CN114368831A - 一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料、制备方法及应用 - Google Patents

一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料、制备方法及应用；本发明构建了基于多孔碳和铁系材料复合纳米材料的好氧颗粒污泥快速构建体系，投加多孔碳和铁系材料制备得到的复合纳米材料，使得好氧颗粒污泥形成速度显著提高；本发明所制备得到的复合纳米材料与投加惰性材料、不投加材料两种对比，本发明的时间缩短30‑50％。本发明制备得到的好氧颗粒污泥成熟后稳定性好，能抵御较大的冲击负荷，处理污水水质达到一级A标准，对常规污染物的处理能力提高10％‑30％，较常规好氧颗粒污泥技术节省曝气量和占地，节约能耗10‑30％。

Description

一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及污水生化处理技术领域，具体涉及一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料、制备方法及应用。
背景技术
生化工艺是污水处理中的主要工艺，包括：活性污泥法和生物膜法。传统活性污泥法的具体工艺包括CASS、氧化沟、A/O和A2/O等。1991年Mishima等最早发现了好氧颗粒污泥(Aerobic Granular Sludge，AGS)，并第一次报道了利用连续流好氧上流式污泥床反应器(Aerobic Upflow Sludge Blanket，AUSB)培养出AGS。好氧颗粒污泥是一种细胞自固定化的生物絮凝体，具有结构紧凑、沉降性能好、抗冲击强等优点，独特的分层结构使好氧颗粒污泥具备同时碳化、硝化反硝化的能力，大大缩短污水除碳脱氮除磷过程，应用前景广阔。虽然好氧颗粒污泥的高效性得到广泛认可，但存在影响其工程化实施的瓶颈问题：(1)颗粒污泥培养速度缓慢，形成时间长，能耗高；(2)由于丝状菌大量繁殖、颗粒厌氧内核水解、功能菌丧失和EPS成分改变造成的污泥空穴化、稳定性下降导致颗粒易解体，尤其是在具有宽幅时变特征的城镇污水中难以利用。
当前对于好氧颗粒污泥的优化方法主要从加速好氧颗粒污泥的形成过程和好氧颗粒污泥稳定性强化这两个角度出发。加速好氧颗粒污泥形成过程的方法主要有：(1)投加辅助材料或改变接种污泥组分(金属离子、絮凝剂和成熟颗粒污泥等)；(2)调控运行条件(降低ST、延长饥饿时长、提高剪切力和提高OLR等)；(3)耦合选择压(耦合强水力选择压和高负荷的运行模式等。关于强化长期运行过程中好氧颗粒污泥稳定性的策略主要包括：提供适宜的运行条件、筛选富集生长速率慢的微生物、抑制颗粒内部厌氧活性和强化颗粒内核。现有技术的优化方法不仅较为繁琐，还会对系统的除污效果产生负面影响。
发明内容
本发明的目的是提供了一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料、制备方法及应用。本发明针对好氧颗粒污泥培养过程中因颗粒因丝状菌过量增殖和微生物内源呼吸，导致的结构稳定性差、形成缓慢的问题。本发明提供的一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，在反应器中可为颗粒污泥的形成提供骨架，促进污泥凝聚和种间电子传递，缩短好氧颗粒污泥培养时间。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，由多孔碳材料和纳米铁系材料形成的复合材料；所述纳米铁系材料负载在多孔碳材料的表面和/或其孔道内；所述纳米铁系材料和多孔碳材料的含量比例为0.5-1.0:1.0；所述纳米铁系材料包括零价铁和/或铁的氧化产物；
本发明所涉及的所述复合材料，以多孔碳材料为载体，将纳米铁系材料负载到多孔碳材料的表面和/或孔道，兼具多孔碳的吸附性及铁系材料的导电性。根据负载原理，孔径由多孔碳材料决定；
本发明所述的多孔碳材料为活性炭材料，其粒径为80-300目。
所述复合材料具有一定的机械强度、导电性、孔隙率及吸附特性，在反应器中可以其为核心促进污泥凝聚并提高其稳定性，其中，复合材料的导电性随铁含量的增加而增强，吸附性随多孔碳含量的增加而增强。
优选地，所述多孔碳材料的比表面积为200-300m2/g。
优选地，所述纳米铁系材料的比表面积为20-80m2/g。
优选地，所述复合材料的比表面积在50-100m2/g。
优选地，所述多孔碳材料的电导率为0.7-0.85S/m。
优选地，所述纳米铁系材料的电导率在1-10×106S/m。
优选地，所述复合材料的电导率为1-10×106S/m。
本发明还涉及前述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料的制备方法，通过液相还原法，在分散有多孔碳的铁素离子溶液(含有Fe2+、Fe3+的溶液，例：FeSO4、FeCl3)的溶液)中加入还原剂(KBH4或NaBH4)制备得到，或在分散有多孔碳的铁素离子溶液中通过调碱和煅烧制备得到。
制备方法具体步骤为：
通过液相还原法利用强还原性的化合物KBH4/NaBH4，将FeSO4·7H2O还原成纳米零价铁，反应过程：Fe2++2BH4 -+6H2O→Fe0+2B(OH)3+7H2↑，在反应开始前加入活性炭并在反应过程中不断强力磁力搅拌，使生成的零价铁负载在活性炭表面和孔隙上。所用原材料FeSO4·7H2O和AC的配比可为50％-100％；通过水热法利用FeCl3·6H2O以活性炭为分散材料，通过浸渍的方法先将铁离子附着在活性炭表面和孔道，经调碱和锻烧，使附着的三价铁离子转化成高分散性的纳米氧化铁颗粒。所用原材料FeCl3·6H2O和AC的配比可为50％-100％。
优选地，所述铁素离子与所述多孔碳的质量比例为(0.1-0.21)：1。
本发明还涉及前述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料的应用，所述复合材料用于好氧颗粒污泥反应器的应用。本发明所述复合材料可在反应器中为颗粒污泥的形成提供骨架，促进污泥凝聚和种间电子传递，缩短好氧颗粒污泥培养时间，加速好氧颗粒污泥形成。
本发明具有以下优点：
(1)本发明提供一种由多孔碳和铁系材料复合而成的纳米结构导电材料加速好氧颗粒污泥形成，其在反应器中可为颗粒污泥的形成提供骨架，促进污泥凝聚和种间电子传递，缩短好氧颗粒污泥培养时间。
(2)本发明构建了基于多孔碳和铁系材料复合纳米材料的好氧颗粒污泥快速构建体系，投加多孔碳和铁系材料制备得到的复合纳米材料，使得好氧颗粒污泥形成速度显著提高；本发明所制备得到的复合纳米材料与投加惰性材料、不投加材料两种对比，本发明的时间缩短30-50％。
(3)本发明制备得到的好氧颗粒污泥成熟后稳定性好，能抵御较大的冲击负荷，处理污水水质达到一级A标准，对常规污染物的处理能力提高10％-30％，较常规好氧颗粒污泥技术节省曝气量和占地，节约能耗10-30％。
(4)本发明制备方法操作简便，所涉及材料制备较为方便，成本低廉，只需投加少量便能有较强的速度提升效果，效果显著。
(5)本发明制备方法可加快好氧颗粒污泥形成，同时又可有效地降低污水处理成本，解决了好氧颗粒污泥应用的理论技术瓶颈。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例
本实施例涉及一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，由多孔碳材料和纳米铁系材料形成的复合材料；所述纳米铁系材料负载在多孔碳材料的表面和/或其孔道内；所述纳米铁系材料和多孔碳材料的含量比例为0.5-1.0:1.0；所述纳米铁系材料包括零价铁和/或铁的氧化产物。
本实施例以活性炭为载体，活性炭的多孔结构负载铁系材料后，孔道被铁系材料填充，孔隙率下降20％-80％；纳米铁系材料的比表面积为20-80m2/g，活性炭的比表面积为200-300m2/g，活性炭和铁系材料复合纳米结构导电材料比表面积为50-100m2/g；活性炭具有导电性，电导率在0.7-0.85S/m之间，铁系材料电导率在1-10×106S/m之间，活性炭和铁系材料复合的纳米材料电导率由铁系材料起主要作用且有所提升，在1-10×106S/m之间。
本实施例所述纳米铁系材料粒径为30-70nm，负载所用活性炭粒径为100目(150μm)；
本实施例将制备得到的复合材料投加进反应器中，对不同反应器的颗粒污泥形成过程中的物理性状和化学性状进行持续观察，物理性状包括污泥形态、沉降性能、污泥结构湿密度及污泥粒径分析等，化学性状包括污泥分泌EPS、污泥表面疏水性等。通过对比，可直观的说明活性炭和铁系材料复合纳米结构导电材料的投加能加快好氧颗粒污泥的形成，具体如下：
构建4套完全相同的SBR反应器平行运行，分别命名为SBR1、SBR2、SBR3和SBR4，其中：
SBR1为实验组，反应器在开始运行的同时将本发明所涉及的复合材料投加到反应器中；
SBR2为活性炭对照组，反应器在开始运行的同时加入与SBR1等量的100目活性炭；
SBR3为惰性材料对照组，反应器在开始运行的同时加入与SBR1等量的100目小玻璃珠；
SBR4为空白组，不投加任何材料。
对不同反应器的颗粒污泥形成过程中的物理性状和化学性状进行持续观察，物理性状包括污泥形态、沉降性能、污泥结构湿密度及污泥粒径分析等，化学性能包括污泥分泌EPS、污泥表面疏水性等。每5天对SBR系统中污水常规指标进行测定，取样时间为周期内曝气阶段末5min，取出后沉淀5min的上清液用于测定出水水质指标。DO、pH等指标采用WTW便携式多参仪测定。
对照试验结果如下：
(1)形态和结构的变化
SBR1反应器在第26天出现好氧颗粒污泥，颗粒在40-45天成熟，粒径分布在0.7-1.8mm，颗粒结构紧密；
SBR2反应器在第35天出现好氧颗粒污泥，颗粒在50-55天成熟，粒径分布在0.7-1.8mm，颗粒结构较为紧密；
SBR3反应器在第70天出现好氧颗粒污泥，颗粒在85-90天成熟，粒径分布在0.5-1.3mm，颗粒结构松散；
SBR4反应器在第60天出现好氧颗粒污泥，颗粒在75-80天成熟，粒径分布在0.7-1.5mm，颗粒结构较为松散。
由此测试结果：本发明所制备得到的复合材料用于反应器中，得到好氧颗粒污泥的时间最短，成熟时间短，分布良好。
(2)沉降性能的变化
SBR1中成熟好氧颗粒污泥沉降速度为20-120m/h，各反应器沉降速度大小排序为：SBR1＞SBR2＞SBR3≈SBR4。
由此测试结果：本发明所制备得到的复合材料用于反应器中，好氧颗粒污泥沉降速度最大。
(3)化学性能的变化
颗粒污泥成熟后，四个反应器中氨氮均基本去除，COD去除率、TN去除率和TP去除率皆为SBR1反应器最优，本发明所涉及的复合材料的(COD去除率、TN去除率和TP去除率)分别为97-99％、70-80％和65-75％。
本实施例涉及的反应器具体运行参数：反应器高径比为9，内径均为7.5cm，高为67.5cm，有效容积为3L。
SBR系统通过时间继电器控制进水、曝气、沉降及排水等全过程，具体运行参数为进水3min，好氧曝气(进水的同时开始曝气)340-350min，沉降15-5min，排水5min，周期总长为360min，一天运行4个周期。
SBR采用逐步缩短污泥沉降时间(15min→10min→5min)的方法培养好氧颗粒污泥。采用空气泵和曝气砂头供氧，通过转子流量计控制曝气量为2L/min，温度控制在(25±2)℃。反应器运行期间始终不进行主动排泥。配水组成为：乙酸钠(COD)500mg/L，NH4Cl(NH4 +-N)40mg/L，KH2PO4(TP)5mg/L，每10L进水滴加1mL微量元素溶液。接种污泥为从污水厂生化工艺好氧段取回的经两天时间的曝气驯化后的絮状污泥。
通过以上对照试验结果，可以得出以下结论：
(1)本实施例所述复合材料的吸附作用和导电作用，在加速污泥聚集成大颗粒的同时促进种间电子传递，从而可在15-30天形成好氧颗粒污泥，较传统好氧颗粒污泥工艺形成时间缩短30-50％；
(2)所形成的基于活性炭和铁系材料复合纳米材料的好氧颗粒污泥稳定后污泥浓度可达6000mg/L以上，沉降性能良好，粒径分布在0.7-1.8mm；
(3)本发明所涉及的复合材料具有良好的导电性能，所形成的好氧颗粒污泥系统较常规好氧颗粒污泥工艺除污效果增强；
(4)本发明所制备得到的复合材料形成的好氧颗粒污泥培养时间的缩短，所述好氧颗粒污泥系统较常规工艺节省曝气量和占地，可节约能耗10-30％。
本发明构建了基于多孔碳和铁系材料复合纳米材料的好氧颗粒污泥快速构建体系，投加多孔碳和铁系材料制备得到的复合纳米材料，使得好氧颗粒污泥形成速度显著提高；本发明所制备得到的复合纳米材料与投加惰性材料、不投加材料两种对比，本发明的时间缩短30-50％。本发明制备得到的好氧颗粒污泥成熟后稳定性好，能抵御较大的冲击负荷，处理污水水质达到一级A标准，对常规污染物的处理能力提高10％-30％，较常规好氧颗粒污泥技术节省曝气量和占地，节约能耗10-30％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (10)

1.一种加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，其特征在于，由多孔碳材料和纳米铁系材料形成的复合材料；所述纳米铁系材料负载在多孔碳材料的表面和/或其孔道内；所述纳米铁系材料和多孔碳材料的含量比例为0.5-1.0:1.0；所述纳米铁系材料包括零价铁和/或铁的氧化产物。
2.如权利要求1所述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，其特征在于，所述多孔碳材料的比表面积为200-300m2/g，所述多孔碳材料为活性炭，其粒径为80-300目。
3.如权利要求1所述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，其特征在于，所述纳米铁系材料的比表面积为20-80m2/g。
4.如权利要求1所述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，其特征在于，所述复合材料的比表面积在50-100m2/g。
5.如权利要求1所述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，其特征在于，所述多孔碳材料的电导率为0.7-0.85S/m。
6.如权利要求1所述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，其特征在于，所述纳米铁系材料的电导率在1-10×106S/m。
7.如权利要求1所述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料，其特征在于，所述复合材料的电导率为1-10×106S/m。
8.一种如权利要求1所述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料的制备方法，其特征在于，通过液相还原法，在分散有多孔碳的铁素离子溶液中加入还原剂制备得到，或在分散有多孔碳的铁素离子溶液中通过调碱和煅烧制备得到。
9.如权利要求8所述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料的制备方法，其特征在于，所述铁素离子与所述多孔碳的质量比例为(0.1-0.21)：1。
10.一种如权利要求1所述的加速好氧颗粒污泥形成的复合材料的应用，其特征在于，所述复合材料用于好氧颗粒污泥反应器的应用。
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