CN112142208B - 一种脱氮除磷活性生物载体及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脱氮除磷活性生物载体及其应用。所述脱氮除磷活性生物载体由磁铁矿粉、硫磺粉和菱铁矿粉经成型造粒得到；科将磁铁矿粉、硫磺粉、菱铁矿粉、粘结剂和致孔剂混合，然后加入水搅拌均匀，进行成型；或者将磁铁矿粉、硫磺粉、菱铁矿粉和粘结剂混合，然后依次加入发泡剂和水，搅拌均匀，进行成型。本发明提供的基于磁铁矿、硫磺和菱铁矿组合的同步脱氮除磷材料，所述颗粒物既作为微生物载体，又作为微生物电子供体和除磷材料，应用于微污染水的深度处理，能够强化污水厂二级处理出水深度脱氮除磷处理效果。

Description

一种脱氮除磷活性生物载体及其应用

技术领域

本发明涉及一种脱氮除磷活性生物载体及其应用，属于污(废)水深度处理领域。

背景技术

由于我国经济快速发展、城市化进程加快，大量营养元素氮磷进入湖泊等水体，导致诸如巢湖、太湖、滇池等湖泊以及城市景观水体严重的富营养化。为了控制环境污染，国家投入巨资进行城市污水处理设施建设，但很多情况下生活污水经过二级处理难以达到国家一级A排放标准。另外，废水资源化是发展趋势，生活污水厂二级处理出水需要进一步脱氮除磷才能满足废水资源化应用要求。

传统反硝化技术需要消耗大量有机物，而污水厂二级处理出水中碳源严重不足，脱氮效果极差。目前国内外研究主要关注利用硫磺的反硝化系统，可在缺氧或厌氧条件下利用硫磺作为电子供体，通过氧化还原态的硫获取能量，同时以硝酸盐为电子受体，将其还原为氮气，从而实现反硝化过程。但硫磺反硝化会导致处理后的污水pH降低，影响后续处理或排放，因此，硫磺反硝化通常和石灰石结合运用，缓解pH变化的问题，但该系统存在出水硬度较高、石灰石生物利用率低等缺点(如CN201910332916.X公开的方法)。近期有学者采用硫磺和菱铁矿结合的形式，解决了上述问题，同时硫单质和亚铁离子相互协同，促进了体系的反硝化处理效果，如中国专利CN201811113486.4，公开了一种脱氮除磷活性生物载体、其制备方法及其应用，该脱氮除磷活性生物载体的基底为硫磺，表面及内部嵌入了大量菱铁矿颗粒，在不改变其组成的情形下，用物理法制成具有新型结构的一体化复合生物载体。该生物载体中除了硫磺可以参与硫型自养反硝化过程，菱铁矿也能参与铁型自养反硝化过程辅助脱氮，同时菱铁矿能够辅助实现pH的自动调节，生成的亚铁离子可以用于磷的脱除和反硝化脱氮过程。但是该复合生物载体仍然存在自养反硝化功能菌富集缓慢，处理工艺启动运行周期长的问题；同时在水力停留时间较短时，该生物载体体系脱氮效率降低，而且伴有少量亚硝态氮等中间产物剩余，菱铁矿对体系中磷的去除效果没有明显提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种脱氮除磷活性生物载体及其应用，采用磁铁矿、硫磺和菱铁矿制备得到，能够强化污水厂二级处理出水深度脱氮除磷处理效果，以解决现有技术中存在的问题。

本发明所提供的脱氮除磷活性生物载体，由磁铁矿粉、硫磺粉和菱铁矿粉经成型造粒得到。

具体地，将所述磁铁矿粉、所述硫磺粉、所述菱铁矿粉、粘结剂和致孔剂混合，然后加入水搅拌均匀，进行成型；可采用成球机制成球形颗粒，在室温、100饱和湿度条件下养护20天以上；

混合物料中各组分的质量百分比如下：

硫磺粉15～20％，菱铁矿粉45～60％、磁铁矿粉15～20％、粘结剂5～14％、致孔剂0～5％，但不为零；

所述水的加入量为所述混合物料质量的20～40％；

各组分的质量百分比具体可为：

硫磺粉20％、菱铁矿粉60％、磁铁矿粉10％、粘结剂8％、致孔剂2％；

所述水的加入量为所述混合物料质量的25％。

具体地，将所述磁铁矿粉、所述硫磺粉、所述菱铁矿粉和粘结剂混合，然后依次加入发泡剂和水，搅拌均匀，进行成型，在室温、饱和湿度条件下养护20天以上养护；

混合物料中各组分的质量百分比如下：

硫磺粉15～20％，菱铁矿粉45～55％、磁铁矿粉10～20％、粘结剂15～20％；

所述发泡剂的加入总量为所述混合物料质量的1～2％；

所述水的加入量为所述混合物料质量的30～50％。

各组分的质量百分比具体可为：

硫磺粉17％、菱铁矿粉50％、磁铁矿粉17％、粘结剂16％；

所述发泡剂的加入总量为所述混合物料质量的2％；

所述水的加入量为所述混合物料质量的30％。

所述脱氮除磷活性生物载体呈球形，粒径为3～8mm。

所述粘结剂可为水泥或水玻璃；

所述致孔剂可为秸秆碎屑、纸浆纤维或造纸厂富含纤维的废物。

所述发泡剂为铝粉；

所述磁铁矿粉、所述硫磺粉和所述菱铁矿粉均过40目筛；分别由磁铁矿矿石(磁铁矿含量不小于60％)、硫磺(硫含量不小于80％)和菱铁矿矿石(菱铁矿含量不小于60％)破碎得到。

本发明脱氮除磷活性生物载体可以用于水处理领域深度脱氮除磷中，可以作为填料或滤料应用于填充床或固定床滤池中，实现同步脱氮除磷功能。应用时，把制备的颗粒材料以自然堆积的方式装填到固定床反应器，用下降流方式向反应器输入欲处理的废水，在固定床反应器的不同部位形成不同的微生物分带，上部进水溶解氧浓度高，为好氧微生物代谢有机污染物和氨氮硝化作用为主，从中部向下微生物逐步从兼性菌向厌氧菌过度，厌氧微生物依赖硝酸盐的硫杆菌和铁氧化菌，以颗粒材料中的硫磺和菱铁矿为电子供体，佐以磁铁矿强化还原硝酸盐，同时菱铁矿和磁铁矿强化磷的去除。

本发明通过添加磁铁矿，加速富集能够胞外电子传递的微生物，缩短工艺启动运行时间，促进硫杆菌等微生物的胞外电子传递，减少反硝化中间产物剩余，提高脱氮处理效果。另外，磁铁矿周围可以富集出铁还原菌，还原磁铁矿中的三价铁为亚铁离子，提高体系中亚铁离子浓度，为铁型自养反硝化提供铁源，同时更高效地获得亚铁离子和磷酸盐结合产生的可回收蓝铁石结晶，实现污水资源化。

本发明提供的基于磁铁矿、硫磺和菱铁矿组合的同步脱氮除磷材料，所述颗粒物既作为微生物载体，又作为微生物电子供体和除磷材料，应用于微污染水的深度处理。

附图说明

图1为柱型下降流反应器的结构示意图。

图中各标记如下：

1进水泵；2进水管；3出水泵；4出水管；5活性生物载体；6承托层及滤板；7反冲洗水泵；8反冲洗进水管；9鼓风机；10反冲洗气路；11带阀门的反冲洗出水管。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、脱氮除磷活性生物载体的制备及应用

选择硫磺、菱铁矿矿石、磁铁矿矿石，其中，硫含量不小于80％，菱铁矿含量不小于60％，磁铁矿含量不小于60％。

分别把硫磺、菱铁矿矿石、磁铁矿矿石破碎过40目。

按照下述质量百分比：硫磺粉20％、菱铁矿粉60％、磁铁矿粉10％、粘结剂8％、致孔剂2％，称取物料，其中，粘结剂为水泥，致孔剂为纸浆纤维，混合均匀，加入混合物料质量比25％的水搅拌均匀，用成球机把混合物料成球，球直径3～8mm，在室温、100饱和湿度条件下养护20天以上。

如图1所示，应用本发明脱氮除磷活性生物载体时，将其装填于柱形下降流反应器中，填充比为60％，工作的大致过程如下：在反应器内部填充活性生物载体5。污水厂二级处理出水经进水泵2抽取由进水管1输送至反应器内，水流采用下降流形式，二级出水从上向下依次流经反应器已成功挂膜的活性生物载体5接触完成反硝化过程，最后经出水泵3抽取由出水管6流出。当反应器发生堵塞，关闭进水泵1和出水泵3，反应器处理出水经反冲洗水泵7由反冲洗水管8输送至反应器内，氮气经鼓风机9由反冲洗气路输送至反应器内，每次反冲30秒，重复多次直至反应器不再堵塞，反冲洗水从带阀门的反冲洗出水管11流出。

取某污水处理厂活性污泥，注入上述反应器中浸泡活性生物载体48h。之后将柱形下降流反应器的水力停留时间设置为1h，用泵将含培养基的待脱氮水体稳定的输送进反应器中，进行动态培养和驯化，每隔48h取样测试一次，直到驯化出水中硝酸盐氮和总磷的浓度达到稳定，时间为60天，富集的功能微生物的生物量为1.0×10⁹细胞数/mm²，然后开始按照正常条件进水处理。在水力停留时间为6h的运行条件下，处理后的出水TN低于1mg/L，TP低于0.1mg/L，满足国家一级A排放标准。

当运行出水不能满足排放或者水资源化要求时，表明材料提供电子或除磷能力失效，更换新的颗粒材料，废弃物颗粒状含有较高磷的材料，可以用于花卉无土栽培。

以硫磺粉和菱铁矿粉为原料制备生物载体，作为对照。其中，硫磺粉23％、菱铁矿粉67％、粘结剂8％、致孔剂2％，按照上述方法制备。

将该生物载体进行上述处理实验，启动时间为90天，富集的功能微生物的生物量为6.9×10⁸细胞数/mm²，在水力停留时间为6h的运行条件下，处理后的出水TN高于5mg/L。

对比可知，硫磺粉、菱铁矿粉和磁铁矿粉复合的生物材料较硫磺粉和菱铁矿粉复合的生物材料，启动时间由90天缩短为60天，减少了1/3，富集的功能微生物的生物量明显提升，达到1.0×10⁹细胞数/mm²，TN去除效果也显著提高。

实施例2、脱氮除磷活性生物载体的制备及应用

选择硫磺、菱铁矿矿石、磁铁矿矿石，其中，硫含量不小于80％，菱铁矿含量不小于60％，磁铁矿含量不小于60％。

分别把硫磺、菱铁矿矿石、磁铁矿矿石破碎过100目。

按照如下质量比配料：硫磺粉17％、菱铁矿粉50％、磁铁矿粉17％、水泥粘结剂16％、发泡剂2％，其中发泡剂为铝粉；混合均匀，再加入混合物料质量比30％的水，混合均匀、成型为4～8mm的颗粒，在室温、100饱和湿度条件下养护20天以上。

将本实施例的脱氮除磷活性生物载体装填于图1所示的柱形下降流反应器中，填充比为60％。按照实施例1中的方法处理污水。在水力停留时间为6h的运行条件下，处理后的出水TN低于1mg/L，TP低于0.1mg/L，满足国家一级A排放标准。

当运行出水不能满足排放或者水资源化要求时，表明材料提供电子或除磷能力失效，更换新的颗粒材料，废弃物颗粒状含有较高磷的材料，可以用于花卉无土栽培。

Claims (2)

1.一种脱氮除磷活性生物载体在水处理中的应用；

所述脱氮除磷活性生物载体脱除水中的氮和磷；

将所述脱氮除磷活性生物载体作为填料应用于填充床中；

所述水为污水厂二级处理出水；

其特征在于：

所述脱氮除磷活性生物载体由磁铁矿粉、硫磺粉和菱铁矿粉经下述1）或2）的成型造粒方式得到；

1）将所述磁铁矿粉、所述硫磺粉、所述菱铁矿粉、粘结剂和致孔剂混合，然后加入水搅拌均匀，进行成型；

所述磁铁矿粉、所述硫磺粉和所述菱铁矿粉均过40目筛；

混合物料中各组分的质量百分比如下：硫磺粉20％、菱铁矿粉60％、磁铁矿粉10％、水泥粘结剂8％、纸浆纤维致孔剂2％；

所述水的加入量为所述混合物料质量的25%；

2）将所述磁铁矿粉、所述硫磺粉、所述菱铁矿粉和粘结剂混合，然后依次加入发泡剂和水，搅拌均匀，进行成型；

所述磁铁矿粉、所述硫磺粉和所述菱铁矿粉均过100目筛；

混合物料中各组分的质量百分比如下：硫磺粉17％、菱铁矿粉50％、磁铁矿粉17％、水泥粘结剂16％；

所述发泡剂加入总量为所述混合物料质量的2%；

所述发泡剂为铝粉；

所述水的加入量为所述混合物料质量的30%；

所述脱氮除磷活性生物载体呈球形，粒径为 4~8mm；

所述脱氮除磷活性生物载体强化自养反硝化菌的种间电子传递。

2.一种脱氮除磷活性生物载体在水处理中的应用；

所述脱氮除磷活性生物载体脱除水中的氮和磷；

将所述脱氮除磷活性生物载体作为滤料应用于固定床滤池中；

所述水为污水厂二级处理出水；

其特征在于：

所述脱氮除磷活性生物载体由磁铁矿粉、硫磺粉和菱铁矿粉经下述1）或2）的成型造粒方式得到；

1）将所述磁铁矿粉、所述硫磺粉、所述菱铁矿粉、粘结剂和致孔剂混合，然后加入水搅拌均匀，进行成型；

所述磁铁矿粉、所述硫磺粉和所述菱铁矿粉均过40目筛；

混合物料中各组分的质量百分比如下：硫磺粉20％、菱铁矿粉60％、磁铁矿粉10％、水泥粘结剂8％、纸浆纤维致孔剂2％；

所述水的加入量为所述混合物料质量的25%；

2）将所述磁铁矿粉、所述硫磺粉、所述菱铁矿粉和粘结剂混合，然后依次加入发泡剂和水，搅拌均匀，进行成型；

所述磁铁矿粉、所述硫磺粉和所述菱铁矿粉均过100目筛；

混合物料中各组分的质量百分比如下：硫磺粉17％、菱铁矿粉50％、磁铁矿粉17％、水泥粘结剂16％；

所述发泡剂加入总量为所述混合物料质量的2%；

所述发泡剂为铝粉；

所述水的加入量为所述混合物料质量的30%；

所述脱氮除磷活性生物载体呈球形，粒径为 4~8mm；

所述脱氮除磷活性生物载体强化自养反硝化菌的种间电子传递。

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