CN109678472B

CN109678472B - 一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法及设备

Info

Publication number: CN109678472B
Application number: CN201910161361.7A
Authority: CN
Inventors: 许柯; 朱远墨; 任洪强; 耿金菊
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: CN109678472A; JP2020142227A; JP6555770B1

Abstract

本发明公开了一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法及设备，将磁粉活化后与陶粒、硼砂、二氧化钛按一定比例混合，再通过磁力微泡搅拌混料装置与水进行混合然后造粒、烘干、煅烧、水洗、再次烘干、充磁，得到磁性陶粒填料基体，再在旋转喷洒负载装置中将磁性陶粒填料基体表面上负载由木炭、粘土、钕铁硼与水组成的面层材料，进行二次烘干、煅烧，冷却后即得到生物磁性陶粒填料。本发明制备的生物磁性陶粒填料更易挂膜，对于生物膜微生物团聚有着促进效果，使得生物膜表面的比表面积增大，提高了生物膜对污染物的去除效果，可大幅提高氨氮的去除效率，利于在实际污（废）水生物处理中的推广和应用。

Description

一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法及设备

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体是涉及一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法及设备。

背景技术

高氨氮废水的强化生物处理一直是环境保护领域中的热点和难点，常规的生物法处理高氨氮废水无法满足现有污水排放标准的要求。磁-生物复合污水处理技术是一种新兴的生物强化技术，有研究表明磁场的存在会对微生物的新陈代谢及微生物活性产生多方面的影响，这是将磁场运用于污水生物处理的理论基础。同时由于磁-生物复合污水处理技术具有操作简单，应用范围广，无二次污染等优势，因此有关其的应用研究非常活跃，已有大量的研究报导，在污水生物处理反应器外加一磁场，可大大提高废水的生物处理效率。但目前有关磁场强化生物降解的报导均局限于实验室研究，其主要是由于目前研究大多采用外加静态磁场的作用方式，而在实际应用中，污水处理设施体积均较大，难以形成长期稳定的恒强磁场，因此，亟需探究出更加符合实际应用的磁场应用方式。

本发明中将磁粉结合到曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，BAF）中常用的陶粒填料中，充磁后形成具有弱磁性的水处理用生物磁性陶粒填料，因此当将该填料放置于BAF内时，每个填料就等同于一个微型的附加磁场的生物处理反应器，从而可较容易地实现磁致物理化学生物效率在实际污（废）水生物处理中的推广和应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的生物法处理高氨氮废水无法满足现有污水排放标准的要求，进而提供一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法及其设备，制备的磁性陶粒填料能够有效提升氨氮去除效率，提高填料表面生物膜微生物活性、脱氮功能酶活及功能基因丰度。

本发明的技术方案是：

一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法，包括以下步骤：

S1：磁粉活化：将磁粉在戊二醛中浸泡活化，得到活化磁粉；

S2：配料：将陶粒、活化磁粉、硼砂、二氧化钛按以下配比混合：陶粒35-45份、磁粉20-40份、硼砂1-5份、二氧化钛1-3份，搅拌均匀，得到混合物料A；

S3：造粒和烘干：将S2中的混合物料A送入磁力微泡搅拌混料装置中，与水进行混合，得到混合物料B，再将所述混合物料B装到造粒机内，制得直径为6-8 mm的球状混合物料，然后将所述的球状混合物料放入干燥箱内，在 105℃下烘干 1-2 h，制得陶粒基体胚料；

S4：煅烧：将S3制得的陶粒基体胚料在保护气体氛围下的高温煅烧炉中以 200℃/h的升温速度加热至600℃，并在600℃下煅烧8 h，得到具有一定机械强度的陶粒填料基体；氮气氛围主要用于防止四氧化三铁在高温下氧化变性，降低填料最终的充磁后的磁场强度，采取600℃的温度，过高的煅烧温度会降低四氧化三铁粉末的磁化率。

S5：水洗与烘干：用水冲洗S4煅烧所得的陶粒填料基体，直至水洗溶液清澈，无浑浊变色，随后将水洗后的陶粒置于105 ℃烘箱中，烘干12 h，去除水洗残留在陶粒中的分子水；

S6：充磁：将S5处理后所得的陶粒填料基体在充磁机上进行充磁，最终得到磁性陶粒填料基体；

S7：负载面层：将S6所制得的磁性陶粒填料基体送入旋转喷洒负载装置内，通过所述旋转喷洒负载装置在磁性陶粒填料基体表面均匀负载上面层材料，得到磁性混合陶粒填料；其中，所述面层材料是由木炭、粘土、钕铁硼与水组成的混合物，木炭、粘土、钕铁硼与水的重量比为1:1:1:3，面层材料的制备方法为：将木炭、粘土、钕铁硼分别粉碎至1-500μm，与水混合形成浆液；

S8：二次烘干煅烧：将S7所制得的磁性混合陶粒填料放入干燥箱内，在 95℃下烘干 0.5-1 h，在保护气体氛围下的高温煅烧炉中以 150 ℃/h的升温速度加热至400 ℃，并在400 ℃下煅烧0.5 h，冷却后即得到生物磁性陶粒填料。面层材料中的木炭经煅烧后变成生物质活性碳，面层材料整体也会出现疏松的孔隙结构，不会堵塞磁性陶粒填料基体内的微孔。

根据本发明的一个方面，所述陶粒是由铝矾土、黏土、亚黏土、页岩、板岩、海泥粘土、泥岩、粉煤灰、煤矸石其中一种或一种以上混合物制作而成。

根据本发明的一个方面，所述磁粉是四氧化三铁、三氧化二铁、一氧化铁、钡铁氧体其中一种或一种以上混合物。

根据本发明的一个方面，S4与S8中所使用的保护气体是氮气或惰性气体；如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气等用于防止磁粉如四氧化三铁在高温下氧化变性。

根据本发明的一个方面，所述磁力微泡搅拌混料装置包括：

变截面水分子破坏室，其内部设有可以使水通过的通道及设在通道外侧的磁铁，所述通道截面为变截面，所述磁铁能够使水磁化，所述变截面水分子破坏室一端设有进水管，一端设有出水管，所述进水管连接至水泵，

变截面气液混合腔，其内部设有用于气液混合的腔室，所述腔室为变截面，其顶部与出水管及第一进气管连接，其底部设有能够对腔室内的气体和液体进行搅拌的磁力搅拌器，

料液混合腔，其一端与所述变截面气液混合腔通过气液管道相连，另一端设有排料管，其顶部通过第二进气管与气泵相连，还通过进料管与料泵相连，料液混合腔内部设有涡轮混合器，

分流器，所述分流器为内部开有密集细孔的管状结构，分流器共有两个，分别设在第一气管与变截面气液混合腔的接口处及第二进气管与料液混合腔的接口处，

第一进气管与第二进气管均通过主进气管连接至气泵，且主进气管上设有空压机，

流量控制阀，共有两个，分别设在进水管上及进料管上。可通过流量控制阀来控制水流量与进料量，使水与物料之间的达到合适的比例。

本发明的磁力微泡搅拌混料装置能够将水进行水分子破坏并磁化后与气体进行混合，得到含有微泡的气水混合物，再将由陶粒、活化磁粉、硼砂、二氧化钛组成的混合物料A经进料管泵送至料液混合腔，与气水混合物再次混合，使得陶粒、活化磁粉、硼砂、二氧化钛与水混合的特别均匀，形成形态均一的物料，进一步保证后期制备得到的生物磁性陶粒填料理化性质良好，具有堆积密度和体积密度较大、抗压强度高、破损率低的优点。

与现有的普通多孔陶粒填料对比结果如表1所示：

表1：本发明生物磁性陶粒填料与普通多孔陶粒填料的理化性质对比

陶粒填料类型	普通多孔陶粒填料	生物磁性陶粒填料
			堆积密度/（g.cm<sup>-3</sup>）	0.8-1.2	1.3-1.4
体积密度/（g.cm<sup>-3</sup>）	1.03-1.05	1.20-1.24
			孔隙率/%	55-62	45-50
抗压强度/MPa	6-6.58	7-7.5
			破损率/%	1.2	0.6
磁场强度/(A/mT)	0	6.4-8

根据本发明的一个方面，所述旋转喷洒负载装置包括：

主腔体，其上部呈拱形，在所述主腔体一端设有第一入料口，另一端设有出料口，

位于主腔体内部的螺旋送料搅拌机构，所述螺旋送料搅拌机构沿所述主腔体的长度方向水平设置在主腔体的底部，用于将入料口送入的物料向出料口运送，

位于主腔体上方的多个弧形轨道，及设在在每个所述弧形轨道上的微型电机，且在所述微型电机下方设有旋转喷洒头，每个旋转喷洒头均由微型电机带动并能够在各自对应的弧形轨道上来回往复运动，且所述旋转喷洒头均通过管道连接至第二入料口。

本发明旋转喷洒负载装置中用到的各个微型电机及螺旋送料搅拌机构均由外部电源供电，图中未具体示出。

本发明的旋转喷洒负载装置能够将面层材料均匀地喷洒到磁性陶粒填料基体表面，使面层材料的负载效果好，并且制备得到的生物磁性陶粒填料形态均一，节能高效。

本发明还提供了一种用于制备水处理用生物磁性陶粒填料的设备，包括：

活化池，用于将磁粉进行活化，

磁力微泡搅拌混料装置，用于将陶粒、活化磁粉、硼砂、二氧化钛与水及气体进行混合，得到混合物料B，

造粒机，用于将混合物料B进行造粒，制得球状混合物料，

第一干燥室，用于将球状混合物料进行烘干，得到陶粒基体胚料，

第一高温煅烧炉，用于陶粒基体胚料进行煅烧，得到陶粒填料基体，

第一冷却室，用于将陶粒填料基体进行冷却，

水洗池，用于将冷却后的陶粒填料基体进行水洗，

第二干燥室，用于将水洗后的陶粒填料基体进行二次烘干，

充磁机，用于对二次烘干后的陶粒填料基体进行充磁，

旋转喷洒负载装置，用于将充磁后的磁性陶粒填料基体进行负载面层材料，制得磁性混合陶粒填料，

第三干燥室，用于将磁性混合陶粒填料进行干燥，

第二高温煅烧炉，用于将干燥后的磁性混合陶粒填料进行二次煅烧，

第二冷却室，用于将二次煅烧后的磁性混合陶粒填料进行二次冷却。

本发明还提供了一种水处理用生物磁性陶粒填料的应用，具体为：将其应用于处理高氨氮废水。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一、本发明制备的生物磁性陶粒填料更易挂膜。

第二、相比较普通陶粒填料，本发明制备的生物磁性陶粒填料对于生物膜微生物团聚有着促进效果，使得生物膜表面的比表面积增大，提高了生物膜对污染物的去除效果。

第三、采用本发明所制的生物磁性陶粒填料，与相同形状规格的普通陶粒填料相比可大幅提高氨氮的去除效率，尤其是用于处理高氨氮废水时效果显著。

第四、本发明所制的生物磁性陶粒填料，每个填料就等同于一个微型的附加磁场的生物处理反应器，从而可较容易地实现磁致物理化学生物效率在实际污（废）水生物处理中的推广和应用。

附图说明

图1是本发明的磁力微泡搅拌混料装置示意图；

图2是本发明的旋转喷洒负载装置示意图；

图3是本发明的设备整体示意图；

图4是氨氮的去除效果对比图；

图5是反应器运行53天时陶粒填料表面生物膜电镜图，(a)、普通陶粒；(b)、实施例1制备的生物磁性陶粒填料；(c)、实施例3制备的生物磁性陶粒填料；

图6是反应器运行53天填料表面生物膜氨氧化速率；

图7是反应器运行53天填料表面生物膜比耗氧速率；

图8是反应器运行53天填料表面生物膜脱氮功能酶活；

图9是反应器运行53天填料表面生物膜脱氮功能基因丰度。

其中，1-活化池、2-磁力微泡搅拌混料装置、3-造粒机、4-第一干燥室、5-第一高温煅烧炉、6-第一冷却室、7-水洗池、8-第二干燥室、9-充磁机、10-旋转喷洒负载装置、11-第三干燥室、12-第二高温煅烧炉、13-第二冷却室、2-1-变截面水分子破坏室、2-2-进水管、2-3-出水管、2-4-水泵、2-5-变截面气液混合腔、2-6-第一进气管、2-7-磁力搅拌器、2-8-料液混合腔、2-9-气液管道、2-10-排料管、2-11-第二进气管、2-12-气泵、2-13-进料管、2-14-料泵、2-15-分流器、2-16-主进气管、2-17-空压机、2-18-流量控制阀、10-1-主腔体、10-2-第一入料口、10-3-出料口、10-4-螺旋送料搅拌机构、10-5-弧形轨道、10-6-微型电机、10-7-旋转喷洒头。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，但本发明的保护范围不局限于此。

实施例1：

制备水处理用生物磁性陶粒填料，包括以下步骤：

S1：磁粉活化：将四氧化三铁粉末作为磁粉，在戊二醛中浸泡活化，得到活化磁粉；

S2：配料：将铝矾土和亚黏土组成的陶粒、活化磁粉、硼砂、二氧化钛按以下配比混合：铝矾土25份、亚黏土10份、磁粉20份、硼砂1份、二氧化钛1份，搅拌均匀，得到混合物料A；

S3：造粒和烘干：将S2中的混合物料A送入磁力微泡搅拌混料装置中，与水按照1:0.45的重量比进行混合，得到混合物料B，再将所述混合物料B装到造粒机内，制得直径为6mm的球状混合物料，然后将所述的球状混合物料放入干燥箱内，在 105℃下烘干 1 h，制得陶粒基体胚料；

S4：煅烧：将S3制得的陶粒基体胚料在氮气氛围下的高温煅烧炉中以 200℃/h的升温速度加热至600℃，并在600℃下煅烧8 h，得到具有一定机械强度的陶粒填料基体；氮气氛围主要用于防止四氧化三铁在高温下氧化变性，降低填料最终的充磁后的磁场强度，采取600℃的温度，过高的煅烧温度会降低四氧化三铁粉末的磁化率。

S7：负载面层：将S6所制得的磁性陶粒填料基体送入旋转喷洒负载装置内，通过所述旋转喷洒负载装置在磁性陶粒填料基体表面均匀负载上面层材料，得到磁性混合陶粒填料；其中，所述面层材料是由木炭、粘土、钕铁硼与水组成的混合物，木炭、粘土、钕铁硼与水的重量比为1:1:1:3，面层材料的制备方法为：将木炭、粘土、钕铁硼分别粉碎至1μm，与水混合形成浆液；

S8：二次烘干煅烧：将S7所制得的磁性混合陶粒填料放入干燥箱内，在 95℃下烘干 0.5 h，在保护气体氛围下的高温煅烧炉中以 150 ℃/h的升温速度加热至400 ℃，并在400 ℃下煅烧0.5 h，冷却后即得到生物磁性陶粒填料。

实施例2：

与实施例1不同之处在于：

S2中磁粉为四氧化三铁与三氧化二铁按等重量比混合组成；

S2中混合物料A的成分为：铝矾土22份、海泥粘土18份、磁粉30份、硼砂3份、二氧化钛2份；

S3中混合物料B造粒成7 mm的球状混合物料，烘干时间为1.5h；

实施例3：

与实施例1不同之处在于：

S2中磁粉为四氧化三铁与一氧化铁按3：1的重量比混合组成；

S2中混合物料A的成分为：亚黏土25份、泥岩20份、磁粉40份、硼砂5份、二氧化钛3份；

S3中混合物料B造粒成8 mm的球状混合物料，烘干时间为2h；

S8中烘干时间为2h。

上述实施例1-3中所用到的磁力微泡搅拌混料装置包括：

变截面水分子破坏室2-1，其内部设有可以使水通过的通道及设在通道外侧的磁铁，所述通道截面为变截面，所述磁铁能够使水磁化，所述变截面水分子破坏室2-1一端设有进水管2-2，一端设有出水管2-3，所述进水管2-2连接至水泵2-4，

变截面气液混合腔2-5，其内部设有用于气液混合的腔室，所述腔室为变截面，其顶部与出水管2-3及第一进气管2-6连接，其底部设有能够对腔室内的气体和液体进行搅拌的磁力搅拌器2-7，

料液混合腔2-8，其一端与所述变截面气液混合腔2-5通过气液管道2-9相连，另一端设有排料管2-10，其顶部通过第二进气管2-11与气泵2-12相连，还通过进料管2-13与料泵2-14相连，料液混合腔2-8内部设有涡轮混合器，

分流器2-15，所述分流器2-15为内部开有密集细孔的管状结构，分流器2-15共有两个，分别设在第一气管2-6与变截面气液混合腔2-5的接口处及第二进气管2-11与料液混合腔2-8的接口处，

第一进气管2-6与第二进气管2-11均通过主进气管2-16连接至气泵2-16，且主进气管2-16上设有空压机2-17，

流量控制阀2-18，共有两个，分别设在进水管2-2上及进料管2-13上。

上述实施例1-3中所用到的旋转喷洒负载装置包括：

主腔体10-1，其上部呈拱形，在所述主腔体10-1一端设有第一入料口10-2，另一端设有出料口10-3，

位于主腔体10-1内部的螺旋送料搅拌机构10-4，所述螺旋送料搅拌机构10-4沿所述主腔体10-1的长度方向水平设置在主腔体10-1的底部，用于将入料口10-2送入的物料向出料口10-3运送，

位于主腔体10-1上方的多个弧形轨道10-5，及设在在每个所述弧形轨道10-5上的微型电机10-6，且在所述微型电机10-6下方设有旋转喷洒头10-7，每个旋转喷洒头10-7均由微型电机10-6带动并能够在各自对应的弧形轨道10-5上来回往复运动，且所述旋转喷洒头10-7均通过管道连接至第二入料口。

上述实施例1-3中用于制备水处理用生物磁性陶粒填料的设备包括：

活化池1，用于将磁粉进行活化，

磁力微泡搅拌混料装置2，用于将陶粒、活化磁粉、硼砂、二氧化钛与水及气体进行混合，得到混合物料B，

造粒机3，用于将混合物料B进行造粒，制得球状混合物料，

第一干燥室4，用于将球状混合物料进行烘干，得到陶粒基体胚料，

第一高温煅烧炉5，用于陶粒基体胚料进行煅烧，得到陶粒填料基体，

第一冷却室6，用于将陶粒填料基体进行冷却，

水洗池7，用于将冷却后的陶粒填料基体进行水洗，

第二干燥室8，用于将水洗后的陶粒填料基体进行二次烘干，

充磁机9，用于对二次烘干后的陶粒填料基体进行充磁，

旋转喷洒负载装置10，用于将充磁后的磁性陶粒填料基体进行负载面层材料，制得磁性混合陶粒填料，

第三干燥室11，用于将磁性混合陶粒填料进行干燥，

第二高温煅烧炉12，用于将干燥后的磁性混合陶粒填料进行二次煅烧，

第二冷却室13，用于将二次煅烧后的磁性混合陶粒填料进行二次冷却。

挂膜效果对比：

将本发明实施例1和实施例2制备的生物磁性陶粒填料与普通陶粒填料进行对比实验，初始进水氨氮浓度为100 mg/L，反应器内填料填充比为70%。如图4所示，在 100 mg/L进水氨氮浓度阶段初期，各反应器处于挂膜阶段，其中填充有本发明所制得的水处理用生物磁性陶粒填料的反应器（R2和R3）在挂膜阶段第 6 天即达到 95%以上的氨氮去除率，填充有普通陶粒调料的反应器（R1）运行 16 天后氨氮去除率才基本稳定在 90%，结果表明相比普通陶粒填料，磁性陶粒填料更易挂膜。

污染物去除效果对比：

将本发明实施例1和实施例3制备的生物磁性陶粒填料和普通陶粒填料进行对比实验，在实验进行53天后，对3组反应器内部陶粒填料表面生物膜的表面形貌，进行电镜扫描，如图 5(a)所示，普通陶粒填料表面生物膜中主要以球菌和杆菌为主，球菌与杆菌通过胞外聚合物团聚，形成较大的菌胶团。从图5 (b)和(c)可以看出，磁性陶粒填料表面球菌与杆菌团聚的更加紧密，形成了大块的菌胶团。结果表明，相比较普通陶粒填料，磁性陶粒填料对于生物膜微生物团聚有着促进效果，使得生物膜表面的比表面积增大，提高了生物膜对污染物的去除效果。

氨氮的去除效率效果对比：

由于充磁后的磁性陶粒填料周围自带有弱磁场，而氧分子作为一种顺磁性物质，因此水中的溶解氧会顺着磁感线被吸引至磁性陶粒填料附近，从而提高水中溶解氧的利用率。此外，磁性陶粒填料还可通过磁力键、磁力、洛伦兹力和磁致胶体效应等作用，将水中污染物等经磁聚、吸附、富集到填料表面。同时，水经过磁化后，其渗透压会发生提高，降低了污水中的有机物和溶解氧经生物膜向微生物细胞质传递的传质阻力，提高了扩散系数，强化了膜内的生化反应。并且弱磁场的存在还会促进生物细胞生长和新陈代谢，并诱导酶的合成和酶活，加快酶反应。如图 4所示，采用本发明所制的生物磁性陶粒填料，与相同形状规格的普通陶粒填料相比可大幅提高氨氮的去除效率。

试验例1：

将上述实施例1制备的生物磁性填料以70%的填充率置于BAF之中，使得反应器内部形成2.5 mT磁场强度恒定磁场。

将其与填充有普通陶粒填料的BAF进行对比实验，实验持续运行53 天，进水氨氮浓度由初始 100 mg/L 逐步提升至 200 mg/L，400 mg/L。由图4所示，填充有磁性陶粒填料的反应器（R2）在第 12 天时氨氮去除率稳定达到 95%，填充有普通陶粒填料的反应器（R1）则在运行16天后氨氮去除率才基本稳定在 90%。结果表明，在进水氨氮浓度为 100 mg/L时，相比普通填料，磁性填料更易挂膜，同时能够有效提高对NH4+-N的去除效果。当进水氨氮浓度提升至 200 mg/L的第10天时，R1反应器的氨氮去除率下降至 90%。表明R1中生物膜在长期处于较高氨氮浓度条件下时，微生物硝化功能受到抑制，从而导致氨氮去除率下降，而R2反应器的氨氮去除率仍维持在99%。随着进水氨氮浓度进一步提升至 400 mg/L，R2反应器的氨氮去除率保持在95%左右，运行稳定。而R1反应器受进水氨氮浓度提升影响较大，进水氨氮浓度提升至400 mg/L时，其氨氮去除率降至90%以下。

反应器运行53天后，探究了2组反应器的氨氧化速率与比耗氧速率，如图 6所示，R2反应器中填料表面附着的生物膜的氨氧化速率是R1反应器的1.61倍，结果表明磁性填料可以提高填料表面生物膜氨氧化速率。如图7所示，R2反应器中填料表面附着的生物膜的比耗氧速率是R1反应器的1.64倍，结果表明磁性填料表面附着生物膜比耗氧速率更高，说明本发明有利于提高微生物的活性。

本实验进一步探究了2组反应器中微生物硝化反硝化功能酶活性，以及相对应的功能基因丰度的差异。如图8所示，酶活结果表明R2反应器中2.5 mT磁性陶粒填料表面附着生物膜中多种硝化反硝化酶活均高于普通陶粒填料。如图9所示，基因丰度结果表明R2反应器中2.5 mT磁性陶粒填料对生物膜中脱氮功能基因丰度的促进作用较高，主要促进了amoA，nxrA，nirS，nirK基因丰度的提高。

试验例2：

将上述实施例2制备的磁性陶粒填料以70%的填充率置于BAF之中，使得反应器内部形成5 mT磁场强度恒定磁场。

将其与填充有普通陶粒填料的BAF进行对比实验，实验持续运行53 天，进水氨氮浓度由初始 100 mg/L 逐步提升至 200 mg/L，400 mg/L。由图4所示，填充有磁性陶粒填料的反应器（R3）在第 12 天时氨氮去除率稳定达到 95%，填充有普通陶粒填料的反应器（R1）则在运行16天后氨氮去除率才基本稳定在 90%。结果表明，在进水氨氮浓度为 100 mg/L时，相比普通填料，磁性填料更易挂膜，同时能够有效提高对NH4+-N的去除效果。当进水氨氮浓度提升至 200 mg/L的第10天时，R1反应器的氨氮去除率下降至 90%。表明R1中生物膜在长期处于较高氨氮浓度条件下时，微生物硝化功能受到抑制，从而导致氨氮去除率下降，而R3反应器的氨氮去除率仍维持在99%。随着进水氨氮浓度进一步提升至 400 mg/L，R3反应器的氨氮去除率保持在95%左右，运行稳定。而R1反应器受进水氨氮浓度提升影响较大，进水氨氮浓度提升至400 mg/L时，其氨氮去除率降至90%以下。

反应器运行53天后，探究了2组反应器的氨氧化速率与比耗氧速率，如图 6所示，R3反应器中填料表面附着的生物膜的氨氧化速率是R1反应器的1.24倍，结果表明磁性填料可以提高填料表面生物膜氨氧化速率。如图7所示，R3反应器中填料表面附着的生物膜的比耗氧速率是R1反应器的1.34倍，结果表明磁性填料表面附着生物膜比耗氧速率更高，说明本发明有利于提高微生物的活性。

本实验进一步探究了2组反应器中微生物硝化反硝化功能酶活性，以及相对应的功能基因丰度的差异。如图8所示，酶活结果表明R3反应器中5 mT磁性陶粒填料表面附着生物膜中多种硝化反硝化酶活同样均高于普通陶粒填料。如图9所示，基因丰度结果表明R3反应器中5 mT磁性陶粒填料同样对生物膜中脱氮功能基因丰度有着较高的促进作用，主要促进了 amoA，nxrA，nirK基因丰度的提高。

Claims

1.一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4：煅烧：将S3制得的陶粒基体胚料在保护气体氛围下的高温煅烧炉中以 200℃/h的升温速度加热至600℃，并在600℃下煅烧8 h，得到具有一定机械强度的陶粒填料基体；

S7：负载面层：将S6所制得的磁性陶粒填料基体送入旋转喷洒负载装置内，通过所述旋转喷洒负载装置在磁性陶粒填料基体表面均匀负载上面层材料，得到磁性混合陶粒填料；其中，所述面层材料是由木炭、粘土、钕铁硼与水组成的混合物，木炭、粘土、钕铁硼与水的重量比为1:1:1:3；

S8：二次烘干煅烧：将S7所制得的磁性混合陶粒填料放入干燥箱内，在 95℃下烘干0.5-1 h，在保护气体氛围下的高温煅烧炉中以 150 ℃/h的升温速度加热至400 ℃，并在400 ℃下煅烧0.5 h，冷却后即得到生物磁性陶粒填料。

2.如权利要求1所述的一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法，其特征在于，所述陶粒是由铝矾土、黏土、亚黏土、页岩、板岩、海泥粘土、泥岩、粉煤灰、煤矸石中的一种以上混合物制作而成。

3.如权利要求1所述的一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法，其特征在于，所述磁粉是四氧化三铁、三氧化二铁、一氧化铁、钡铁氧体中的一种以上混合物。

4.如权利要求1所述的一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法，其特征在于，S4与S8中所使用的保护气体是氮气或惰性气体。

5.如权利要求1所述的一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法，其特征在于，所述磁力微泡搅拌混料装置包括：

变截面水分子破坏室（2-1），其内部设有可以使水通过的通道及设在通道外侧的磁铁，所述通道截面为变截面，所述磁铁能够使水磁化，所述变截面水分子破坏室（2-1）一端设有进水管（2-2），一端设有出水管（2-3），所述进水管（2-2）连接至水泵（2-4），

变截面气液混合腔（2-5），其内部设有用于气液混合的腔室，所述腔室为变截面，其顶部与出水管（2-3）及第一进气管（2-6）连接，其底部设有能够对腔室内的气体和液体进行搅拌的磁力搅拌器（2-7），

料液混合腔（2-8），其一端与所述变截面气液混合腔（2-5）通过气液管道（2-9）相连，另一端设有排料管（2-10），其顶部通过第二进气管（2-11）与气泵（2-12）相连，还通过进料管（2-13）与料泵（2-14）相连，料液混合腔（2-8）内部设有涡轮混合器，

分流器（2-15），所述分流器（2-15）为内部开有密集细孔的管状结构，分流器（2-15）共有两个，分别设在第一气管（2-6）与变截面气液混合腔（2-5）的接口处及第二进气管（2-11）与料液混合腔（2-8）的接口处，

第一进气管（2-6）与第二进气管（2-11）均通过主进气管（2-16）连接至气泵（2-16），且主进气管（2-16）上设有空压机（2-17），

流量控制阀（2-18），共有两个，分别设在进水管（2-2）上及进料管（2-13）上。

6.如权利要求1所述的一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法，其特征在于，所述旋转喷洒负载装置包括：

主腔体（10-1），其上部呈拱形，在所述主腔体（10-1）一端设有第一入料口（10-2），另一端设有出料口（10-3），

位于主腔体（10-1）内部的螺旋送料搅拌机构（10-4），所述螺旋送料搅拌机构（10-4）沿所述主腔体（10-1）的长度方向水平设置在主腔体（10-1）的底部，用于将入料口（10-2）送入的物料向出料口（10-3）运送，

位于主腔体（10-1）上方的多个弧形轨道（10-5），及设在在每个所述弧形轨道（10-5）上的微型电机（10-6），且在所述微型电机（10-6）下方设有旋转喷洒头（10-7），每个旋转喷洒头（10-7）均由微型电机（10-6）带动并能够在各自对应的弧形轨道（10-5）上来回往复运动，且所述旋转喷洒头（10-7）均通过管道连接至第二入料口。

7.如权利要求1所述的制备方法制备生物磁性陶粒填料的设备，其特征在于，包括：

活化池（1），用于将磁粉进行活化，

磁力微泡搅拌混料装置（2），用于将陶粒、活化磁粉、硼砂、二氧化钛与水及气体进行混合，得到混合物料B，

造粒机（3），用于将混合物料B进行造粒，制得球状混合物料，

第一干燥室（4），用于将球状混合物料进行烘干，得到陶粒基体胚料，

第一高温煅烧炉（5），用于陶粒基体胚料进行煅烧，得到陶粒填料基体，

第一冷却室（6），用于将陶粒填料基体进行冷却，

水洗池（7），用于将冷却后的陶粒填料基体进行水洗，

第二干燥室（8），用于将水洗后的陶粒填料基体进行二次烘干，

充磁机（9），用于对二次烘干后的陶粒填料基体进行充磁，

旋转喷洒负载装置（10），用于将充磁后的磁性陶粒填料基体进行负载面层材料，制得磁性混合陶粒填料，

第三干燥室（11），用于将磁性混合陶粒填料进行干燥，

第二高温煅烧炉（12），用于将干燥后的磁性混合陶粒填料进行二次煅烧，

第二冷却室（13），用于将二次煅烧后的磁性混合陶粒填料进行二次冷却。

8.如权利要求1所述的一种水处理用生物磁性陶粒填料的制备方法，其特征在于，上述生物磁性陶粒填料可应用于处理高氨氮废水。