CN110078198A - 一种脱氮填料、脱氮填料球及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脱氮填料及脱氮填料球，脱氮填料以PHBV为基体，加入铁粉、硝化细菌、反硝化细菌制成。PHBV含有羟基官能团，促进活性硝化菌的挂膜；而形成生物膜的活性硝化菌反过来又能以PHBV作为碳源进行硝化作用和反硝化作用，有效分解水中的含氮物质；本发明在污水处理中大大减少碳源的添加，避免水体二次污染；并且活性硝化菌根据水体中的氮浓度分解PHBV释放相应的碳源，PHBV的胞外降解与硝酸还原作用几乎对等，因此PHBV不会释放可溶解性的有机碳而污染水体；通过乳液分散将铁粉加入到体系中，铁粉通过失电子的氧化过程释放铁离子，铁离子与磷酸盐进行结合，实现脱磷。本发明的脱氮填料球有效降低污水中总氮、总磷，脱除效率高，程序控制简单方便。

Description

一种脱氮填料、脱氮填料球及其应用

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种脱氮填料、脱氮填料球及其应用。

背景技术

随着全球城市化的发展，城市生态系统对外来营养氮素的依赖增大，驱动着人为活化氮大量产生，由此导致的环境问题威胁到人类健康与生命安全。污水处理过程导致的氮污染物排放成为城市生态系统氮污染的主要来源，污水处理过程中还会向环境中输出含氮污染物，这些输出产物在一定程度上削弱了污水处理的环境效益。

在静止的或流动缓慢的水体中，磷的浓度过高，会造成水体的富营养化，水体的富营养化现象已成为人类所面临的严重的水环境问题之一。国际上的经验表明，城市污水氮含量约占流入地表水体总氮负荷的34％，因此降低城市污水中氮含量是防止水体富营养化的主要途径之一。近年来，政府对环保愈加重视，相继颁布实施的《污水综合排放标准》(GB8978-1996)和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918－2002)规定了非常严格的氮排放标准，污水厂工艺脱氮一般都采用补充碳源作为作为水中脱氮，需要消耗大量的药剂，目前常见的有“乙酸钠、甲醇、葡萄糖”等碳源，这些药剂投加成本高，环境二次污染大；二级出水具有低碳氮比的特点，单纯依靠异养微生物进行脱氮往往难以达到理想的效果；生物膜废水处理技术是将微生物固定在载体上形成生物膜使废水中的污染物进行降解的技术，载体是微生物挂膜的重要的影响因素。目前，现有技术中的载体多采用聚乙烯，聚苯乙烯和聚酰胺等材料，但是聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺的传质性能差、生物相容性差，因此影响污水处理的结果。因此选择合适的脱氮材料成为目前污水厂的迫切需求。

发明内容

为了解决现有技术中针对污水处理过程氮比较高、需要持续投加碳源、载体生物相容性差的技术问题，本发明提供一种高效低成本脱氮填料球，本发明提供的脱氮填料球，含有大量聚羟基丁酸戊酸共聚酯，可直接投入水中持续降解水中氮，同时降低总磷及有机物，反应后期的聚羟基丁酸及戊酸共聚酯会持续消耗，将溶解性物质析出；聚羟基丁酸及戊酸共聚酯比表面积大，可有效降低水中氮的同时降低总磷，运营成本低廉。

本发明的目的是提供一种脱氮填料。

本发明的另一目的是提供一种上述脱氮填料的制备方法。

本发明的再一目的是提供一种包含上述脱氮填料的脱氮填料球。

本发明的再一目的是提供上述脱氮填料球在污水脱氮中的应用。

根据本发明的具体实施方法提供的脱氮填料，包括填料A，所述填料A包括以下重量百分百的原料制成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯50-60％，硝化细菌5-15％，反硝化细菌5-15％和铁粉25-35％。

本发明提供的脱氮填料以聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)为基体材料，通过在基体材料中添加硝化细菌、反硝化细菌以及铁粉制成。本发明提供的填料用于污水处理系统，实现少量或者不投加碳源而达到脱氮的效果，有效提高污水脱氮的效率。本发明在PHBV中加入了活性硝化菌和铁粉，PHBV是以葡萄糖为原料，利用微生物发酵工艺生产出来的天然的高分子聚合物，PHBV广泛存在于微生物细胞内，是微生物的能量储备物质，具有良好的生物相容性和可降解性，PHBV难溶于水，却易降解。一方面PHBV含有羟基官能团，对硝化细菌和反硝化细菌的粘附生长具有一定的积极作用，促进活性硝化菌的挂膜；另一方面PHBV能够为活性硝化菌提供碳源，促进反硝化作用的进行，有效分解水中的含氮化合物和分子氮；硝化作用和反硝化反应中的活性硝化菌根据水体中的氮浓度分解PHBV释放相应的碳源，PHBV的胞外降解与硝酸还原作用几乎对等，因此PHBV不会释放可溶解性的有机碳而污染水体。此外PHBV为活性硝化菌提供碳源，活性硝化菌在进行硝化作用和反硝化作用的过程中改变PHBV的分子结构，使得活性硝化菌能够在PHBV载体上保持良好的成膜稳定性，不会造成堵塞现象，有利于污水处理的长期稳定的运行，减轻维护的工作量，降低运营成本。本发明的脱氮填料中含有的铁粉在失电子的氧化过程中释放的铁离子与磷酸盐进行结合，能够有效去除污水中的磷元素。因此本发明提供的脱氮填料具有同时脱氮和脱磷的功效。

本发明提供的脱氮填料能够有效提高除氮速率，节约污水处理运营成本；相对于传统的污水处理系统使用的惰性材料作为微生物的生长载体，本发明采用PHBV作为固体基质，具有较大的比表面积和良好的生物相容性，有利于生物膜的生长，有利于生物膜保持成型，有利于水体系统反硝化速率稳定，反应后期的PHBV持续消耗，将溶解物析出，有效降低水中总氮的同时降低总磷，使得污水脱氮、脱磷的程序控制更加的简单方便。

优选地，所述脱氮填料，还包括填料B，所述填料B包括以下重量百分比的原料制成：聚氨酯97-99％和铁粉1-3％；所述脱氮填料按照重量百分比包括填料A60-80％和填料B20-40％。

本发明提供的脱氮填料还可以包括聚氨酯和铁粉制备成为的具有镂空结构的填料B，生物反应载体是影响污水处理效果的关键性材料，本发明采用聚氨酯为生物反应的载体，并且在聚氨酯中添加微量的铁粉，铁粉在水体中，能够发生反应，除去污水中的磷元素，聚氨酯中具有含氮，含氧的官能团，增加了载体材料的表面能，此外聚氨酯呈现镂空结构，形成类似树枝的形状，具有较大的比表面积，有利于提高挂膜性能。填料B和填料A共用，共同提升了成膜性能，提高了填料对污水中氮磷的脱除效率。

进一步优选地，所述脱氮填料，制备填料A和填料B的原料中的铁粉的粒径均为300-500nm。

进一步优选地，包括以下重量百分比的组分：填料A70％和填料B30％；

所述填料A包括以下重量百分比的原料制成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯55％，硝化细菌10％，反硝化细菌5％和铁粉30％；所述铁粉的粒径为325nm；

所述填料B包括以下重量百分比的原料制成：聚氨酯98％和铁粉2％；所述铁粉的粒径为325nm。

优选地，所述填料A为螺旋棒状，所述填料B为镂空结构。

根据本发明具体实施方式提供的脱氮填料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备填料A：称取聚羟基丁酸戊酸共聚酯，溶解于溶剂中，然后加入铁粉、硝化细菌、反硝化细菌，混合均匀，成型，干燥，得到填料A；

(2)制备填料B：称取聚氨酯，将铁粉加入到聚氨酯中，混合均匀，成型，得到镂空的填料B；

(3)将填料A和填料B进行混合，得到所述脱氮填料。

本发明提供的脱氮填料的制备方法中采用的溶剂为常规的能够溶解聚羟基丁酸戊酸共聚酯的溶剂，包括氯仿或DMF，溶剂的用量以完全溶解聚羟基丁酸戊酸共聚酯为宜。经过溶解的聚羟基丁酸戊酸共聚酯溶解之后，加入填料A的其他原料，进行混合之后，采用压力成型的方式进行成型，然后干燥制备成为螺旋的棒状。

本发明提供一种脱氮填料球，包括壳体和上述的脱氮填料；所述壳体镂空球体，所述脱氮填料设置于镂空球体内部。

优选地，所述脱氮填料球的壳体的材料为聚乙烯。

优选地，所述壳体的直径为30-60mm。

本发明提供的脱氮填料球以再生聚乙烯材料为壳体，壳体为镂空的球体，壳体壁为不规则的网格状，脱氮填料填充至镂空的球体内部，脱氮填料填充至壳体中，占壳体容积的35-75％。

本发明提供的脱氮填料球主要应用于污水脱氮、脱磷中。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供一种脱氮填料以及包含其的脱氮填料球，所述脱氮填料以聚羟基丁酸戊酸共聚酯为基体，加入铁粉、硝化细菌、反硝化细菌制成，具有污水高效脱氮脱磷的效果，能够有效降低污水处理的运营成本。

2.本发明在PHBV中加入了活性硝化菌和铁粉，PHBV是以葡萄糖为原料，利用微生物发酵工艺生产出来的天然的高分子聚合物，PHBV广泛存在于微生物细胞内，是微生物的能量储备物质，具有良好的生物相容性和可降解性，PHBV难溶于水，却易降解，一方面PHBV含有羟基官能团，对硝化细菌和反硝化细菌的粘附生长具有一定的积极作用，促进活性硝化菌的挂膜；另一方面PHBV为活性硝化菌提供碳源，促进反硝化作用的进行，有效分解水中的氮元素和分子氮；

3.硝化作用和反硝化反应中的活性硝化菌根据水体中的氮浓度分解PHBV释放相应的碳源，PHBV的胞外降解与硝酸还原作用几乎对等，因此PHBV不会释放可溶解性的有机碳而污染水体。

4.PHBV为活性硝化菌提供碳源，活性硝化菌在进行硝化作用和反硝化作用的过程中改变PHBV的分子结构，使得活性硝化菌能够在PHBV载体上保持良好的成膜稳定性，不会造成堵塞现象，有利于污水处理的长期稳定的运行，减轻维护的工作量，降低运营成本。

5.本发明的脱氮填料中含有的铁粉在失电子的氧化过程中释放的铁离子与磷酸盐进行结合，能够有效去除污水中的磷元素。因此本发明提供的脱氮填料具有同时脱氮和脱磷的功效。

6.本发明提供的脱氮填料能够有效提高除氮速率，节约污水处理运营成本；相对于传统的污水处理系统使用的惰性材料作为微生物的生长载体，本发明采用PHBV作为固体基质，具有良好的生物相容性，有利于生物膜的生长，有利于生物膜保持成型，有利于水体系统反硝化速率稳定，反应后期的PHBV持续消耗，将溶解物析出，PHBV的比表面积大，有效降低水中总氮的同时降低总磷，使得污水脱氮、脱磷的程序控制更加的简单方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1-3提供的脱氮填料球中的脱氮填料示意图；

图2是实施例4-6提供的脱氮填料球中的脱氮填料示意图；

图3是实施例4-6提供的脱氮填料球的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

污水脱氮填料球，包括壳体和脱氮填料，壳体为镂空的球体，脱氮填料设置于镂空球体内部，脱氮填料包括以下重量百分比的原料制备而成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯50％，硝化细菌10％，反硝化细菌5％和铁粉35％；铁粉的粒径为300nm；壳体材料为再生聚乙烯，壳体的直径为30mm；脱氮填料填充至壳体中，占壳体容积的35％。

脱氮填料的制备方法为：将聚羟基丁酸戊酸共聚酯加入到溶剂中，完全溶解，然后加入硝化细菌、反硝化细菌和铁粉，混合均匀，压力成型，干燥，得到螺旋棒状的脱氮填料。

实施例2

污水脱氮填料球，包括壳体和脱氮填料，壳体为镂空的球体，脱氮填料设置于镂空球体内部，脱氮填料包括以下重量百分比的原料制备而成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯60％，硝化细菌10％，反硝化细菌15％和铁粉25％；铁粉的粒径为500nm；壳体材料为再生聚乙烯，壳体的直径为60mm；脱氮填料填充至壳体中，占壳体容积的75％。

脱氮填料的制备方法为：将聚羟基丁酸戊酸共聚酯加入到溶剂中，完全溶解，然后加入硝化细菌、反硝化细菌和铁粉，混合均匀，压力成型，干燥，得到螺旋棒状的脱氮填料。

实施例3

污水脱氮填料球，包括壳体和脱氮填料，壳体为镂空的球体，脱氮填料设置于镂空球体内部，脱氮填料包括以下重量百分比的原料制备而成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯55％，硝化细菌10％，反硝化细菌5％和铁粉30％；铁粉的粒径为325nm；壳体材料为再生聚乙烯，壳体的直径为40mm；脱氮填料填充至壳体中，占壳体容积的50％。

脱氮填料的制备方法为：将聚羟基丁酸戊酸共聚酯加入到溶剂中，完全溶解，然后加入硝化细菌、反硝化细菌和铁粉，混合均匀，压力成型，干燥，得到螺旋棒状的脱氮填料。

实施例4

污水脱氮填料球，包括壳体和脱氮填料，壳体为镂空的球体，脱氮填料设置于镂空球体内部，包括以下重量百分比的组分：填料A60％和填料B40％；

填料A包括以下重量百分比的原料制成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯60％，硝化细菌5％，反硝化细菌10％和铁粉25％；铁粉的粒径为300nm；

填料B包括以下重量百分比的原料制成：聚氨酯97％和铁粉3％；铁粉的粒径为300nm；

壳体材料为再生聚乙烯，壳体的直径为60mm；

脱氮填料填充至壳体中，占壳体容积的35％。

脱氮填料的制备方法为：

(1)制备填料A：称取聚羟基丁酸戊酸共聚酯，溶解于溶剂中，然后加入铁粉、硝化细菌、反硝化细菌，混合均匀，成型，干燥，得到填料A；

(2)制备填料B：称取聚氨酯，将铁粉加入到聚氨酯中，混合均匀，成型，得到填料B；

(3)将填料A和填料B进行混合，得到所述脱氮填料。

实施例5

污水脱氮填料球，包括壳体和脱氮填料，壳体为镂空的球体，脱氮填料设置于镂空球体内部，包括以下重量百分比的组分：填料A80％和填料B20％；

填料A包括以下重量百分比的原料制成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯50％，硝化细菌5％，反硝化细菌10％和铁粉35％；铁粉的粒径为500nm；

填料B包括以下重量百分比的原料制成：聚氨酯99％和铁粉1％；铁粉的粒径为500nm；

壳体材料为再生聚乙烯，壳体的直径为30mm；

脱氮填料填充至壳体中，占壳体容积的75％。

脱氮填料的制备方法为：

(1)制备填料A：称取聚羟基丁酸戊酸共聚酯，溶解于溶剂中，然后加入铁粉、硝化细菌、反硝化细菌，混合均匀，成型，干燥，得到填料A；

(2)制备填料B：称取聚氨酯，将铁粉加入到聚氨酯中，混合均匀，成型，得到填料B；

(3)将填料A和填料B进行混合，得到所述脱氮填料。

实施例6

污水脱氮填料球，包括壳体和脱氮填料，壳体为镂空的球体，脱氮填料设置于镂空球体内部，包括以下重量百分比的组分：填料A70％和填料B30％；

填料A包括以下重量百分比的原料制成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯60％，硝化细菌10％，反硝化细菌15％和铁粉25％；铁粉的粒径为325nm；

填料B包括以下重量百分比的原料制成：聚氨酯98％和铁粉2％；铁粉的粒径为325nm；

壳体材料为再生聚乙烯，壳体的直径为40mm；

脱氮填料填充至壳体中，占壳体容积的60％。

脱氮填料的制备方法为：

(1)制备填料A：称取聚羟基丁酸戊酸共聚酯，溶解于溶剂中，然后加入铁粉、硝化细菌、反硝化细菌，混合均匀，成型，干燥，得到填料A；

(2)制备填料B：称取聚氨酯，将铁粉加入到聚氨酯中，混合均匀，成型，得到填料B；

(3)将填料A和填料B进行混合，得到所述脱氮填料。

试验例

将本发明实施例6得到的脱氮填料球用于污水处理小试实验。实验方法为，将本发明实施例6得到的填料球加入到反应器中，反应器包括了底部的进水口和上部的出水口，污水从反应器的底部进水，经过填料球之后从上部出水，本实验采用的实验污水为人工配水，人工配水挂膜时总氮的浓度为35mg/L左右，磷浓度为2-4mg/L左右；经过2天左右挂膜成功，实验水温为15-35℃，pH值为7左右，水体溶解氧状态为厌氧或无氧；水力停留时间为3-6h左右保持2d，然后采集实验数据。

结果为：

TN含量从35mg/L降至15mg/L，总氮脱除率达到57.14％，

TP含量从3.6mg/L降至1.5mg/L，总氮脱除率达到58.33％。

结果说明本发明提供的脱氮填料球挂膜速度快，能够有效降低水体中的总氮和总磷的含量，本发明提供的脱氮填料球使用简单，除氮除磷效率高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种脱氮填料，其特征在于，包括填料A，所述填料A包括以下重量百分百的原料制成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯50-60％，硝化细菌5-15％，反硝化细菌5-15％和铁粉25-35％。

2.根据权利要求1所述的脱氮填料，其特征在于，还包括填料B，所述填料B包括以下重量百分比的原料制成：聚氨酯97-99％和铁粉1-3％；所述脱氮填料按照重量百分比包括填料A60-80％和填料B20-40％。

3.根据权利要求2所述的脱氮填料，其特征在于，制备填料A和填料B的原料中的铁粉的粒径均为300-500nm。

4.根据权利要求3所述脱氮填料，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：填料A70％和填料B30％；

所述填料A包括以下重量百分比的原料制成：聚羟基丁酸戊酸共聚酯55％，硝化细菌10％，反硝化细菌5％和铁粉30％；所述铁粉的粒径为325nm；

所述填料B包括以下重量百分比的原料制成：聚氨酯98％和铁粉2％；所述铁粉的粒径为325nm。

5.根据权利要求2-4任一所述的脱氮填料，其特征在于，所述填料A为螺旋棒状，所述填料B为镂空结构。

6.权利要求2-5任一所述的脱氮填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备填料A：称取聚羟基丁酸戊酸共聚酯，溶解于溶剂中，然后加入铁粉、硝化细菌、反硝化细菌，混合均匀，成型，干燥，得到填料A；

(2)制备填料B：称取聚氨酯，将铁粉加入到聚氨酯中，混合均匀，成型，得到填料B；

(3)将填料A和填料B进行混合，得到所述脱氮填料。

7.一种脱氮填料球，其特征在于，包括壳体和权利要求1-5任一所述的脱氮填料；所述壳体为镂空球体，所述脱氮填料设置于镂空球体内部。

8.根据权利要求7所述的脱氮填料球，其特征在于，所述壳体的材料为聚乙烯。

9.根据权利要求7所述的脱氮填料球，其特征在于，所述壳体的直径为30-60mm。

10.权利要求7-9任一所述的脱氮填料球在污水脱氮中的应用。