CN108217921A - 一种增加活性炭生物转盘性能的新方法 - Google Patents

一种增加活性炭生物转盘性能的新方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增加活性炭生物转盘性能的新方法，属于水体生态修复技术领域。经过处理改性之后的活性炭生物转盘，增加了其亲水性以及一定的比表面积，并提高了盘片的吸附性能，能对脱氮微生物进行更好的富集且吸附水中一定量的磷，从而增加了活性炭生物转盘去除污染物的性能。并且本发明的活性炭生物转盘盘片填料为网状结构，转动过程中可以对污水产生一定的紊流进行充氧，此外还可以切割老化的生物膜。

Description

一种增加活性炭生物转盘性能的新方法
技术领域
本发明涉及一种增加活性炭生物转盘性能的新方法，属于水体生态修复技术领域。
背景技术
微生物膜法是近年来发展很快的技术，该法利用对微生物进行培养富集，通过微生物的生命活动对污染物进行吸附降解代谢，不会产生二次污染且处理效率高。生物转盘作为一种微生物膜法具有不需增设曝气装备、安装便捷、操作简单、系统可靠、操作和运行费用低等优点。但是生物转盘因其挂膜性能差、启动慢等缺点，大多用于处理生活污水、工业废水这类污染物浓度较高的污水，因其污水中含有较多的有机物以及微生物所需的营养物质挂膜较容易，而对于处理河湖水这种浓度较低处于地表水劣Ⅴ类标准的水，用生物转盘的方法进行处理存在挂膜困难，挂膜时间长等缺陷。
发明内容
为解决普通生物转盘盘片还存在材料比表面积小、挂膜性能差、挂膜生物量低导致污水处理效率不高等缺陷，本发明提供了增加活性炭生物转盘性能的新方法。
本发明的第一个目的是提供一种增加活性炭生物转盘性能的新方法，所述方法为将网状活性炭载体以铝蜂窝为基底，表面附着活性炭填料。
在本发明的一种实施方式中，所述活性炭生物转盘上的网状活性炭载体通过强氧化剂洗涤来改变活性，从而提高活性炭生物转盘的污染物去除性能。
在本发明的一种实施方式中，所述网状活性炭载体改变活性的方法为：用强氧化物细洗涤载体20-28h后，用蒸馏水洗涤载体数次，除去残留溶液，在50-70℃烘箱中干燥20-28h。
在本发明的一种实施方式中，所述强氧化剂为KMnO4溶液、H2SO4溶液。
在本发明的一种实施方式中，所述KMnO4的浓度为0.02-0.04mol/L。
在本发明的一种实施方式中，所述KMnO4的浓度为0.03mol/L
在本发明的一种实施方式中，所述H2SO4的体积百分数为40-60％。
在本发明的一种实施方式中，所述H2SO4的体积百分数为50％.
在本发明的一种实施方式中，本发明所述网状活性炭载体中含有50％～60％的活性炭，厚度为3-6mm，比表面积为1000-1400m2/m3。
在本发明的一种实施方式中，所述网状活性炭填料厚度为5mm。
在本发明的一种实施方式中，所述网状活性炭填料通过螺丝固定在盘片上。
本发明的第二个目的是提供一种基于生物转盘河湖水原位处理的装置，包括水箱、入口泵、塑料圆盘、具有可变功率输入的电动机、不锈钢轴、网状活性炭载体；塑料盘片设置于转轴上；所述驱动装置入口泵与转轴连接并驱动转轴转动，从而从水箱中抽入进水并且带动盘片沿轴转动；盘片表面设置不同的网状活性炭载体；贮泥槽底部设置排泥阀；贮泥槽和不锈钢轴通过承托柱固定，并使装置整体成为一体结构。
在本发明的一种实施方式中，所述网状活性炭载体为经KMnO4溶液改活后的网状活性炭载体，或者为经1：1的H2SO4溶液改活后的网状活性炭载体。
在本发明的一种实施方式中，所述承托柱至少设置6根，材质为不锈钢，固定装置为螺栓或螺丝，驱动装置为入口泵和具有可变功率输入的电动机，其转轴与电机连接，电机与调速机连接。
在本发明的一种实施方式中，所述三个处理装置中只存在网状活性炭载体种类不同的差别，分别为原始网状活性炭载体和经0.3mol/L KMnO4溶液和经1：1的H2SO4溶液改活后的网状活性炭载体。三个盘片表面设置不同网状活性炭填料，所述网状活性炭填料原始网状活性炭载体为商业化填料，为孔径为3-4mm的铝蜂窝载体，载体含有50％～60％的活性炭，其厚度和比表面积分别为5mm和1200m2/m3。所有网状活性炭载体通过在盘片的两端对称设置螺丝固定于盘片上。
发明的有益效果在于：
1.经过处理改性之后的活性炭生物转盘，增加了其亲水性以及一定的比表面积，并提高了盘片的吸附性能，能对脱氮微生物进行更好的富集且吸附水中一定量的磷，从而增加了活性炭生物转盘去除污染物的性能。
2.本发明的活性炭生物转盘盘片填料为网状结构，转动过程中可以对污水产生一定的紊流进行充氧，此外还可以切割老化的生物膜。
3.本发明的活性炭生物转盘盘片填料为网状结构，转动过程中可以对污水产生一定的紊流进行充氧，此外还可以切割老化的生物膜。
4.本发明的活性炭生物转盘能实现受污染河湖水体的原位处理，减少人力物力的损耗。
附图说明
图1：实验系统装置图，(1)水箱；(2)进水泵；(3)有机玻璃转盘；(4)具有可变输入功率的电动机；(5)不锈钢轴；(6)网状活性炭载体；(7)KMnO4改性；(8)H2SO4；
图2：不同KMnO4浓度改性各污染物去除率；
图3：不同H2SO4浓度改性各污染物去除率；
图4：改性前后活性炭红外图；
图5：不同强氧化物最佳浓度下改性NH4 +-N去除率；
图6：不同强氧化物最佳浓度下改性TN去除率；
图7：不同强氧化物最佳浓度下改性CODMn去除率。
具体实施方式
污染物的检测方法，具体步骤如下：
(1)将原始网状活性载体、经过不同浓度KMnO4溶液改性后的网状活性载体和经过不同体积比H2SO4改性后的网状活性载体分别固定于生物转盘上，并取用同一水泵引入同源平行输入河水，进行生物挂膜；
(2)约经12天挂膜基本成功；
(3)挂膜成功后，每日分别在同一时间取等量水样进行NH4 +-N、TN、CODMn的测量，其中NH4 +-N采用氨氮纳氏试剂分光光度法进行测量；TN采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法进行测量；CODMn采用硫酸亚铁胺快速滴定法进行测量；
下述实施例中所用的材料和试剂等，如无特殊说明。均可从商业途径中获得。
实施例1：KMnO4溶液浓度对去除率的影响
(1)载体准备工作：将网状活性炭载体用蒸馏水反复洗涤以除去可溶性杂质，并在50-70℃的烘箱中干燥过夜20-28小时。
(2)制备化学试剂：
制备四种不同浓度的KMnO4溶液：
具体操作：分别准确称取15.8034g、31.6068g、47.4102g、63.2136gKMnO4各自溶于1000ml 去离子水中，煮沸30min，冷却后转入干燥的棕色试剂瓶中，放置一周后，过滤后备用，制得四种体积均为1000ml，分别对应0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、0.4mol/L的KMnO4溶液。
(3)改变载体活性：
将步骤(1)中的预先处理过的载体分别用不同浓度的两种强氧化剂，即上述(2)中的 0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、0.4mol/L的KMnO4溶液充分洗涤浸泡载体20-28h；
得到变活性之后的载体：将步骤(3)中用不同浓度的KMnO4溶液浸泡过的载体取出，用蒸馏水洗涤载体数次，除去残留溶液，在50-70℃烘箱中干燥20-28小时h；
(4)将经过不同浓度即0.1mol/L-0.4mol/LKMnO4溶液改性后的网状活性载体分别固定于生物转盘上，并取用同一水泵引入同源平行输入河水，保持其他相关因素均相同，进行生物挂膜；
(5)约经12天挂膜基本成功，挂膜成功后，每日分别在同一时间取等量水样进行NH4 +-N、 TN、CODMn的测量，其中NH4 +-N采用氨氮纳氏试剂分光光度法进行测量；TN采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法进行测量；CODMn采用硫酸亚铁胺快速滴定法进行测量；
对比不同浓度即0.1mol/L-0.4mol/LKMnO4溶液浸泡所对应载体NH4 +-N、TN、CODMn的去除效果并进行分析；
结果分析：图2为不同KMnO4浓度改性活性炭后，各污染物去除率达到稳定后的平均去除率，由图可知，随着KMnO4溶液浓度的增大，各指标的去除率均在上升，当浓度增大到0.3mol/L时，去除率达到最大(NH4 +-N去除率约为88％，TN去除率约为63.25％，CODMn去除率约为83.7％)，浓度继续增大对去除率基本无影响，可得出当KMnO4溶液浓度为0.3mol /L时改性效果最好且成本最低。
实施例2：H2SO4溶液浓度对去除率的影响
(1)载体准备工作：将网状活性炭载体用蒸馏水反复洗涤以除去可溶性杂质，并在50-70℃的烘箱中干燥过夜20-28小时。
(2)制备化学试剂：
制备四种不同体积比的H2SO4溶液：
具体操作：在标记好的四个1000ml的大烧杯中分别加入加入666.7ml、600ml、500ml、 333.3ml蒸馏水，将通过大量筒分别准确量取333.3ml、400ml、500ml、666.7ml浓硫酸缓慢沿器壁并不断用玻璃棒搅拌倒入大烧杯中，待溶液冷却并搅拌均匀后缓慢转移至干燥的 1000ml大试剂瓶中备用，分别制得V蒸馏水：V硫酸＝2:1、V蒸馏水：V硫酸＝1.5:1、V蒸馏水：V硫酸＝1:1、V蒸馏水：V硫酸＝0.5:1的H2SO4溶液；
(3)改变载体活性：
将步骤(1)中的预先处理过的载体分别用不同体积比的H2SO4溶液，即V蒸馏水：V硫酸＝2:1、V蒸馏水：V硫酸＝1.5:1、V蒸馏水：V硫酸＝1:1、V蒸馏水：V硫酸＝0.5:1的H2SO4溶液充分洗涤浸泡载体20-28h；
得到变活性之后的载体：将步骤(3)中不同体积比的H2SO4溶液浸泡过的载体取出，用蒸馏水洗涤载体数次，除去残留溶液，在50-70℃烘箱中干燥20-28小时；
将经过不同体积比V蒸馏水：V硫酸＝2:1、V蒸馏水：V硫酸＝1.5:1、V蒸馏水：V硫酸＝1:1、V蒸馏水：V硫酸＝0.5:1的H2SO4溶液改性后的网状活性载体分别固定于生物转盘上，并取用同一水泵引入同源平行输入河水，保持其他相关因素均相同，进行生物挂膜；
(4)约经12天挂膜基本成功，挂膜成功后，每日分别在同一时间取等量水样进行NH4 +-N、 TN、CODMn的测量，其中NH4 +-N采用氨氮纳氏试剂分光光度法进行测量；TN采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法进行测量；CODMn采用硫酸亚铁胺快速滴定法进行测量；
(5)对比不同不同体积比V蒸馏水：V硫酸＝2:1、V蒸馏水：V硫酸＝1.5:1、V蒸馏水：V硫酸＝1:1、V蒸馏水：V硫酸＝0.5:1的H2SO4溶液溶液浸泡所对应载体NH4 +-N、TN、CODMn的去除效果并进行分析；
结果分析：图3为不同H2SO4浓度改性活性炭后，各污染物去除率达到稳定后的平均去除率，由图可知，该载体分别以体积比为:V蒸馏水：V硫酸＝2:1、V蒸馏水：V硫酸＝1.5:1、V蒸馏水：V硫酸＝1:1、V蒸馏水：V硫酸＝0.5:1的H2SO4溶液充分洗涤浸泡载体24h，实验运行表明，随着H2SO4溶液体积比的降低，即H2SO4溶液浓度的升高，各指标的去除率均在上升，当体积比降低到1：1时，去除率达到最大(NH4 +-N去除率约为91.9％，TN去除率约为70.4％，CODMn去除率约为85.5％)，体积比继续降低对去除率基本无影响，可得出当H2SO4溶液体积比为1:1时改性效果最好且成本最低。
实施例3：
(1)选用上述中去除率最高、去除效果最好时对应浓度的KMnO4溶液和对应体积比的 H2SO4溶液即0.3mol/LKMnO4溶液和1：1的H2SO4溶液进行载体准备工作：将三块网状活性炭载体(包括要用氧化剂改性的两块载体和一块原始的载体)用蒸馏水反复洗涤以除去可溶性杂质，并在50-70℃的烘箱中干燥过夜20-28h；
(2)制备对应0.3mol/L的KMnO4溶液和对应1：1的H2SO4溶液具体操作：
KMnO4溶液：准确称取47.4102gKMnO4各自溶于1000ml去离子水中，煮沸30min，冷却后转入干燥的棕色试剂瓶中，放置一周后，过滤后备用，制得四种体积均为1000ml，对应得到0.3mol/L的KMnO4溶液。
具体操作：在1000ml的大烧杯中分别加入加入500ml蒸馏水，将通过大量筒分别准确量取500ml浓硫酸缓慢沿器壁并不断用玻璃棒搅拌倒入大烧杯中，待溶液冷却并搅拌均匀后缓慢转移至干燥的1000ml大试剂瓶中备用，制得V蒸馏水：V硫酸＝1:1的H2SO4溶液；
(3)改变载体活性：
将步骤(1)中的预先处理过的载体分别用对应条件的两种强氧化剂，即上述(2)中的 0.3mol/L的KMnO4溶液和1:1的H2SO4溶液充分洗涤浸泡载体20-28h；
(4)得到变活性之后的载体：
将步骤(3)中用0.3mol/L的KMnO4溶液和1:1的H2SO4溶液浸泡过的载体取出，用蒸馏水洗涤载体数次，除去残留溶液，在50-70℃烘箱中干燥20-28h；
(5)将原始网状活性载体、经过0.3mol/L的KMnO4溶液改性后的网状活性载体和经过1:1的H2SO4溶液改性后的网状活性载体分别固定于生物转盘上，并取用同一水泵引入同源平行输入河水，进行生物挂膜；
(6)约经12天挂膜基本成功，挂膜成功后，每日分别在同一时间取等量水样进行NH4 +-N、 TN、CODMn的测量，其中NH4 +-N采用氨氮纳氏试剂分光光度法进行测量；TN采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法进行测量；CODMn采用硫酸亚铁胺快速滴定法进行测量，记录相关数据并定时进行分析；
结果分析：本发明提高了活性炭生物转盘的亲水性，图4为初始活性炭生物转盘、0.3mol /LKMnO4溶液和1：1的H2SO4溶液改性后的FTIR图，由图可知，原始网状活性炭载体中2955cm-1处有一个突出的峰(在3000cm-1和2700cm-1之间)，这可归因于对称和不对称的CH2伸缩振动。改性后，经0.3mol/LKMnO4溶液改活后的网状活性炭载体和经1：1的H2SO4溶液改活后的网状活性炭载体上附着的2955cm-1区域的谱带都稍微向高频移。此外，与阳离子表面活性剂相关的谱带强度也增加。与未修饰的原始网状活性炭载体相比，在 1727,1452,1157和699cm-1处经0.3mol/LKMnO4溶液改活后的网状活性炭载体具有较高的强度，表明羧基(C＝O)，醇(C-OH)，羟基(-OH)和羰基(C-O)组。此外，经1：1的H2SO4溶液改活后的网状活性炭载体上附着的条带比经0.3mol/LKMnO4溶液改活后的网状活性炭载体具有更高的强度。改性过程导致表面亲水性的增加，通过插入炭氧极性基团占据表面的大部分。在这种情况下，水中的微生物可以更充分地与活性炭旋转生物接触器接触。
本发明提高了活性炭生物转盘的污染物去除性能，图5、6、7为整个生物转盘运行期间，各污染物的指标数据。由图可知NH4 +-N和TN在第15天左右开始趋向稳定，CODMn在第10天左右开始趋向稳定，且改性过后的活性炭生物转盘具有更高的污染物去除性能。如图5所示，经0.3mol/LKMnO4溶液改活后的网状活性炭载体较原始网状活性炭载体的NH4+-N去除率提高了约3％，经1：1的H2SO4溶液改活后的网状活性炭载体较原始网状活性炭载体的 NH4 +-N去除率提高了约9.5％，如附图6所示，经0.3mol/LKMnO4溶液改活后的网状活性炭载体较原始网状活性炭载体的TN去除率提高了约2％，经1：1的H2SO4溶液改活后的网状活性炭载体较原始网状活性炭载体的TN去除率去除率提高了约9％；如附图7所示，经0.3mol/LKMnO4溶液改活后的网状活性炭载体较原始网状活性炭载体的CODMn去除率提高了约7％，经1：1的H2SO4溶液改活后的网状活性炭载体较原始网状活性炭载体的CODMn去除率提高了约11％；由数据可见在此过程中可实现对河湖水进行净化，最终将劣V类的水体净化为I、II类水体。
本发明通过改变活性炭载体活性的方法，增加了活性炭生物转盘性能，并提高了盘片的吸附性能，且该盘片在转动过程中可以对污水产生一定的紊流从而进行充氧，并能够切割老化的生物膜。本发明的生物转盘可以利用河流底泥进行接种，底泥中所含的微生物适宜水中的环境且较之河水丰富，从而能使盘片上富集的微生物更具有特异性，实现其他生物转盘无法实现的河湖水原位处理。此外，接种完毕可将河流底泥可重新排入河湖中，且对河湖不产生污染。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种增加活性炭生物转盘性能的方法，其特征在于，所述方法为将生物转盘中的网状活性炭载体改变活性，将网状活性炭载体经过强氧化剂洗涤。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述网状活性炭载体通过螺丝固定在生物转盘中，所述网状活性炭载体以铝蜂窝为基底，表面附着活性炭填料。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述网状活性炭载体改变活性的方法为：用强氧化物细洗涤载体20-28h后，用蒸馏水洗涤载体数次，除去残留溶液，在50-70℃烘箱中干燥20-28h。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述网状活性炭载体改变活性的方法为：先将网状活性炭载体在50-70℃的烘箱中干燥过夜20-28小时，再用强氧化物细洗涤载体20-28h后，用蒸馏水洗涤载体数次，除去残留溶液，在50-70℃烘箱中干燥20-28h。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述强氧化剂为KMnO4溶液或H2SO4溶液。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述KMnO4的浓度为0.02-0.04mol/L。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述H2SO4的体积百分数为40-60％。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述网状活性炭载体中含有的活性炭，厚度为3-6mm，比表面积为1000-1400m2/m3，所述网状活性炭填料厚度为5mm。
9.一种基于生物转盘河湖水原位处理的装置，其特征在于，所述装置包括水箱、入口泵、塑料圆盘、具有可变功率输入的电动机、不锈钢轴、改性后的网状活性炭载体；塑料盘片设置于转轴上；所述驱动装置入口泵与转轴连接并驱动转轴转动，从而从水箱中抽入进水并且带动盘片沿轴转动；盘片表面设置不同的网状活性炭载体；贮泥槽底部设置排泥阀；贮泥槽和不锈钢轴通过承托柱固定，并使装置整体成为一体结构。
10.权利要求1-8任一方法在污水处理上的应用。
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