公布日：2024.06.25
申請日：2024.05.07
分類號：C02F3/10(2023.01)I;C02F101/10(2006.01)N;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本發明公開了一種基于磁性炭生物膜載體的污水生物強化脫氮除磷工藝，包括：粉末狀磁性炭生物膜載體首先加入活性污泥中進行曝氣攪拌混合預掛膜形成磁性污泥絮體，然后將磁性污泥絮體連續投加到好氧池內進行泥膜混合法運行；粉末狀磁性炭生物膜載體的制備方法包括步驟：(1)將秸稈、木質粉、市政污泥中的一種或兩種以上烘干、破碎得生物質粉；(2)將生物質粉與含鐵元素的鹽溶液混合浸漬，然后加入鐵磁性粉末混勻得混合物料；(3)將混合物料烘干、粉碎后放入密閉容器中，進行缺氧熱解炭化，炭化產物降溫后經球磨粉碎得到粉末狀磁性炭生物膜載體。
權利要求書
1.一種基于磁性炭生物膜載體的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，包括：粉末狀磁性炭生物膜載體首先加入活性污泥中進行曝氣攪拌混合預掛膜形成磁性污泥絮體，然后將磁性污泥絮體連續投加到好氧池內進行泥膜混合法運行；所述粉末狀磁性炭生物膜載體的制備方法包括步驟：(1)將秸稈、木質粉、市政污泥中的一種或兩種以上烘干、破碎得生物質粉；(2)將所述生物質粉與含鐵元素的鹽溶液混合浸漬，然后加入鐵磁性粉末混勻得混合物料；所述生物質粉、所述含鐵元素的鹽和所述鐵磁性粉末的質量比為100:150～200:2～10；(3)將所述混合物料烘干、粉碎后放入密閉容器中，進行缺氧熱解炭化，炭化產物降溫后經球磨粉碎得到粉末狀磁性炭生物膜載體；所述缺氧熱解的升溫程序是以8～15℃/min的速率升溫至290～310℃保溫30～35min，然后以5～10℃/min的速率升溫至850～1000℃保溫60～65min。
2.根據權利要求1所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，步驟(1)中：所述秸稈包括玉米秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈中的至少一種；所述木質粉包括木材加工后的廢棄粉末；所述市政污泥包括以生活污水為主的污水處理廠脫水后的生化污泥，其有機質含量大于50wt％；所述生物質粉的粒徑范圍為200～300目。
3.根據權利要求1或2所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，步驟(1)中，將秸稈、木質粉中的至少一種與市政污泥按質量比1～6:2混合后烘干、破碎得生物質粉。
4.根據權利要求1所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，步驟(2)中：所述含鐵元素的鹽包括七水硫酸亞鐵、氯化亞鐵、硫酸鐵、氯化鐵中的至少一種；所述鐵磁性粉末包括還原鐵粉、鑄鐵粉中的至少一種；所述鐵磁性粉末的粒度小于200目。
5.根據權利要求1所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，步驟(3)中，所述烘干的溫度為105～110℃。
6.根據權利要求1所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，步驟(3)中，所述球磨粉碎是采用臥式球磨機研磨30～60min，并過200目篩后得到所述粉末狀磁性炭生物膜載體。
7.根據權利要求1所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，所述粉末狀磁性炭生物膜載體的粒度小于200目。
8.根據權利要求1所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，所述活性污泥為二沉池底部的回流污泥，曝氣攪拌過程污泥濃度為8～15g/L，所述粉末狀磁性炭生物膜載體的投加濃度為4～8g/L，攪拌速度為30～60r/min，曝氣攪拌過程溶解氧控制在4mg/L以上，水力停留時間為1～2天。
9.根據權利要求1所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，二沉池的剩余污泥通過磁分離設備回收磁性炭生物膜載體，回收的磁性炭生物膜載體返投到好氧池內循環使用。
10.根據權利要求9所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，其特征在于，所述磁分離設備為磁力旋流分離器、磁盤分離機中的一種或多種組合。
發明內容
本發明提供了一種基于磁性炭生物膜載體的污水生物強化脫氮除磷工藝，可解決低碳比城市污水處理廠常規的AO工藝或A2/O工藝脫氮除磷效率低、碳源用量大、反硝化效率低、硝化菌與除磷菌存在泥齡矛盾、污泥易膨脹、占地面積大等問題。
一種基于磁性炭生物膜載體的污水生物強化脫氮除磷工藝，包括：粉末狀磁性炭生物膜載體首先加入活性污泥中進行曝氣攪拌混合預掛膜形成磁性污泥絮體，然后將磁性污泥絮體連續投加到好氧池內進行泥膜混合法運行；
所述粉末狀磁性炭生物膜載體的制備方法包括步驟：
(1)將秸稈、木質粉、市政污泥中的一種或兩種以上烘干、破碎得生物質粉；
(2)將所述生物質粉與含鐵元素的鹽溶液混合浸漬，然后加入鐵磁性粉末混勻得混合物料；所述生物質粉、所述含鐵元素的鹽和所述鐵磁性粉末的質量比為100:150～200:2～10，在此配比下得到的混合物料含有Fe、C、S、O等主要元素，在該配比下既包含了零價鐵、還有鐵離子，碳元素和鐵元素接近摩爾比1:1，這樣的混合物料熱解炭化生成的C和Fe元素在污水中曝氣混合可進行氧化還原和電子傳遞，有利于加速微生物間的種間電子傳遞；
(3)將所述混合物料烘干、粉碎后放入密閉容器中，進行缺氧熱解炭化，炭化產物降溫后經球磨粉碎得到粉末狀磁性炭生物膜載體；所述缺氧熱解的升溫程序是以8～15℃/min的速率升溫至290～310℃(優選300℃)保溫30～35min，然后以5～10℃/min的速率升溫至850～1000℃保溫60～65min。混合物料在290～310℃(優選300℃)保溫可排出混合物料中的結合水，木質素、纖維素和污泥中有機質快速熱分解脫除氫和氧，形成的自由碳原子重排發生分子內成環和分子間芳構化反應，凝縮成碳微晶結構，進一步在850～1000℃缺氧狀態下炭化產物產生的氫氣和一氧化碳會還原鐵離子生成的零價鐵、硫化鐵和四氧化三鐵會鑲嵌在多孔炭的孔隙內，有利于制備的磁性炭生物膜載體具備較大的比表面積、較強的磁響應性和供電子能力。
本發明是一個整體性地、不可分割的技術方案，通過特定原料選擇和配比，創造性地采用混合生物質熱化學還原的方法經特定的缺氧熱解升溫程序將鐵鹽還原為具有磁性的四氧化三鐵、γ-Fe2O3等，使得制備的生物膜載體具有良好的磁響應性且可用于活性污泥曝氣掛膜形成磁性污泥絮體并進一步應用于好氧池進行泥膜混合法運行。
本發明制備方法各步驟和條件參數環環相扣，互相協同作用，工藝路線簡單、原料成本低、生產過程容易控制，所制成的磁性炭生物膜載體具有良好的磁響應性(飽和磁感應強度大于20emu/g)，具有多孔炭結構和較大的比表面積(大于95m2/g)，作為生物膜載體具有掛膜速度快和生物相容性好的優勢。此外，磁性炭生物膜載體本身在磁場中還具有較強的磁響應性，作為生物膜載體用于污水生物強化脫氮除磷后在二沉池排出剩余污泥時可利用磁分離設備高效分離和回收，可用于污水處理廠生化工藝的原位升級改造和降本增效等領域。
步驟(1)中，所述秸稈可包括玉米秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈中的至少一種。
步驟(1)中，所述木質粉可包括木材加工后的廢棄粉末。
步驟(1)中，所述市政污泥可包括以生活污水為主的污水處理廠脫水后的生化污泥，其有機質含量優選大于50wt％。
步驟(1)中，所述生物質粉的粒徑范圍可為200～300目。
在一些優選例中，步驟(1)中，將秸稈、木質粉中的至少一種與市政污泥按質量比1～6:2混合后烘干、破碎得生物質粉，其中秸稈、木質粉主要在熱解炭化過程中提供還原性的氫氣和一氧化碳，污泥可增加物料混合的粘性，便于混合均勻，在熱解過程中污泥中的鐵等金屬離子可被還原為低價或零價態，有利于制備得到的磁性炭生物膜載體在微觀層面保證多孔炭均勻負載零價鐵、硫化鐵和四氧化三鐵等活性組分。
步驟(2)中，所述含鐵元素的鹽可包括七水硫酸亞鐵、氯化亞鐵、硫酸鐵、氯化鐵中的至少一種。
步驟(2)中，所述鐵磁性粉末可包括還原鐵粉、鑄鐵粉中的至少一種。
步驟(2)中，所述鐵磁性粉末的粒度可小于200目。
步驟(3)中，所述烘干的溫度可為105～110℃。
步驟(3)中，所述球磨粉碎可以是采用臥式球磨機研磨30～60min，并過200目篩后得到所述粉末狀磁性炭生物膜載體。
在一優選例中，所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，所述粉末狀磁性炭生物膜載體的粒度小于200目。
所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，所述活性污泥可為二沉池底部的回流污泥。
在一些優選例中，所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，曝氣攪拌過程污泥濃度為8～15g/L，所述粉末狀磁性炭生物膜載體的投加濃度為4～8g/L，攪拌速度為30～60r/min，曝氣攪拌過程溶解氧控制在4mg/L以上，水力停留時間為1～2天，可實現磁性炭生物膜載體表面的微生物附著生長和預掛膜。
在一優選例中，所述的污水生物強化脫氮除磷工藝，二沉池的剩余污泥通過磁分離設備回收磁性炭生物膜載體，回收的磁性炭生物膜載體返投到好氧池內循環使用，通過磁性炭生物膜載體的循環實現泥膜混合法運行，解決脫氮菌和除磷菌泥齡矛盾，可在不改變污水處理廠AO系統構筑物基礎上進行原位提質增效。
進一步的，所述磁分離設備可為磁力旋流分離器、磁盤分離機中的一種或多種組合。
本發明制備方法路線簡單、原料成本低，所制備的磁性炭生物膜載體具有良好的磁響應性，具有多孔炭結構和較大的比表面積，作為生物膜載體具有掛膜速度快和生物相容性好的優勢。粉末狀磁性炭生物膜載體經曝氣攪拌混合預掛膜后連續投加到污水處理廠現有好氧池內可實現泥膜混合法運行，具有強化脫氮除磷的作用，適用于污水處理廠生化工藝的原位升級改造和降本增效。
本發明與現有技術相比，有益效果有：
1)污水處理廠污泥和生物質存量巨大，是當期大宗固廢資源化利用的重點領域，用于生產磁性炭生物膜載體循環用于污水處理廠的提質增效符合污水處理廠低碳化改造的理念，有利于推進污泥和生物質的高值化再利用。
2)本發明制備的磁性炭生物膜載體主要元素包括Fe、O、C、S，含有的零價鐵、硫化鐵等在微生物代謝過程中可作為固氮酶、鐵氧化還原蛋白等細胞物質的組分，可作為電子供體參與微生物的代謝過程。磁性炭中的零價鐵還能起輔酶激活劑的作用，提高污泥的氧化能力，強化酶的催化活性。此外，磁性炭生物膜載體中Fe2+、Fe3+可以降低細胞的表面負電荷，增強了細胞之間的范德華力，促進了污泥的自凝聚作用。
3)以磁性炭生物膜載體作為生物膜載體，相比于硅藻土、膨潤土、凹凸棒土等載體，能夠混凝吸附除磷，并富集硝化菌提高脫氮效率，能夠提高生物脫氮除磷效率，同時優化活性污泥絮體結構，提高微生物抵抗外界環境因素變化的能力。
4)磁性炭生物膜載體中鐵磁性顆粒均勻負載在炭表面或孔隙內，其本身具有較高的磁飽和強度，可利用其在外加磁場中的磁響應性來通過磁分離設備進行高效分離或回收后循環使用。
（發明人：徐灝龍;王長智;許麗麗;白俊躍;章一丹;徐國華;王明浩）
