CN111847642B - 水处理微生物高流动载体材料、制备方法及水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水处理微生物高流动载体材料、制备方法及水处理方法，所述高流动载体材料由以下重量份原料制备而成：膨润土40份‑60份、淀粉40份‑60份、粉煤灰10份‑20份、羟基磷灰石10份‑20份、磁粉8份‑13份、凹凸棒土1份‑4份、碳酸钙2份‑6份和碳粉2份‑8份，所述高流动载体材料通过改性混合制得；将制备得到的所述载体材料应用于活性污泥工艺中，可以将污水中微生物生长提供更大的附着表面，从而提高了微生物量及浓度、也利于二沉池中的泥水分离过程，本发明还可以增强载体材料对污染物的吸附和絮凝作用，从而增强微生物活性和新陈代谢作用，达到提高系统处理效果的目的。

Description

水处理微生物高流动载体材料、制备方法及水处理方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，特别涉及水处理微生物高流动载体材料、制备方法及水处理方法。

背景技术

自1914年第一座活性污泥法污水处理厂在英国曼彻斯特建立以来，活性污泥法及其衍生工艺已成为世界上应用最广泛的污水处理技术。目前，我国污水处理工艺的生化段大多采用活性污泥法，即通过依次连接的厌氧池、缺氧池和好氧池进行脱氮除磷。但这种传统的活性污泥系统能耗大，对水质、水量冲击的负荷能力较弱，产生的剩余污泥多且污泥脱水性能差。随着研究的进展，许多改进工艺已被提出，例如常见的载体活性污泥法是通过在活性污泥中投加载体以改善其污水处理能力，其中微生物载体包括悬浮填料、弹性填料、细颗粒流动载体等。这种载体对微生物的生长代谢极为有利，而微生物的生长代谢又是污水处理的关键过程。因此，一种合适的载体材料对目前许多工艺的改进来说至关重要，以便加强对细菌、病毒等污染物的处理效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水处理微生物高流动载体材料、制备方法及水处理方法，本发明的载体材料应用于活性污泥工艺中可以增强微生物活性，提高细菌、病毒和常规污染物的去除率，吸附并去除污水中难降解有机物，增强系统抗有机负荷能力，并改善高活性污泥的沉降性能，提高剩余污泥脱水性能等；同时还可应用于当前疫情形势下，对细菌、病毒等污染物的应急强化处理。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种水处理微生物高流动载体材料，所述载体材料由以下重量份原料制备而成：膨润土40份-60份、淀粉40份-60份、粉煤灰10份-20份、羟基磷灰石10份-20份、磁粉8份-13份、凹凸棒土1份-4份、碳酸钙2份-6份和碳粉2份-8份。

上述方案进一步优选的，所述载体材料由以下重量份原料制备而成：膨润土52份、淀粉48份，粉煤灰15份、羟基磷灰石16份、磁粉10份、凹凸棒土2份，碳酸钙3份、碳粉5份。

上述方案进一步优选的，所述蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构。

上述方案进一步优选的，所述粉煤灰的粒径为10μm-40μm，粉煤灰中SiO₂的含量占50％，Al₂O₃的含量占28％，Fe₂O₃的含量占6％。

上述方案进一步优选的，所述高流动载体材料由膨润土、粉煤灰、羟基磷灰石、淀粉、凹凸棒土、碳酸钙、碳粉和磁粉通过改性混合制得，其具体改性方法包括：

步骤1：将膨润土、粉煤灰和羟基磷灰石与凹凸棒土、碳酸钙、磁粉和碳粉按重量份数比例混合，然后放入球磨罐中，用球磨机磨至10μm-20μm后混匀，获得均匀混合的材料，球磨机以800r/min-1000r/min的转速运行10min-30min；

步骤2：向均匀混合的材料中加入蒸馏水，使混合的材料中含水率保持在40％-50％，用玻璃棒搅拌均匀，获得具有粘性和塑性的均匀混合材料；

步骤3：将具有粘性和塑性的混合材料通过压力喷雾干燥机制成含水率为2％-5％，粒径为260μm-500μm的颗粒；

步骤4：将成型的颗粒材料放在400℃-600℃的马弗炉内预烧15 min-25min，然后再进行950℃-1050℃高温焙烧25min-35min，随炉冷却后取出，制成颗粒载体；

步骤5：将制成的颗粒载体投加至淀粉中进行混合，获得所需高流动动载体材料。

上述方案进一步优选的，所述颗粒载体与淀粉按质量比2:1进行混合，所述颗粒载体投加量为50-600mg/L，所述载体材料比表面积为100-500m²/g，孔隙率60％-80％。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种水处理微生物高流动载体材料的污水处理方法，将污水通入单向或闭环的氧化环境中，并在氧化环境中进气曝气，使污水处于动态的氧化环境中，投入高流动载体材料，使污水与高流动载体材料以一定速度充分翻动接触，实现污水处理，所述高流动载体材料由膨润土、粉煤灰、羟基磷灰石、淀粉、凹凸棒土、碳酸钙、碳粉和磁粉通过改性混合制得。

上述方案进一步优选的，将污水通入单向连通的厌氧池、缺氧池和好氧池的氧化环境中，在厌氧池和缺氧池内通过潜水搅拌器形成厌氧和缺氧环境，使污水在搅拌中处于旋转流动状态，且在好氧池底分布有微孔曝气头，使好氧池内污水维持稳定的溶解氧，在好氧池内投入高流动载体材料，并且给予载体材料良好的流化条件，使污水与高流动载体材料以一定速度充分旋转流动接触，实现污水处理。

上述方案进一步优选的，将污水通入封闭的闭合式环形氧化沟环境中，投入高流动载体材料，在环形氧化沟环境中通过潜水推流器和曝气设备，使污水在闭合式环形氧化沟中以一定速度循环流动的状态，载体材料与污水共同流动过程中充分接触，实现污水处理。

在本发明使用的材料中，膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构，蒙脱石晶胞形成的层状结构中存在的阳离子种类不同，其物理化学性质也不同，晶胞中的金属阳离子和羟基亲水基使得膨润土具有较高的吸水性，导致层间距加大，自身体积膨胀，进一步增大表面积，蒙脱石的粒径为3μm-10μm。研究表明，膨润土对微生物的生长存在明显影响，能提高系统对氨氮的去除率且有极好的脱色效果。所述粉煤灰是煤粉燃烧过程中生成的残渣，其主要成分是SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，其中，粉煤灰中SiO₂的含量占50％，Al₂O₃的含量占28％，Fe₂O₃的含量占6％，对污染物质主要进行物理吸附，研究表明，投加粉煤灰可以缩短系统的缺氧搅拌时间和曝气时间。所述羟基磷灰石(HAP)是人体和动物骨骼的主要无机成分，其具有优良的生物相容性和生物活性，当微生物吸附于载体材料时，对微生物具有一定的促进和活化作用。所述淀粉则具有一定的絮凝作用，且可为微生物提供适当的营养源，使载体材料更易于微生物生长,加快挂膜启动；碳粉主成分为活性炭，且活性炭的比表面积为500-1800m²/g，粒径范围为25μm-250μm；具有对异物较强的吸附能力和清除能力。研究表明，弱磁场可大大提高废水的生物降解效率，在水中加入磁粉可平衡微生物的生长与死亡,防止污泥膨胀，提高处理效率。在本发明中，所述水处理微生物高流动载体材料可以成为菌胶团的核心和污泥絮凝体骨架，改善絮凝体结构，增强絮凝体强度和密度，降低污泥塑性，可有效避免因丝状菌过度繁殖而引起的污泥膨胀，同时也有利于衰亡微生物的脱落和再生，而且还可有效抑制水中藻类生物的过度繁殖和生长，对微污染原水、富营养化水体等含磷浓度较低的水环境进行净化，具有良好的应用前景。

凹凸棒土为纳米凹凸棒土，其纳米凹凸棒土的粒径为20μm-60μm，凹凸棒土(palygorskite)又称坡缕石，因其具层、链、纤维状晶体结构和纳米级孔穴通道微观构造而具吸附性、缓释性、分散性、悬浮性和离子强交换性等性质，它含有生命体所需的多种微量元素。凹凸棒土为多孔晶体结构，而且有较大的比表面积及一定的阳离子交换容量，可以改善对水分的通透性能，凹凸棒土由于具有较高的阳离子交换容量和比表面积，使其能够吸附和络合重金属离子，从而降低污水中重金属残留及降低污水中有害物质的残留，凹凸棒土常与本发发明中其它非生物材料复合使用，结果不仅可以提高污水吸附效率，而且不容易造成水体二次污染。

综上所述，由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

(1)、本发明通过制备所述水处理微生物高流动载体材料，将其应用于活性污泥工艺中，可极大地增强活性污泥法的处理效果。首先载体材料为微生物生长提供更大的附着表面，微生物在表面附着并形成生物膜，从而提高了微生物量及浓度；其次，表面积的增大又可以增强载体材料的吸附和絮凝作用，增大微生物与有机污染物质的反应机率与时间，从而增强微生物活性和新陈代谢作用，达到提高系统处理效果的目的，而且所需原料成本低廉，分布广泛，对保护环境、节约资源起到重要作用。

(2)、高流动载体材料具有主动调控微生物生长的微环境，对微生物具有促进和活化作用；该载体中含有微生物生长所必需的常量和微量矿物元素，为微生物提供适当营养源；比表面积大，为微生物提供了更大的附着条件，有利于微生物生长并保护其免受水力剪切力的影响，而且在污水流化过程中对污染物也具有吸附作用，使得微生物生长所需要的营养物质在载体表面富集，因而容易形成生物膜；载体材料内部有较大的孔隙度，可以容纳不断增殖的微生物，使得载体内细胞浓度增大，加快生物膜形成和提高水处理效率。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

实施例一，

本实施例提供了一种水处理微生物高流动载体材料，所述高流动载体材料由以下重量份原料制备而成：膨润土60份、淀粉40份、粉煤灰10份、羟基磷灰石10份、磁粉8份、凹凸棒土1份、碳酸钙2份和碳粉2份；所述蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构。所述粉煤灰是煤粉燃烧过程中生成的残渣，其主要成分是SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃；

本实施例还提供了一种水处理微生物高流动载体材料的制备方法，所述高流动载体材料由膨润土60份、淀粉40份，粉煤灰10份、羟基磷灰石10份、磁粉8份、凹凸棒土1份、碳酸钙2份和碳粉2份通过改性混合制得，其具体改性制备方法包括：

步骤1：将膨润土、粉煤灰和羟基磷灰石与凹凸棒土、碳酸钙、磁粉和碳粉按重量份数比例混合，然后放入球磨罐中，用球磨机磨至10μm后混匀，获得均匀混合的材料，球磨机以1000r/min的转速运行10min；

步骤2：向均匀混合的材料中加入蒸馏水，使混合的材料中含水率保持在40％，用玻璃棒搅拌均匀，获得具有粘性和塑性的均匀混合材料；

步骤3：将具有粘性和塑性的混合材料通过压力喷雾干燥机制成含水率为2％，粒径为260μm的颗粒；

步骤4：将成型的颗粒材料放在400℃的马弗炉内预烧25min，然后再进行950℃高温焙烧35min，随炉冷却后取出，制成颗粒载体；

步骤5：将制成的颗粒载体投加至淀粉中进行混合，获得所需高流动动载体材料；所述颗粒载体与淀粉按质量比2:1进行混合，所述颗粒载体投加量为50mg/L，制得所述载体材料比表面积为100m²/g，孔隙率60％。

实施例二，

本实施例提供了一种水处理微生物高流动载体材料，所述高流动载体材料由以下重量份原料制备而成：膨润土40份、淀粉60份、粉煤灰20份、羟基磷灰石20份、磁粉13份、凹凸棒土4份、碳酸钙6份和碳粉8份；所述蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构。所述粉煤灰是煤粉燃烧过程中生成的残渣，其主要成分是SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃；

本实施例还提供了一种水处理微生物高流动载体材料的制备方法，所述高流动载体材料由膨润土40份、淀粉60份、粉煤灰20份、羟基磷灰石20份、磁粉13份、凹凸棒土4份、碳酸钙6份和碳粉8份通过改性混合制得，其具体改性制备方法包括：

步骤1：将膨润土、粉煤灰和羟基磷灰石与凹凸棒土、碳酸钙、磁粉和碳粉按重量份数比例混合，然后放入球磨罐中，用球磨机磨至20μm后混匀，获得均匀混合的材料，球磨机以1000r/min的转速运行10min；

步骤2：向均匀混合的材料中加入蒸馏水，使混合的材料中含水率保持在40％-50％，用玻璃棒搅拌均匀，获得具有粘性和塑性的均匀混合材料；

步骤3：将具有粘性和塑性的混合材料通过压力喷雾干燥机制成含水率为5％，粒径为500μm的颗粒；

步骤4：将成型的颗粒材料放在600℃的马弗炉内预烧15min，然后再进行1050℃高温焙烧25min，随炉冷却后取出，制成颗粒载体；

步骤5：将制成的颗粒载体投加至淀粉中进行混合，获得所需高流动动载体材料；所述颗粒载体与淀粉按质量比2:1进行混合，所述颗粒载体投加量为600mg/L，制得所述载体材料比表面积为500m²/g，孔隙率80％。

实施例三

本实施例提供了一种水处理微生物高流动载体材料，所述高流动载体材料由以下重量份原料制备而成：膨润土50份、淀粉50份、粉煤灰15份、羟基磷灰石15份、磁粉10份、凹凸棒土2份、碳酸钙3份和碳粉5份；所述蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构。所述粉煤灰是煤粉燃烧过程中生成的残渣，其主要成分是SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃；

本实施例还提供了一种水处理微生物高流动载体材料的制备方法，所述高流动载体材料由膨润土50份、淀粉50份、粉煤灰15份、羟基磷灰石15份、磁粉10份、凹凸棒土2份、碳酸钙3份和碳粉5份通过改性混合制得，其具体改性制备方法包括：

步骤1：将膨润土、粉煤灰和羟基磷灰石与凹凸棒土、碳酸钙、磁粉和碳粉按重量份数比例混合，然后放入球磨罐中，用球磨机磨至15μm后混匀，获得均匀混合的材料，球磨机以900r/min的转速运行20min；

步骤2：向均匀混合的材料中加入蒸馏水，使混合的材料中含水率保持在45％，用玻璃棒搅拌均匀，获得具有粘性和塑性的均匀混合材料；

步骤3：将具有粘性和塑性的混合材料通过压力喷雾干燥机制成含水率为3％-3.5％，粒径为360μm-400μm的颗粒；

步骤4：将成型的颗粒材料放在500℃的马弗炉内预烧20min，然后再进行1000℃高温焙烧30min，随炉冷却后取出，制成颗粒载体；

步骤5：将制成的颗粒载体投加至淀粉中进行混合，获得所需高流动动载体材料；所述颗粒载体与淀粉按质量比2:1进行混合，所述颗粒载体投加量为400-500mg/L，制得所述载体材料比表面积为300-400m²/g，孔隙率70％。

实施例四

将污水通入由依次连接的厌氧池、缺氧池和好氧池中，其中，本污水主要成分，COD为375 mg/L，BOD为143 mg/L，NH3-N为36 mg/L，在厌氧池和缺氧池内通过潜水搅拌器形成厌氧和缺氧环境，使污水在搅拌中处于旋转流动状态，且在好氧池底分布有微孔曝气头，使好氧池内污水维持稳定的溶解氧，好氧池溶解氧维持3-4mg/L左右，在好氧池内投入500mg/L高流动载体材料，并且给予高流动载体材料良好的流化条件，使污水与高流动载体材料以一定速度充分旋转流动接触，依靠曝气带来的水力条件使填料和污水接触以实现污水处理，而且维持填料和污水接触时间不少于8小时，旋转流动过程中实现载体材料与细菌、病毒和常规污染物以及微生物之间的充分混合接触，所述水处理微生物高流动载体材料可以成为菌胶团的核心和污泥絮凝体骨架，改善絮凝体结构，增强絮凝体强度和密度，降低污泥塑性，可有效避免因丝状菌过度繁殖而引起的污泥膨胀；在该实施例中采用实例一的制备方法所述制得的高流动载体材料进行污水处理，其中污水中的COD去除率94.5％，BOD去除率93.2％，NH₃-N去除率87％。

实施例五

本实施例的污水处理采用封闭的环形氧化沟工艺，其中，本实施例中，污水水质COD为400mg/L，BOD为140 mg/L，NH₃-N为30 mg/L，将污水通入封闭的闭合式环形氧化沟环境中，投入600mg/L高流动载体材料，在环形氧化沟环境中通过潜水推流器和曝气设备，使污水在闭合式的渠道(环形氧化沟)中以一定速度循环流动，载体材料与污水共同流动中达到充分接触，并且氧化沟工艺具有较长的水力停留时间为10小时，可让载体材料充分挂膜，在该实施例中采用实例三的制备方法所述制得的高流动载体材料进行污水处理，COD去除率95％，BOD去除率94％，NH₃-N去除率90％。

本发明将制备得到载体材料应用于活性污泥工艺中，可以为微生物生长提供更大的附着表面，从而提高了微生物量及浓度、也利于二沉池中的泥水分离过程，微生物的附着、生长代谢又可以增强载体材料对污染物的吸附和絮凝作用，从而增强微生物活性和新陈代谢作用，达到提高系统处理效果的目的，所述水处理微生物高流动载体材料可以成为菌胶团的核心和污泥絮凝体骨架，改善絮凝体结构，增强絮凝体强度和密度，降低污泥塑性，可有效避免因丝状菌过度繁殖而引起的污泥膨胀，同时也有利于衰亡微生物的脱落和再生。而且所需原料成本低廉，分布广泛，对保护环境、节约资源起到重要作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水处理微生物高流动载体材料的制备方法，其特征在于：所述高流动载体材料由以下重量份原料制备而成：膨润土40份-60份、淀粉40份-60份、粉煤灰10份-20份、羟基磷灰石10份-20份、磁粉8份-13份、凹凸棒土1份-4份、碳酸钙2份-6份和碳粉2份-8份；所述膨润土中所含的蒙脱石是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构构成,所述凹凸棒土为纳米凹凸棒土，其纳米凹凸棒土的粒径为20μm-60μm；

所述高流动载体材料由膨润土、粉煤灰、羟基磷灰石、淀粉、凹凸棒土、碳酸钙、碳粉和磁粉通过改性混合制得，其具体改性方法包括：

步骤1：将膨润土、粉煤灰和羟基磷灰石与凹凸棒土、碳酸钙、磁粉和碳粉按重量份数比例混合，然后放入球磨罐中，用球磨机磨至10μm-20μm后混匀，获得均匀混合的材料，球磨机以800r/min-1000r/min的转速运行10min-30min；

步骤2：向均匀混合的材料中加入蒸馏水，使混合的材料中含水率保持在40％-50％，用玻璃棒搅拌均匀，获得具有粘性和塑性的均匀混合材料；

步骤3：将具有粘性和塑性的混合材料通过压力喷雾干燥机制成含水率为2％-5％，粒径为260μm-500μm的颗粒；

步骤4：将成型的颗粒材料放在400℃-600℃的马弗炉内预烧15min-25min，然后再进行950℃-1050℃高温焙烧25min-35min，随炉冷却后取出，制成颗粒载体；

步骤5：将制成的颗粒载体投加至淀粉中进行混合，获得所需高流动载体材料。

2.根据权利要求1所述的一种水处理微生物高流动载体材料的制备方法，其特征在于：所述载体材料由以下重量份原料制备而成：膨润土52份、淀粉48份，粉煤灰15份、羟基磷灰石16份、磁粉10份、凹凸棒土2份，碳酸钙3份、碳粉5份。

3.根据权利要求1或2所述的一种水处理微生物高流动载体材料的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰的粒径为10μm-40μm，粉煤灰中SiO₂的含量占50％，Al₂O₃的含量占28％，Fe₂O₃的含量占6％。

4.根据权利要求1所述的一种水处理微生物高流动载体材料的制备方法，其特征在于：所述颗粒载体与淀粉按质量比2:1进行混合，所述颗粒载体投加量为50-600mg/L，所述载体材料比表面积为100-500m²/g，孔隙率60％-80％。

5.一种利用权利要求1所述的制备方法制得的高流动载体材料的污水处理方法，其特征在于：将污水通入单向或闭环的氧化环境中，并在氧化环境中进气曝气，使污水处于动态的氧化环境中，投入高流动载体材料，使污水与高流动载体材料以一定速度充分翻动接触，实现污水处理，所述高流动载体材料由膨润土、粉煤灰、羟基磷灰石、淀粉、凹凸棒土、碳酸钙、碳粉和磁粉通过改性混合制得；将污水通入单向连通的厌氧池、缺氧池和好氧池的氧化环境中，在厌氧池和缺氧池内通过潜水搅拌器形成厌氧和缺氧环境，使污水在搅拌中处于旋转流动状态，且在好氧池底分布有微孔曝气头，使好氧池内污水维持稳定的溶解氧，氧池溶解氧维持3-4mg/L，在好氧池内投入500mg/L高流动载体材料，并且给予载体材料良好的流化条件，使污水与高流动载体材料以一定速度充分旋转流动接触，实现污水处理。

6.根据权利要求5所述的污水处理方法，其特征在于：将污水通入封闭的闭合式环形氧化沟环境中，投入高流动载体材料，在环形氧化沟环境中通过潜水推流器和曝气设备，使污水在闭合式环形氧化沟中以一定速度循环流动的状态，载体材料与污水共同流动过程中充分接触，实现污水处理。