CN114804349A - 一种厌氧氨氧化污泥激活剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厌氧氨氧化（Anammox）污泥激活剂及制备方法，所述激活剂由多孔生物质碳材料和氧化物晶体颗粒组成，所述多孔生物质碳材料具有不规则且粗糙的孔道结构，孔道的内外部均分布有氧化物组成的晶体颗粒，所述晶体颗粒的组成中至少含有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3中的一种。本发明用以激活Anammox污泥活性，解决Anammox工艺处理废水过程中Anammox污泥活性逐步降低的问题。

Description

一种厌氧氨氧化污泥激活剂及制备方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种厌氧氨氧化污泥激活剂及制备方法。
背景技术
厌氧氨氧化（Anammox）是一种新型生物脱氮工艺，能够在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨氮氧化为氮气，实现两种氮素污染物的同时脱除。在采用Anammox工艺处理实际含氨氮废水的过程中，Anammox污泥容易受外界环境影响失活，如基质突变（NO2 −、COD）、环境因子（DO、温度、pH）变化、有毒物质（抗生素、重金属）进入等，均会导致Anammox污泥活性降低，Anammox菌丰度大幅降低，进而菌群衰亡，污泥失活。
目前对于失活的污泥多采用定期流加菌种或重新启动反应器的方式进行恢复，这种方式存在成本较大、恢复时间较长等问题。另一种方式就是采用污泥激活剂重新激活Anammox污泥：专利CN03111808.9公开了一种无机营养液激活剂，它含有能使污水中原有微生物生长繁殖需要的无机营养成分和选定投加菌种所需要的无机营养成分。专利CN201510020659.8公开了一种污泥激活球，其主要由地榆、败酱草、地龙、大血藤、蛇床子、老生姜、海盐、蒸馏木醋液、红糖、麦麸、火山土及环保阳素等原料制备而成，此激活球在使用过程中缓慢溶解释放，以增加污泥中的有益微生物，改善激活污泥，消除污土臭味。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型厌氧氨氧化污泥激活剂，用以激活Anammox污泥活性，解决Anammox工艺处理废水过程中Anammox污泥活性逐步降低的问题，同时本发明还提供了该激活剂的制备方法。
本发明提供的厌氧氨氧化污泥激活剂由多孔生物质碳材料和氧化物晶体颗粒组成，所述多孔生物质碳材料表面粗糙且具有不规则的孔道结构，孔道的内外部均分布有氧化物组成的晶体颗粒，所述晶体颗粒的组成中至少含有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3中的一种。
所述多孔生物质碳材料是一种由生物质制得的多孔生物质碳材料，优选采用秸秆、污泥、骨粉或斑茅生物质制备。
所述晶体颗粒组成中还可以包括Na2O、P2O5、TiO2、K2O、MgO、SO3、ZrO2、MnO、ZnO、SrO中的一种或多种。
本发明提供的厌氧氨氧化污泥激活剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）生物质预处理：将所选生物质洗净晾干，研磨后过筛，将过筛后的生物质置于铁锅中在200-300℃下翻炒，得到预碳化产物。
（2）高温活化造孔：将活化剂KOH研磨成粉末后与上述预碳化产物混合均匀，其混合比例为1:（3～5），将上述混合物继续置于铁锅中在500-600℃下翻炒，得到多孔生物质碳材料。
（3）酸浸渍：将上述多孔生物质碳材料与研磨后的赤泥混合，混合比例为1:（1～3），然后在1 M盐酸中浸渍足够时间，再用清水多次冲洗直至pH值为中性。
（4）高温焙烧固定：将上述酸浸渍后的混合材料置于铁锅中在500-600℃下进行高温翻炒，翻炒足够时间后再经冲洗过滤，再放入铁锅中翻炒干燥。
附图说明
图1a、1b是本发明激活剂的形貌结构图；
图2a、2b、2c描述了本发明激活剂激活过程中脱氮性能的变化情况；
图3a、3b是本发明激活剂激活末期的污泥形貌特征。
具体实施方式
下面结合实施例（以斑茅生物质-赤泥为原料）对本发明作进一步的详细说明，便于更好的了解本发明的技术方案以及获得的有益效果。
（1）生物质预处理：
选取斑茅生物质洗净晾干，剪段研磨后过100目筛，将过筛的斑茅置于铁锅中（200-300℃）翻炒1h，得到预碳化产物。
（2）高温活化造孔：
将活化剂KOH研磨成粉末后与预碳化产物混合均匀，混合比例为1:（3～5），将上述混合物置于铁锅中(500-600℃)翻炒2-3h，得到斑茅多孔碳材料。
（3）酸浸渍：
将上述预处理好的斑茅多孔碳化材料与研磨后的赤泥混合，混合比例为1:（1～3），然后浸渍在1M的盐酸中1h，再用清水多次冲洗直至为中性。
（4）高温焙烧固定：
将上述经过酸浸渍的混合材料置于铁锅中进行高温翻炒（500-600℃）2h，翻炒后赤泥中的活性金属如Fe、Ca、Al等的氧化物均匀稳定的负载于斑茅多孔碳材料上，再经冲洗过滤后放入铁锅中翻炒干燥，干燥后的样品即为制备好的厌氧氨氧化污泥激活剂。
采用秸秆、污泥、骨粉等制备预碳化产物，其方法可参照现有技术实施。
采用扫描电镜SEM观察激活剂的形貌特征，可以看到其表面粗糙且具有复杂多织的孔道结构（图1a），可供微生物在其孔道内外部附着生长，在孔道的内外部均存在大量的晶体颗粒（图1b）。采用X射线荧光光谱仪分析激活剂的元素组成，其中Al、Ca、Fe的含量均超过了10%（见表1）。由此可见已制备出了富含生物活性金属的多孔碳激活剂。
表1 激活剂的氧化物组成
氧化物 Wt% 氧化物 Wt%
SiO<sub>2</sub> 27.88 ZnO 0.0625
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 20.95 SrO 0.0593
CaO 18.61 V<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 0.0461
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 15.26 Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0.0414
Na<sub>2</sub>O 5.56 PbO 0.0237
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 2.99 CeO<sub>2</sub> 0.0162
TiO<sub>2</sub> 2.40 MoO<sub>3</sub> 0.0156
K<sub>2</sub>O 1.73 CuO 0.0132
MgO 1.63 Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0.0081
SO<sub>3</sub> 1.25 NiO 0.0074
ZrO<sub>2</sub> 0.105 Rb2O 0.0053
MnO 0.0755 Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0.0048
性能测试：
将失活的Anammox污泥等量接种至2台UASB反应器中，在其中的一组（R2组）反应器中投加由本发明提供的激活剂（浓度为3 g/L），另一组（R1组）为未添加激活剂的对照组。固定水力停留时间（HRT）为3 h，维持原进水NH4 +-N浓度200 mg/L和NO2 --N浓度300 mg/L不变，控制反应区温度在33±1 ℃。
图2为激活过程中反应器的氮去除情况图。随着反应器的运行，R1和R2反应器的的脱氮性能均在不断提高，说明污泥活性在逐步恢复，R2的脱氮性能明显高于R1。至31d时，R2的NH4 +-N基本完全去除，NH4 +-N的去除速率为1.42 kg/（m3·d），NO2 --N的去除速率为1.87kg/（m3·d），已达到污泥失活前的水平。原污泥的NH4 +-N和NO2 --N的去除速率分别为1.36kg/（m3·d）和1.58 kg/（m3·d））。同时NO3 --N的生成速率为0.36 kg/（m3·d），产气速率为23L/d，△NH4 +-N:△NO2 --N:△NO3 --N:△N2摩尔转化比为1:1.32:0.25:1.01，与理论摩尔转化比（1:1.32:0.26:1.02）接近。由此可见，历经31 d，完全失活的Anammox污泥活性被激活。
对照组R1，至31 d时，NH4 +-N和NO2 --N的去除速率仅分别为0.34 kg/（m3·d）和0.37kg/（m3·d），其脱氮效率仅恢复至原污泥的24%。
添加了激活剂的R2反应器中的污泥已由最初的黑色污泥变为红棕色颗粒污泥，而R1反应器中的污泥颜色为黄色污泥。SEM观察显示，R2反应器中可观察到大量的球状Anammox菌附着在激活剂的孔道内（图3b），而R1反应器中未发现明显的球状Anammox菌（图3a）。R2的Anammox功能基因拷贝数由最初的1.67×102copies/µl增长至7.78×107copies/µl，R1的基因拷贝数仅为3.89×107copies/µl，R2的Anammox功能基因拷贝数是R1的2倍。由此可见，本发明提供的激活剂可有效激活Anammox污泥活性，比未添加的对照组恢复效率提高了4倍。
本发明的技术特点和有益效果：
对于Anammox工艺处理实际废水过程中污泥活性受抑制进而失活的主要原因：一方面Anammox菌倍增时间长，生长缓慢，系统内新的Anammox菌生长富集的较慢；另一方面Anammox易受环境的影响，随着废水水质的波动、周围环境因子的改变、有毒物质的进入等，Anammox菌的酶代谢活性被抑制，系统内原有的Anammox菌丰度迅速降低且逐渐衰亡，从而导致污泥失活、系统崩溃。
激活受抑制Anammox污泥的本质是为其功能菌提供固定化保护的同时，激活菌体酶的代谢活性且促进菌体的生长富集。具有多孔结构、定向微通道、多金属结合位点、生物相容性等特点的多孔碳材料（如生物炭）可为生物体的附着生长提供有利保护。生物活性金属Fe可刺激Anammox菌生物酶活性增高，Ca、Al可促进信号分子表达和EPS分泌，进而促进Anammox菌团聚生长。因此将多孔碳材料和生物活性金属结合起来制备激活剂，可以实现污泥的快速激活。选取秸秆、污泥、骨粉等多孔生物质材料及富含生物活性金属的工业固体废弃物（如赤泥）作为原材料进行制备，在达到效果的同时可大大降低生产成本，对于其推广应用具有重要意义，同样，上述激活剂在Anammox反应器的启动和Anammox菌群富集方面也具有显而易见的效果。

Claims (4)

1.一种厌氧氨氧化污泥激活剂，包括多孔生物质碳材料，其特征在于，所述多孔生物质碳材料表面粗糙且具有不规则的孔道结构，孔道的内外部均分布有氧化物组成的晶体颗粒，所述晶体颗粒的组成中至少含有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3中的一种。
2.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化污泥激活剂，其特征在于，所述晶体颗粒组成中还包括Na2O、P2O5、TiO2、K2O、MgO、SO3、ZrO2、MnO、ZnO、SrO中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的厌氧氨氧化污泥激活剂，其特征在于，所述多孔生物质碳材料为秸秆、污泥、骨粉或斑茅生物质制得的多孔碳材料。
4.根据权利要求1、2或3所述的厌氧氨氧化污泥激活剂，其制备方法包括以下步骤：
（1）生物质预处理：将所选生物质洗净晾干，研磨后过筛，将过筛后的生物质置于铁锅中在200-300℃下翻炒，得到预碳化产物；
（2）高温活化造孔：将活化剂KOH研磨成粉末后与上述预碳化产物混合均匀，其混合比例为1:（3～5），将上述混合物继续置于铁锅中在500-600℃下翻炒，得到多孔生物质碳材料；
（3）酸浸渍：将上述多孔生物质碳材料与研磨后的赤泥混合，混合比例为1:（1～3），然后在1 M盐酸中浸渍足够时间，再用清水多次冲洗直至pH值为中性；
（4）高温焙烧固定：将上述酸浸渍后的混合材料置于铁锅中在500-600℃下进行高温翻炒，翻炒足够时间后再经冲洗过滤，再放入铁锅中翻炒干燥。
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