CN110182941A - 一种高效除磷水滑石前驱体生物膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物膜水处理领域，具体涉及一种高效除磷水滑石前驱体生物膜及其制备方法和应用。所述水滑石前驱体生物膜的制备方法为：分别称取二价金属离子和三价金属离子的金属氢氧化物或金属盐，加入到球磨罐中直接球磨，得到水滑石前驱体；将水滑石前驱体加入到废水中曝气和搅拌后，得到水滑石前驱体生物膜。本发明提供的水滑石前驱体制备方法和水滑石前驱体生物膜的应用，对废水的净化效果良好，尤其是水体中的磷酸根的降解十分有效，同时，还可以改善碳源的利用、降解废水中的氮，有效的降解了废水中的水质污染，遏制了水体的富营养化。

Description

一种高效除磷水滑石前驱体生物膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物膜水处理领域，具体涉及一种高效除磷水滑石前驱体生物膜及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国废水排放量的不断增大，导致过量的氮、磷污水排放流入河流、湖泊、水库等地表水体，引起水体中藻类的疯狂生长，消耗水中的溶解氧，危害水体中原有的生态系统，造成水体的一步步恶化。我国面临的水体富营养化的主因是水中的氮、磷元素含量的超标。生物膜强化序批式生物膜法具有水力停留时间和曝气时间的灵活可控性、剩余污泥量少、同一个反应器实现脱氮除磷、节省碳源加入、运行费用低等优点，因此广泛收到国内外学者的研究。
层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxide，LDH)是水滑石前驱体(Hydrotalcite,HT)和类水滑石前驱体化合物(Hydrotalcite-Like Compounds，HTLCs)的统称，由这些化合物插层组装的一系列超分子材料称为水滑石类插层材料(LDHs)。其化学组成可以表示为其中M2+为Mg2+、Ni2+、Co2+、Zn2+、Cu2+等二价金属阳离子；M3+为Al3+、Cr3+、Fe3+、Sc3+等三价金属阳离子；An-为阴离子，如CO3 2-，NO3-、Cl-、OH-、SO4 2-、PO4 3-、C6H4(COO)2 2-等无机和有机离子以及络合离子。
因LDHs具有很大的层间阴离子交换容量、生物相容性、极大的表面正电性，在水处理方面拥有广泛的应用。面临我国严峻的高氮、磷元素含量污水处理和地表水富营养化严重的问题，制备一种制备简单、成本低、且具备快速启动和高效脱氮除磷的水滑石前驱体生物膜拥有极大的工业生产前景。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种高效除磷水滑石前驱体生物膜及其制备方法和应用。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种高效除磷水滑石前驱体生物膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)分别称取二价金属离子和三价金属离子的金属氢氧化物或金属盐，加入到球磨罐中直接球磨，得到水滑石前驱体；
(2)将水滑石前驱体加入到废水中曝气和搅拌后，得到水滑石前驱体生物膜。
上述方案中，所述二价金属离子为镁离子、锌离子、钙离子、或铜离子；所述三价金属离子为铝离子。
上述方案中，所述金属盐为碱式碳酸盐、或碳酸盐。
上述方案中，所述二价金属离子与三价金属离子摩尔比为1：1～4：1。
上述方案中，所述球磨的球料比为29：1～58：1，球磨转速为500～600rpm，球磨时间为2～3h。
上述方案中，所述水滑石前驱体再废水中的含量为1～5g/L，曝气阶段含氧量为0.5～6mg/L，搅拌阶段的搅拌速度为80～100rpm。
上述制备方法制备所得高效除磷水滑石前驱体生物膜。
上述高效除磷水滑石前驱体生物膜与SBR水处理工艺联合在废水处理领域的应用。
本发明的有益效果：本发明提供的水滑石前驱体制备方法和水滑石前驱体生物膜的应用，对废水的净化效果良好，尤其是水体中的磷酸根的降解十分有效，同时，还可以改善碳源的利用、降解废水中的氮，有效的降解了废水中的水质污染，遏制了水体的富营养化。
附图说明
图1为本发明所述水滑石前驱体生物膜应用于废水SBR工艺系统图。
图2为实例1水滑石前驱体生物膜应用于废水水质指标降解效果图。
图3为实例1水滑石前驱体生物膜应用于废水21天后XRD图。
图4为实例1水滑石前驱体生物膜应用于废水21天后SEM-EDX图。
图5为实例2水滑石前驱体生物膜应用于废水水质指标COD随时间解效果图。
图6为实例2水滑石前驱体生物膜应用于废水水质指标PO4 3-随时间降解效果图。
图7为实例2水滑石前驱体生物膜应用于废水水质指标NH4 +-N随时间降解效果图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1所示，以下实施例中，反应器采用有机玻璃制成的圆柱形SBR反应器，高15cm，直径10cm，有效体积为0.9L。反应器包括进水箱1、空气阀2、气泡石3、磁力搅拌子4、温度计5、抽水泵6、转子流量计7、空气泵8、控制器9。
实施例1
一种高效除磷水滑石前驱体生物膜与SBR水处理工艺联合在废水处理领域的应用，包括如下步骤：
(1)水滑石前驱体的制备：分别称取1.4758g的碱式碳酸锌和0.5242g的氢氧化铝放入球磨罐中，磨料与磨球的比为1：58，球磨转速为600rpm，球磨时间为2h，获得[Zn-Al]-LDH前驱体；
或者称取2g的氢氧化镁加入到球磨罐中，磨料与磨球的比为1：58，球磨转速为500rpm，球磨时间为1h，获得活性氢氧化镁；称取1.3833g的第一步获得的氢氧化镁和0.6167g氢氧化铝，磨料与磨球的比为1：58，球磨转速为500rpm，球磨时间为3h，获得[Mg-Al]-LDH前驱体；
(2)水滑石生物膜的制备与应用：将2g[Zn-Al]-LDH前驱体、2g[Mg-Al]-LDH前驱体和2g的生物陶粒粉末分别加入到1号、2号和3号SBR反应器中，三个反应器中分别同时加入0.9L来自武汉市南湖的湖水(该湖水经过额外加入醋酸钠，氯化铵和磷酸氢二钾调节C，N，P为实验要求浓度)；
SBR工艺(进水、反应、静置、排水、闲置)第一阶段(I)采用由每周期为24h、水利停留时间为43.6h，厌氧：好氧为2h：6h三次循环；第二阶段每周期为24h、水利停留时间为36.9h，厌氧：好氧为2h：6h三次循环；第三阶段每周期为12h、水利停留时间为16h，厌氧：好氧为3.5h：2.5h二次循环；好样阶段曝气量为1.0L/min，搅拌速度为80rpm。
水质检测与样品表征：每天取的水样经过0.45μm的醋酸纤维膜，根据《地表水体水质检测国标法》的重铬酸钾法，钼酸铵分光光度法，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法分别检测COD，TP，PO4 3-，TN。第21天取三个反应器的样品在45℃烘干48h，测XRD、SEM-EDS(武汉理工大学测试中心)。
实验结果如图2所示，在运行的三个阶段里，[Zn-Al]-LDH反应器对磷酸根的去除分别是89.7％、63.58％和73％；[Mg-Al]-LDH反应器对磷酸根的去除分别是62.54％、45.74％和27.18％；陶粒反应器对水滑石对磷酸根的去除分别为32.42％、16.32％、14.6％。水滑石对磷酸根的去除效果非常明显，尤其是[Zn-Al]-LDH。[Zn-Al]-LDH反应器对总磷的去除分别是73.39％、25.62％和13.95％；[Mg-Al]-LDH反应器对总磷的去除分别是46.01％、25.62％和22.94％；陶粒反应器对水滑石对磷酸根的去除分别为10.31％、25.％、14.6％。水滑石对磷酸根的去除效果非常明显，尤其是[Zn-Al]-LDH。实验结果如图3所示，在运行21天后，水滑石和活性污泥絮状体经XRD检测发现[Zn-Al]-LDH层状结构稳定，保持良好的水滑石特性；[Mg-Al]-LDH也出现微弱水滑石对应的晶面强度，证明水滑石可以长期有效的与用于生物膜技术。实验结果如图4所示，经过ESM-EDX拍摄证明反应器运行21天后，[Zn-Al]-LDH(a)、[Mg-Al]-LDH(b)生物膜水滑石和活性污泥菌胶团保持了良好的孔隙，为微生物提高良好的生存场所，提高了污染物的降解；能谱分析发现[Zn-Al]-LDH(d)、[Mg-Al]-LDH(e)生物膜拥有更多的磷元素，这是水滑石反应器能够高效去除磷元素的关键，为实际应用磷的去除提供一个绝佳的方法。
实施例2
一种高效除磷水滑石前驱体生物膜与SBR水处理工艺联合在废水处理领域的应用，包括如下步骤：
(1)水滑石前驱体的制备：分别称取1.4758g的碱式碳酸锌和0.5242g的氢氧化铝放入球磨罐中，磨料与磨球的比为1：58，球磨转速为600rpm，球磨时间为2h，获得[Zn-Al]-LDH前驱体；
或者称取1.4785g的碱式碳酸铜和0.5215g的氢氧化铝放入球磨罐中，磨料与磨球的比为1：58，球磨转速为600rpm，球磨时间为2h，获得[Cu-Al]-LDH前驱体；
或者称取0.8531g的氢氧化钙、0.6522g的氢氧化铝和0.8531g的碳酸钙放入球磨罐中，磨料与磨球的比为1：58，球磨转速为600rpm，球磨时间为2h，获得[Ca-Al]-LDH前驱体；
或者分别称取1.3833g的第一步获得的氢氧化镁和0.6167g氢氧化铝，混合在一起得到；
(2)水滑石生物膜的制备与应用：称取2g的[Zn-Al]-LDH前驱体、2g的[Cu-Al]-LDH前驱体、2g的[Ca-Al]-LDH前驱体、2g[Mg(OH)2+Al(OH)3](M2+:M3+＝3:1)混合物、2g的生物陶粒分别加入到1号、2号、3号、4号、5号SBR反应器中，加入葡萄糖、氯化铵和磷酸氢二钾调节的C:N:P＝100:5:1的模拟废水。
SBR工艺采用由水利停留时间为24h；曝气量为0.3L/min；搅拌速度为80rpm。
水质检测：每天取的水样经过0.45μm的醋酸纤维膜，根据《地表水体水质检测国标法》的重铬酸钾法，钼酸铵分光光度法，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法分别检测COD、PO4 3-、NH4 +-N。
实验结果如图5所示，在运行的14天里PO43-从加样初始浓度5mg/L递增到40mg/L左右，[Zn-Al]-LDH、[Cu-Al]-LDH、[Mg(OH)2+Al(OH)3]反应器对磷酸根随着时间越长，对磷酸根去除效果越好，24h后[Zn-Al]-LDH和[Cu-Al]-LDH对磷酸根去除都在99％以上；[Ca-Al]-LDH和生物陶粒仅有50％以下的去除效率。实验结果如图6所示，在运行的14天里COD从加样初始浓度350mg/L递增到2500mg/L左右，[Zn-Al]-LDH、[Ca-Al]-LDH和[Mg(OH)2+Al(OH)3]反应器在8小时时对COD降解达到稳定，三组反应器对COD去除都在60％以上；[Cu-Al]-LDH和生物陶粒仅有40％左右的去除效率。实验结果如图7所示，在运行的14天里NH4 +-N从加样初始浓度25mg/L递增到100mg/L左右，[Zn-Al]-LDH、[Ca-Al]-LDH、[Mg(OH)2+Al(OH)3]和生物陶粒反应器在8小时时对NH4 +-N降解达到稳定，三组反应器对COD去除都在60％以上；[Cu-Al]-LDH仅有50％左右的去除效率。实验结果表面[Zn-Al]-LDH和[Cu-Al]-LDH对磷酸根有极强的吸附能力，但是只有[Zn-Al]-LDH能更好与微生物结合在一起，达到高效循环吸附降解磷酸根。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高效除磷水滑石前驱体生物膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）分别称取二价金属离子和三价金属离子的金属氢氧化物或金属盐，加入到球磨罐中直接球磨，得到水滑石前驱体；
（2）将水滑石前驱体加入到废水中曝气和搅拌后，得到水滑石前驱体生物膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二价金属离子为镁离子、锌离子、钙离子、或铜离子；所述三价金属离子为铝离子。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属盐为碱式碳酸盐、或碳酸盐。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二价金属离子与三价金属离子摩尔比为1：1~4：1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的球料比为29：1~58：1，球磨转速为500~600 rpm，球磨时间为2~3h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水滑石前驱体在废水中的含量为1~5 g/L，曝气阶段含氧量为0.5~6 mg/L，搅拌阶段的搅拌速度为80~100 rpm。
7.权利要求1~6制备方法制备所得高效除磷水滑石前驱体生物膜。
8.权利要求7所述高效除磷水滑石前驱体生物膜与SBR水处理工艺联合在废水处理领域的应用。
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