中氨氮的方法

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Publication number: CN107720944A
Application number: CN201710801151.0A
Authority: CN
Inventors: 刘德钊; 李长伟; 韩志英; 朱松明; 李加伟; 蓝丽华
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2018-02-23

Abstract

本发明公开了一种复合滤料生物硝化滤池及处理水中氨氮的方法，一种复合滤料生物硝化滤池，包括滤池外壳，所述的滤池外壳内置有滤料，所述的滤料采用表面改性的聚苯乙烯滤料和牡蛎壳滤料。表面改性的聚苯乙烯滤料，通过共价接枝明胶蛋白，使得材料表面粘附性强的蛋白分子含量增加，提高微生物在其表面的附着性，缩短挂膜时间。另外，选择表面粗糙且主要成分为CaCO₃的废弃牡蛎壳作为生物滤池滤料，可不断地中和掉硝化反应中产生的酸度，达到以低廉的成本实现稳定系统酸碱度的效果，并为废弃牡蛎壳找到一条重复利用的新途径。本发明最终实现了硝化生物滤池中的快速挂膜和长期的稳定运行。

Description

一种复合滤料生物硝化滤池及处理水中氨氮的方法

技术领域

本发明涉生物硝化技术领域，具体涉及一种复合滤料生物硝化滤池及处理水中氨氮的方法。

背景技术

水资源作为地球上至关重要的不可再生资源，也是人类生存发展不可或缺的物质基础。然而随着工业的迅速发展和城市人口的不断增长，水资源日趋短缺，水环境污染问题形势日渐严峻，尤其如氨氮等污染物的排放导致了地下水和地表水的污染及氮的富营养化及生态系统及土壤的酸化。因此，水环境已成为了制约我国可持续发展的关键限制性因素之一，而人们对于解决水污染、改善环境的要求愈加迫切，呼声亦愈来愈高。

生物滤池是生物膜法污水处理工艺流程中的主要组成部分，是在生物接触氧化工艺的基础上引入了给水快滤池的设计思路，是一种综合过滤、吸附和生物作用等各种净化过程的高效好氧污水处理工艺。而自从塑料滤料问世以来，生物滤池由低负荷率向高负荷率快速发展，故滤料的选择对于生物滤池处理效果至关重要。聚苯乙烯作为生物滤料具有机械性能极佳、磨损率低、破碎率低的优点，可以一直保持其外部形态，长时间运行而不需要更换补充。但由于合成类高分子聚合物滤料不具备良好的生物相容性，微生物黏附和增殖能力差，大大延长了挂膜时间。目前常以明胶蛋白引入材料表面提高其表面性能，引入明胶蛋白的方法包括物理法和化学法。物理包被蛋白分子法在聚苯乙烯滤料的表面引入了易于细胞黏附的多肽序列，可改善滤料的亲水性能和生物相容性，使得微生物的黏附和增殖速度都得到了提高。但通过此方法交联的蛋白分子数量较少，这主要是因为物理法依靠较弱的物理吸附力来固定蛋白分子，在外界作用的影响下很容易脱落，无法直接应用在实际工程中，需要寻找一种依靠较强的化学健固定蛋白分子的方法，使材料表面蛋白分子含量增加的同时保证其沉积的牢固程度。

此外，硝化反应的进行不断伴随着氢离子的产生，其耗碱量为7.14g/g(CaCO₃/NH₄ ⁺-N)，而硝化细菌的最适pH为7.5-8.0，故随着硝化反应不断产生酸度，pH将会低于硝化细菌的适宜范围，从而导致硝化反应的滞缓。目前常用的方法为向系统中投加NaHCO₃或NaOH等缓冲性或碱性物质，但这在一定程度上提高了运行及管理的成本，投加过量又会造成二次污染，故寻求一种可根据需求自行、不断释放碱度的滤料对于硝化生物滤池的长期运行显得尤为重要。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的问题为硝化生物滤池中聚苯乙烯滤料表面性能的改性方法和碱度自动调控、缓冲的方法，并将二者进行有机结合。

本发明的目的在于提供了一种复合滤料生物硝化滤池及处理水中氨氮的方法，滤料采用表面改性的聚苯乙烯滤料和牡蛎壳滤料，表面改性的聚苯乙烯滤料，通过共价接枝明胶蛋白，使得材料表面粘附性强的蛋白分子含量增加，提高微生物在其表面的附着性，缩短挂膜时间。另外，为有效解决碱度不足及低pH值条件下硝化菌活性受抑制等问题，选择表面粗糙且主要成分为CaCO₃的废弃牡蛎壳作为生物滤池滤料，可不断地中和掉硝化反应中产生的酸度，达到以低廉的成本实现稳定系统酸碱度的效果，并为废弃牡蛎壳找到一条重复利用的新途径。本发明最终实现了硝化生物滤池中的快速挂膜和长期的稳定运行。

为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合滤料生物硝化滤池，包括滤池外壳，所述的滤池外壳内置有滤料，所述的滤料采用表面改性的聚苯乙烯滤料和牡蛎壳滤料。

所述的滤池外壳上设有进水管和出水管，以及反冲洗进水管和反冲洗出水管。

本发明中，在聚苯乙烯表面共价接枝明胶蛋白提高材料的表面性能，缩短挂膜时间，并与可以实现自行调控系统pH值的牡蛎壳有机结合，使二者充分发挥其作为硝化滤池填料特有的优势，最终实现更快速、高效、彻底的硝化效果。

沿所述滤池外壳的高度方向，所述的表面改性的聚苯乙烯滤料在所述滤池外壳内的上部，所述的牡蛎壳滤料在所述滤池外壳内的下部。

所述的表面改性的聚苯乙烯滤料和牡蛎壳滤料的之间以及滤料的两端均设置有滤料挡板，所述的滤料挡板上设有蜂窝状的通孔。

第一方面，本发明提供了一种对聚苯乙烯类填料进行共价接枝明胶蛋白的表面性能改性方法，可大大缩短生物膜的挂膜时间，快速启动生物滤池，其原因在于明胶蛋白作为一种整联蛋白，增加了聚苯乙烯滤料表面的微生物细胞识别位点，提高细胞在材料表面的粘附性；表面改性后的聚苯乙烯材料静态接触角变小，表面张力值变大，表面能提高，进而改善了其亲水性；此外，生物膜的重要功能成分EPS(聚苯乙烯泡沫)的70-80％都是由蛋白和多糖构成的，人为在材料表面偶联明胶蛋白可缩短挂膜时间。

表面改性的聚苯乙烯滤料特征在于：

(1)使用强氧化处理聚苯乙烯滤料表面；

(2)在PBS缓冲溶液中，交联剂通过与氧化处理后的聚苯乙烯滤料反应实现表面接枝的改性处理。

所述的强氧化剂为高锰酸钾。

一种表面改性的聚苯乙烯滤料的制备方法，包括以下步骤：

1)将高锰酸钾溶解于强酸中，制得质量百分数为3％～8％高锰酸钾酸溶液；

2)在氧气充足的条件下，将聚苯乙烯滤料浸泡在高锰酸钾酸溶液中，之后取出；

3)以浓盐酸洗涤经步骤2)处理后的滤料表面至表面褐色层剥离，再以清水充分洗涤直至滤料表面呈中性，晾干待用；

4)将经步骤3)氧化处理后的聚苯乙烯滤料在含交联剂的缓冲溶液中浸泡；

5)取出步骤4)所述的滤料，浸泡于含明胶蛋白的缓冲溶液，取出后用水多次充分洗涤，晾干待用。

步骤1)中，所述的强酸为质量百分数8％～15％，进一步优选，为质量百分数10％的硫酸。质量百分数为3％～8％高锰酸钾酸溶液，是指高锰酸钾酸溶液中高锰酸钾的质量百分数为3％～8％，进一步优选，为5％。

步骤2)中，所述的浸泡的温度为45-55℃，所述的浸泡的时长为4-5h。

步骤3)中，所述的浓盐酸的浓度为5mol/L～7mol/L，进一步优选6mol/L。

步骤4)中，所述的交联剂为戊二醛，所述的含交联剂的缓冲溶液中交联剂的质量百分数为3％～8％，进一步优选为5％，在接枝中起到中介作用，接枝完成后自动脱离，故在产物中不会造成残留和积累，可回收重复利用。所述的浸泡的温度为35-40℃，所述的浸泡时间为22h～26h，进一步优选，为24h。

步骤5)中，所述的浸泡的温度为35-40℃，所述的浸泡时间为22h～26h，进一步优选，为24h。

所述的含明胶蛋白的缓冲溶液中明胶蛋白的浓度为0.5g/L～2g/L，进一步优选，为lg/L。

步骤4)和步骤5)中，所述的缓冲溶液为PBS缓冲溶液，可自行配制或直接购买。

上述表面改性方法，对于所述的聚苯乙烯滤料的结构没有限制。

第二方面，本发明提供了一种以废弃牡蛎壳作为生物硝化滤池填料的方法。牡蛎壳作为生物硝化滤池填料，硬度适中，表面粗糙，含有大量5-10μm的微孔，适于微生物的附着和生长；本身为大自然的固体废弃物，价格低廉；最重要的优势在于其主要成分为碳酸钙，可以与硝化反应产生的氢离子反应从而稳定系统的酸碱度。

一种牡蛎壳滤料的制备方法，包括以下步骤：

1)将废弃牡蛎壳在烈日下暴晒直至表面所有的有机物彻底分解后，用清水冲刷干净，得到干净的牡蛎壳。

2)超声处理经步骤1)所得的干净的牡蛎壳，自然风干。

3)对经步骤2)所得的牡蛎壳进行敲击、过筛处理(为获得尺寸相对均一的牡蛎壳)，得到牡蛎壳滤料。

步骤1)中，所述的暴晒时间为2个月至10个月，清水冲刷可辅助刷子等清洁工具。

步骤2)中，所述的超声处理的时间为20min～120min，自然风干的时间为2～10天，进一步优选，3-4天。

步骤3)中，所述的敲击可通过表面清洁的锤子等工具，经敲击破碎的牡蛎壳可通过过筛进行处理，最后获得的牡蛎壳尺寸最好在1-2cm之间，即所述的牡蛎壳滤料的尺寸为1-2cm。

第三方面，本发明提供了一种生物硝化滤池快速启动、自行调控酸碱度的方法，即将第一方面和第二方面进行有机结合至同一硝化滤池中，使其各自充分发挥其作为滤料的特有优势，提高微生物多样性，最终实现高效率的硝化作用，达到更佳的废水处理效果。

所述的生物滤池其特征在于牡蛎壳滤料更靠近进水端，可将其稳定系统酸碱度的作用充分发挥至整个硝化滤池范围。

所述的改性聚苯乙烯和牡蛎壳碎片若不相对分离填充，也可按照一定比例进行完全掺混作为复合生物硝化滤料。

一种生物硝化处理水中氨氮的方法，采用本发明复合滤料生物硝化滤池。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明技术方案中将两种各具优势的生物硝化滤池滤料进行了改性和整合，由于改进后复合滤料使生物膜更好的附着、生长和维系，因此，产生了生物硝化滤池快速启动和酸碱度长期相对稳定的运行效果。

附图说明

图1为本发明复合滤料生物硝化滤池结构示意图；

图2为本发明中滤料挡板的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

首先，制备表面改性聚苯乙烯滤料和牡蛎壳滤料。

表面改性的聚苯乙烯滤料按以下步骤进行制备。

1)：将高锰酸钾溶解于质量百分数10％硫酸中，制得质量百分数5％高锰酸钾酸溶液。

2)：在氧气充足的条件下将聚苯乙烯滤料(EPS，上海顶央耐火材料有限公司)浸泡在步骤1)中5％高锰酸钾酸溶液中，以水浴锅使温度保持在50℃，浸泡5h后取出。

3)：以6mol/L浓盐酸洗涤至滤料表面褐色层剥离，反复冲洗至滤料表面呈中性，晾干待用。

4)：在35℃下，将滤料在含质量百分数5％戊二醛的PBS溶液缓冲溶液中浸泡24h取出。

5)：在35℃下浸泡于含lg/L明胶蛋白的PBS缓冲溶液中保持24h，取出后用清水多次充分洗涤，晾干待用，为表面改性的聚苯乙烯滤料。

然后，制备牡蛎壳滤料。

牡蛎壳滤料制备方法如下。

1)：将废弃牡蛎壳在烈日下暴晒3个月后，用刷子反复冲刷至表面清洁。

2)：超声处理20min后，室温下自然风干3天。

3)：以锤子对牡蛎壳表面进行敲击后，分别过2cm和1cm筛子，最终获得直径在1-2cm之间的牡蛎壳碎片，为牡蛎壳滤料。

如图1所示，为复合滤料生物硝化滤池，包括滤池外壳，滤池外壳内置有滤料，滤料采用表面改性的聚苯乙烯滤料3和牡蛎壳滤料4。

滤池外壳上设有进水管1和出水管5，以及反冲洗进水管4和反冲洗出水管7。

沿滤池外壳的高度方向，表面改性的聚苯乙烯滤料3在滤池外壳内的上部，牡蛎壳滤料2在滤池外壳内的下部。

表面改性的聚苯乙烯滤料和牡蛎壳滤料的之间以及滤料的两端均设置有滤料挡板6。如图2所示，滤料挡板6上设有蜂窝状的通孔。一

牡蛎壳滤料2，平均粒径为2-3cm，孔隙率为80％。表面改性的聚苯乙烯滤料3，牡蛎壳滤料2和表面改性的聚苯乙烯滤料3间通过滤料挡板6进行分离开来，同时牡蛎壳滤料2上部和表面改性的聚苯乙烯滤料3下部均设置了滤料挡板6，可分别起到防止滤料外流和承重固型的作用。

运行过程中，废水通过进水管1进水首先经过牡蛎壳滤料2，在与牡蛎壳表面生物膜接触的过程中，进水中的铵态氮被转化为硝态氮，同时由于牡蛎壳的缓冲作用，pH值保持相对稳定；进水管1自下而上进入表面改性的聚苯乙烯滤料3，得到进一步的净化，最后出水管5被排出。

当硝化生物滤池运行一段时间后，滤料层将会逐渐堆积微生物和其他杂质，当过滤水压过高时，需对滤池进行反冲洗。反冲洗过程中，关闭进水管1和出水管5，打开反冲洗进水管4和反冲洗出水管7。

实施例2

采用实施例1中的复合滤料生物硝化滤池，滤池外壳由有机玻璃制备而成，直径300mm，高度500mm；表面改性的聚苯乙烯滤料3，粒径为12-15mm，该滤层高度为100mm；牡蛎壳滤料2粒径为2-3cm，该滤层厚度为100mm；底部缓冲配水区高度为50mm，底部配水区通过气泵鼓入空气，使溶解氧保持在4mg/L以上；滤料挡板6直径为300mm，挡板栅条间隔为3mm*3mm。

本实施例的复合滤料生物硝化滤池通过接种硝化滤池污泥进行启动，启动周期为15天，进水氨氮浓度为80-100mg/L，pH为7.0-8.0，水力停留时间为24h，启动后氨氮平均去除率可保持在90％以上，出水pH为6.0-7.5；反冲洗周期为5天，反冲洗时间在10-20min，耗水量约占处理水量的0.5％。

Claims

1.一种复合滤料生物硝化滤池，包括滤池外壳，所述的滤池外壳内置有滤料，其特征在于，所述的滤料采用表面改性的聚苯乙烯滤料和牡蛎壳滤料。

2.根据权利要求1所述的复合滤料生物硝化滤池，其特征在于，所述的滤池外壳上设有进水管和出水管，以及反冲洗进水管和反冲洗出水管。

3.根据权利要求1所述的复合滤料生物硝化滤池，其特征在于，沿所述滤池外壳的高度方向，所述的表面改性的聚苯乙烯滤料在所述滤池外壳内的上部，所述的牡蛎壳滤料在所述滤池外壳内的下部。

4.根据权利要求3所述的复合滤料生物硝化滤池，其特征在于，所述的表面改性的聚苯乙烯滤料和牡蛎壳滤料的之间以及滤料的两端均设置有滤料挡板，所述的滤料挡板上设有蜂窝状的通孔。

5.根据权利要求1所述的复合滤料生物硝化滤池，其特征在于，所述的表面改性的聚苯乙烯滤料的制备方法，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的复合滤料生物硝化滤池，其特征在于，

步骤1)中，所述的强酸为质量百分数8％～15％的硫酸；

步骤2)中，所述的浸泡的温度为45-55℃，所述的浸泡的时长为4-5h；

步骤3)中，所述的浓盐酸的浓度为5mol/L～7mol/L。

7.根据权利要求5所述的复合滤料生物硝化滤池，其特征在于，步骤4)中，所述的交联剂为戊二醛，所述的含交联剂的缓冲溶液中交联剂的质量百分数为3％～8％；

所述的浸泡的温度为35-40℃，所述的浸泡时间为22h～26h；

步骤5)中，所述的浸泡的温度为35-40℃，所述的浸泡时间为22h～26h；

所述的含明胶蛋白的缓冲溶液中明胶蛋白的浓度为0.5g/L～2g/L。

8.根据权利要求1所述的复合滤料生物硝化滤池，其特征在于，所述的牡蛎壳滤料的制备方法，包括以下步骤：

1)将废弃牡蛎壳在烈日下暴晒直至表面所有的有机物彻底分解后，用清水冲刷干净，得到干净的牡蛎壳；

2)超声处理经步骤1)所得的干净的牡蛎壳，自然风干；

3)对经步骤2)所得的牡蛎壳进行敲击、过筛处理，得到牡蛎壳滤料。

9.根据权利要求8所述的复合滤料生物硝化滤池，其特征在于，步骤1)中，所述的暴晒时间为2个月至10个月；

步骤2)中，所述的超声处理的时间为20min～120min。

步骤3)中，所述的牡蛎壳滤料的尺寸为1-2cm。

10.一种生物硝化处理水中氨氮的方法，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述的复合滤料生物硝化滤池。