CN112875851A - 一种碳纳米管促进好氧污泥颗粒化处理有机废水方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纳米管促进好氧污泥颗粒化处理有机废水方法，涉及一种处理有机废水方法，所述方法包括配制氯苯胺模拟废水、碳纳米管在SBAR反应器中的投加、反应器的启动与好氧颗粒污泥的培养；该方法以碳纳米管作为诱导凝结核，利用其特殊结构将好氧活性污泥中的微生物吸附固定于其表面，大大缩短了好氧污泥颗粒化的时间，达到强化好氧污泥颗粒性能的目的。形成的污泥颗粒外观形态规则，边缘清晰，结构密实、沉降性能良好，在优化调控后的最佳运行参数下能够长期稳定运行，并且提高了有机废水的处理效率，从而解决了培养好氧颗粒污泥时间长，颗粒污泥性能不稳定、易解体问题。

Description

一种碳纳米管促进好氧污泥颗粒化处理有机废水方法
技术领域
本发明涉及一种有机废水处理方法，特别是涉及一种碳纳米管促进好氧污泥颗粒化处理有机废水方法。
背景技术
好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge, AGS)是活性污泥微生物在好氧环境下通过自固定过程形成结构紧凑、外形规则的密集生物聚合体，是近年来发展起来的一种较为理想的新型废水生物处理技术。与传统絮状活性污泥相比，好氧颗粒污泥具有以下特性：(1) 外观形态规则、轮廓清晰、结构致密；(2) 沉降性能良好，固液分离效果显著；(3)能够维持反应器中较高的污泥浓度和容积负荷，抗冲击负荷能力强；(4) 多样的微生物种群互营共生，有利于同时实现去除有机物和脱氮除磷；(5) 可以减少水处理构筑物占地面积，降低基建投资。自1991年日本学者Mishima和Nakamura利用连续流好氧升流式污泥床首次培养出好氧颗粒污泥以来，该技术已经逐渐成为废水处理领域的研究热点，并被认为是21世纪极具发展前景的废水生物处理工艺。
然而，目前在处理城市污水及工业废水过程中，好氧颗粒污泥的结构及形成过程所存在的一些问题仍成为制约其工艺推广应用的技术瓶颈。这些问题主要表现在：(1) 颗粒形成速度慢。在目前的大部分研究中，好氧颗粒污泥的形成通常需要1～2个月以上的时间，完成反应器前期启动时间较长，且启动过程中易出现污泥膨胀等问题；(2) 好氧颗粒污泥的培养条件苛刻，操作复杂，易解体，如何长期稳定运行仍需进一步的探索，工程化应用缺乏设计参数的技术支撑，亟待建立利于好氧颗粒污泥反应器稳定运行的工艺策略。因此，为了实现真正大规模的将好氧颗粒污泥技术运用于实际废水处理，寻求一种切实可行的快速培养颗粒污泥方法，调控其运行参数来维持颗粒污泥长期稳定运行势在必行。
通过外部投加惰性载体颗粒作为诱导凝结核加速好氧颗粒化是目前常见的一种方法。这种方法的理论基础来自于“凝结核假说”，即在颗粒污泥形成初始投加一些惰性载体颗粒可以起到诱导凝结核的作用，通过吸附作用将微生物附着固定于其上，并使微生物在惰性载体上不断繁殖、生长、聚集，最终形成结构致密、沉降性能良好的好氧颗粒污泥。这种方法省去了微生物细胞碰撞聚集成小颗粒的时间，从而加快好氧污泥颗粒化的进程。常见的投加惰性载体包括粉末活性炭、细土、石灰、水晶微粉等无机颗粒物。然而，利用碳纳米管作为凝结核促进好氧污泥颗粒化的相关研究目前国内外尚未见有报道，而与之相关的好氧颗粒污泥反应器稳定运行的工艺策略也尚未被提出。
碳纳米管(Carbon nanotube)是由石墨原子单层或多层绕同轴缠绕而成的一维管状纳米材料。碳纳米管的碳原子经sp2杂化形成六边形网状结构，即每个碳原子和相邻的3个碳原子相连，其结构如图1所示。
按照石墨烯原子层数可分为单壁和多壁碳纳米管，其管径一般在1～100纳米，长度在几百纳米至几十微米之间，最长可达毫米级别。目前制备的碳纳米管比表面积通常为100～400平方米/克。多壁碳纳米管是由单体的碳纳米管通过范德华力作用形成管束，这样的结构使其具有两类孔隙：单体碳纳米管的中空管腔(通常为几纳米)及碳纳米管之间在形成管束时产生的间隙(通常为几十纳米)。相比传统活性炭的单一微孔结构，碳纳米管同时存在微孔以及介孔结构，这是碳纳米管吸附性能的基础。另外，碳纳米管具有良好的化学惰性、较小的密度、灵活可变的亲水性及憎水性，使其成为非常良好的吸附材料。除了对无机离子、金属离子和有机物具有吸附作用外，碳纳米管还表现出良好的生物吸附容量，这对于促进好氧污泥颗粒化的研究具有重要的意义。针对微生物的吸附，碳纳米管表现出三个基本特性：首先，对比其他的传统吸附剂，碳纳米管的细菌吸附容量最高；其次，碳纳米管对微生物具有选择吸附特性；最后碳纳米管对微生物的吸附发生非常迅速，几乎是瞬时的。这些特性为碳纳米管促进好氧污泥颗粒化奠定了良好的理论基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纳米管促进好氧污泥颗粒化处理有机废水方法，本发明基于好氧颗粒污泥的“凝结核假说”，投加碳纳米管作为诱导凝结核，加速好氧污泥的颗粒化，并通过调控其工艺参数使好氧颗粒污泥能够长期稳定运行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种碳纳米管促进好氧污泥颗粒化处理有机废水方法，所述方法包括以下步骤：
1）配制氯苯胺模拟废水
用自来水配制含对氯苯胺的模拟废水，其组分包括：0.5～4.0克/升丙酸钠(或葡萄糖)，0.1～1.0克/升(NH4)2SO4(或NH4Cl)，0.05～0.5克/升MgSO4·7H2O，0.05～2.0 克/升KH2PO4，0.05～2.0 克/升K2HPO4，0.01～0.05克/升CaSO4，20～150毫克/升对氯苯胺，采用10%的HCl和NaOH将模拟废水的pH调节至7.0；配制的模拟废水中化学需氧量浓度为500～3000毫克/升，氨氮浓度为25～500毫克/升；
2） 碳纳米管在SBAR反应器中的投加
试验采用序批式上升流活性污泥反应器工艺；取污泥浓度(MLSS)为1000～8000毫克/升的好氧活性污泥投加到SBAR反应器中，不添加任何的营养物质，连续曝气24小时后静置30分钟，倒出上清液；将0.5～3克的碳纳米管投加到SBAR反应器中，开始连续运行后将对氯苯胺模拟废水注入反应器；
3） 反应器的启动与好氧颗粒污泥的培养
从第一次进水到第二次进水形成一个运行周期，每天运行周期为2～8，每个运行周期时间为3～12小时；其中，每个周期内，进水时间设定为2～20分钟，曝气时间为100～600分钟，沉降时间为2～20分钟，排水时间为2～30分钟，曝气量为0.5～3.0厘米/秒，水中溶解氧为2～10毫克/升，水力停留时间为2～12小时，水利剪切力为0.5～3.0厘米/秒；体积交换率为30～80%。
所述的一种碳纳米管促进好氧污泥颗粒化处理有机废水方法，所述反应器启动运行过程中，定期观察好氧颗粒污泥粒径、外观形态、污泥浓度、沉降性能、密度和完整性系数等性质，并在每个周期定期测定出水水质，分析判断污泥颗粒化程度、颗粒污泥长期运行的稳定程度和对对氯苯胺模拟废水的去除效果。
本发明的优点与效果是：
1.本发明碳纳米管作为一种新型的碳材料，由于比表面积大的特点使其对微生物具备良好的性能，包括对细菌具有较高的吸附容量和较快的吸附速率等，因此本发明以碳纳米管作为诱导凝结核，利用其特殊结构将好氧颗粒污泥中的微生物吸附固定于其表面，从而达到促进好氧污泥颗粒化目的。形成的污泥颗粒性状规则、结构密实、沉降性能良好，具有较强的抗冲击复合能力，从而解决了传统方法培养好氧颗粒污泥时间长，颗粒污泥性能不稳定、易解体等问题，这为发展促进好氧颗粒污泥技术提供新的方法，同时也为解决好氧污泥颗粒技术的实际工程应用提供理论支持。
2.本发明方法以碳纳米管作为诱导凝结核，缩短了好氧污泥颗粒化的时间，强化好氧污泥颗粒性能，形成的污泥颗粒外观形态规则，边缘清晰，结构密实、沉降性能良好，在优化调控后的最佳运行参数下能够长期稳定运行，并且提高了有机废水的处理效率，从而解决了传统方法培养好氧颗粒污泥时间长，颗粒污泥性能不稳定、易解体等问题。
附图说明
图1为 背景技术中介绍碳纳米管结构的示意图；
图2是本发明序批式上升流活性污泥反应器的示意图；
图3是本发明碳纳米管的微观电镜照片(5000×)；
图4是本发明碳纳米管诱导形成好氧颗粒污泥外观扫描电镜照片(400×)。
图中：1. 砂芯曝气头；2. 玻璃转子流量计；3. 增氧泵；4. 时间控制器；5. 潜水泵；6. 进水水箱；7. 电磁阀；8. 进水口；9. 出水口；10. 出水水箱；11. 上升管；12. 下降管；13. 便携式溶解氧测定仪。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
1、配制对氯苯胺模拟废水
用自来水配制含对氯苯胺的模拟废水，其组分包括：0.65克/升丙酸钠，0.09克/升(NH4)2SO4，0.03克/升MgSO4·7H2O，0.05克/升KH2PO4，0.05克/升K2HPO4，0.03克/升CaSO4，50毫克/升对氯苯胺，采用10%的HCl和NaOH将模拟废水的pH调节至7.0左右。配制的模拟废水中COD浓度为500毫克/升，氨氮浓度为25毫克/升。
2、碳纳米管投加到SBAR反应器
试验采用装置为自行设计和组装的SBAR活性污泥反应器。该反应器的主体为双壁圆柱形有机玻璃容器，总容积7.85升，有效容积为7升。下降管12高度为100厘米，内径为10厘米，高径比为10:1；上升管11高度为70厘米，内径为5厘米，上升管距底部的间隙为1.5厘米。沿侧壁从下至上在5厘米，30厘米，50厘米，80厘米处分别设置4个排水/进水阀门。反应器开始连续运行后，经ZL25-02G1微型潜水泵5将进水水箱6中的对氯苯胺模拟废水通过最下端进水口8注入反应器中，采用ZCT型电磁阀7控制进水及调节流量，出水通过距反应器底部50厘米的排水口9排出至排水箱10中，并用ZCT型电磁阀7控制排水。反应器内污泥所需的氧气由ACO-004微型增氧泵3提供，通过反应器底部的多孔砂芯曝气头1进行曝气，增氧泵连接KG30S-15玻璃转子流量计2调节曝气量。利用JPB-607A型便携式溶解氧测定仪13在线测定溶解氧浓度DO值。整个运行系统采用时间控制器4控制反应器进水、曝气、沉淀、闲置以及排水各阶段的时间。
实验所用活性污泥为污水处理厂二沉池活性污泥，呈黑褐色，污泥浓度MLSS为7240毫克/升，污泥沉降指数SVI为124毫升/克。不添加任何的营养物质，将活性污泥连续曝气24小时后静置30分钟，倒出上清液，目的是为了去除污泥中携带的有机物，以及激活休眠状态的微生物。取活性污泥注入SBAR反应器中，并用对氯苯胺模拟废水调节污泥浓度MLSS至4000毫克/升左右。将1.5克的多壁碳纳米管投加到SBAR反应器中，开始连续运行后注入对氯苯胺模拟废水定容至7升。
3、反应器的启动与好氧颗粒污泥的培养
从第一次进水到第二次进水形成一个运行周期，经过实验优化调控后的反应器最佳运行参数为：每天运行周期为4，每个运行周期时间为6小时。每个周期内的运行参数如表1所示。其中，曝气量为1.5厘米/秒，水中溶解氧为9毫克/升，水力停留时间为8小时，水利剪切力为1.5厘米/秒。体积交换率为50%。
表1 SBAR反应器的运行参数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
在上述启动条件下，投加碳纳米管作为诱导凝结核的SBAR反应器运行20天后实现活性污泥的完全颗粒化，与相同运行参数下常规制备的好氧颗粒污泥相比，培养时间缩短了25天。碳纳米管诱导形成的颗粒化污泥呈淡黄色，大小分布均匀，外形规则，结构密实，粒径分布在1～2毫米，孔隙度为0.32～0.56，密度为1.824～1.905克/升，污泥浓度MLSS为5140毫克/升，污泥沉降速度为27.67米/小时，SVI为44.84毫升/克。颗粒污泥在反应器中可长期维持稳定运行140天，较常规制备的好氧颗粒污泥延长了40天，期间完整性系数始终大于90%以上。每个周期对模拟废水中对氯苯胺的去除率始终在65%以上，COD去除率在90%以上，氨氮去除率在85%以上，明显好于相同运行条件下常规制备的好氧颗粒污泥反应器的处理效果(对氯苯胺去除率为50%左右，COD去除率为85%左右，氨氮去除率为75%左右)。
实施例2：
1、配制对氯苯胺模拟废水
用自来水配制含对氯苯胺的模拟废水，其组分包括：0.9克/升葡萄糖，0.15克/升NH4Cl，0.05克/升MgSO4·7H2O，0.05克/升KH2PO4，0.05克/升K2HPO4，0.02克/升CaSO4，30毫克/升对氯苯胺，采用10%的HCl和NaOH将模拟废水的pH调节至7.0左右。配制的模拟废水中COD浓度为1000毫克/升，氨氮浓度为50毫克/升。
3、碳纳米管投加到SBAR反应器
试验采用装置为自行设计和组装的SBAR活性污泥反应器。该反应器的主体为双壁圆柱形有机玻璃容器，总容积7.85升，有效容积为7升。下降管12高度为100厘米，内径为10厘米，高径比为10:1；上升管11高度为70厘米，内径为5厘米，上升管距底部的间隙为1.5厘米。沿侧壁从下至上在5厘米，30厘米，50厘米，80厘米处分别设置4个排水/进水阀门。反应器开始连续运行后，经ZL25-02G1微型潜水泵5将进水水箱6中的对氯苯胺模拟废水通过最下端进水口8注入反应器中，采用ZCT型电磁阀7控制进水及调节流量，出水通过距反应器底部50厘米的排水口9排出至排水箱10中，并用ZCT型电磁阀7控制排水。反应器内污泥所需的氧气由ACO-004微型增氧泵3提供，通过反应器底部的多孔砂芯曝气头1进行曝气，增氧泵连接KG30S-15玻璃转子流量计2调节曝气量。利用JPB-607A型便携式溶解氧分析仪13在线测定溶解氧浓度DO值。整个运行系统采用时间控制器4控制反应器进水、曝气、沉淀、闲置以及排水各阶段的时间。
实验所用活性污泥为污水处理厂二沉池活性污泥，呈棕色，污泥浓度MLSS为5430毫克/升，污泥沉降指数SVI为106毫升/克。不添加任何的营养物质，将活性污泥连续曝气24小时后静置30分钟，倒出上清液，目的是为了去除污泥中携带的有机物，以及激活休眠状态的微生物。取活性污泥注入SBAR反应器中，并用对氯苯胺模拟废水调节污泥浓度至4000毫克/升。将2.0克的单壁碳纳米管投加到SBAR反应器中，开始连续运行后注入对氯苯胺模拟废水定容至7升。
3、反应器的启动与好氧颗粒污泥的培养
从第一次进水到第二次进水形成一个运行周期，每天运行周期为5，每个运行周期时间为4.8小时。每个周期内的运行参数如表1所示。其中，曝气量为1.2厘米/秒，水中溶解氧为8毫克/升，水力停留时间为6小时，水利剪切力为1.2厘米/秒。体积交换率为50%。
表1 SBAR反应器的运行参数
Figure 190853DEST_PATH_IMAGE002
在上述启动条件下，投加碳纳米管作为诱导凝结核的SBAR反应器运行30天后实现活性污泥的完全颗粒化，与相同运行参数下常规制备的好氧颗粒污泥相比，培养时间缩短了21天。碳纳米管诱导形成的颗粒化污泥呈淡黄色，大小分布均匀，外形规则，结构密实，粒径分布在2～3毫米，孔隙度为0.53～0.78，密度为1.601～1.683克/升，污泥浓度MLSS为4670毫克/升，污泥沉降速度为22.08米/小时，SVI为48.31毫升/克。颗粒污泥在反应器中可长期维持稳定运行110天，较常规制备的好氧颗粒污泥延长了25天，期间完整性系数始终大于90%以上。每个周期对模拟废水中对氯苯胺的去除率始终在60%以上，COD去除率在85%以上，氨氮去除率在80%以上，明显好于相同运行条件下常规制备的好氧颗粒污泥反应器的处理效果(对氯苯胺去除率为50%左右，COD去除率为80%左右，氨氮去除率为60%左右)。

Claims (2)

1.一种碳纳米管促进好氧污泥颗粒化处理有机废水方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）配制氯苯胺模拟废水
用自来水配制含对氯苯胺的模拟废水，其组分包括：0.5～4.0克/升丙酸钠(或葡萄糖)，0.1～1.0克/升(NH4)2SO4(或NH4Cl)，0.05～0.5克/升MgSO4·7H2O，0.05～2.0 克/升KH2PO4，0.05～2.0 克/升K2HPO4，0.01～0.05克/升CaSO4，20～150毫克/升对氯苯胺，采用10%的HCl和NaOH将模拟废水的pH调节至7.0；配制的模拟废水中化学需氧量浓度为500～3000毫克/升，氨氮浓度为25～500毫克/升；
碳纳米管在SBAR反应器中的投加
试验采用序批式上升流活性污泥反应器工艺；取污泥浓度(MLSS)为1000～8000毫克/升的好氧活性污泥投加到SBAR反应器中，不添加任何的营养物质，连续曝气24小时后静置30分钟，倒出上清液；将0.5～3克的碳纳米管投加到SBAR反应器中，开始连续运行后将对氯苯胺模拟废水注入反应器；
反应器的启动与好氧颗粒污泥的培养
从第一次进水到第二次进水形成一个运行周期，每天运行周期为2～8，每个运行周期时间为3～12小时；其中，每个周期内，进水时间设定为2～20分钟，曝气时间为100～600分钟，沉降时间为2～20分钟，排水时间为2～30分钟，曝气量为0.5～3.0厘米/秒，水中溶解氧为2～10毫克/升，水力停留时间为2～12小时，水利剪切力为0.5～3.0厘米/秒；体积交换率为30～80%。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管促进好氧污泥颗粒化处理有机废水方法，其特征在于，所述反应器启动运行过程中，定期观察好氧颗粒污泥粒径、外观形态、污泥浓度、沉降性能、密度和完整性系数等性质，并在每个周期定期测定出水水质，分析判断污泥颗粒化程度、颗粒污泥长期运行的稳定程度和对对氯苯胺模拟废水的去除效果。
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