公布日：2024.06.25
申请日：2024.05.07
分类号：C02F3/10(2023.01)I;C02F101/10(2006.01)N;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种基于磁性炭生物膜载体的污水生物强化脱氮除磷工艺，包括：粉末状磁性炭生物膜载体首先加入活性污泥中进行曝气搅拌混合预挂膜形成磁性污泥絮体，然后将磁性污泥絮体连续投加到好氧池内进行泥膜混合法运行；粉末状磁性炭生物膜载体的制备方法包括步骤：(1)将秸秆、木质粉、市政污泥中的一种或两种以上烘干、破碎得生物质粉；(2)将生物质粉与含铁元素的盐溶液混合浸渍，然后加入铁磁性粉末混匀得混合物料；(3)将混合物料烘干、粉碎后放入密闭容器中，进行缺氧热解炭化，炭化产物降温后经球磨粉碎得到粉末状磁性炭生物膜载体。
权利要求书
1.一种基于磁性炭生物膜载体的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，包括：粉末状磁性炭生物膜载体首先加入活性污泥中进行曝气搅拌混合预挂膜形成磁性污泥絮体，然后将磁性污泥絮体连续投加到好氧池内进行泥膜混合法运行；所述粉末状磁性炭生物膜载体的制备方法包括步骤：(1)将秸秆、木质粉、市政污泥中的一种或两种以上烘干、破碎得生物质粉；(2)将所述生物质粉与含铁元素的盐溶液混合浸渍，然后加入铁磁性粉末混匀得混合物料；所述生物质粉、所述含铁元素的盐和所述铁磁性粉末的质量比为100:150～200:2～10；(3)将所述混合物料烘干、粉碎后放入密闭容器中，进行缺氧热解炭化，炭化产物降温后经球磨粉碎得到粉末状磁性炭生物膜载体；所述缺氧热解的升温程序是以8～15℃/min的速率升温至290～310℃保温30～35min，然后以5～10℃/min的速率升温至850～1000℃保温60～65min。
2.根据权利要求1所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，步骤(1)中：所述秸秆包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆中的至少一种；所述木质粉包括木材加工后的废弃粉末；所述市政污泥包括以生活污水为主的污水处理厂脱水后的生化污泥，其有机质含量大于50wt％；所述生物质粉的粒径范围为200～300目。
3.根据权利要求1或2所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，步骤(1)中，将秸秆、木质粉中的至少一种与市政污泥按质量比1～6:2混合后烘干、破碎得生物质粉。
4.根据权利要求1所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，步骤(2)中：所述含铁元素的盐包括七水硫酸亚铁、氯化亚铁、硫酸铁、氯化铁中的至少一种；所述铁磁性粉末包括还原铁粉、铸铁粉中的至少一种；所述铁磁性粉末的粒度小于200目。
5.根据权利要求1所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述烘干的温度为105～110℃。
6.根据权利要求1所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述球磨粉碎是采用卧式球磨机研磨30～60min，并过200目筛后得到所述粉末状磁性炭生物膜载体。
7.根据权利要求1所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，所述粉末状磁性炭生物膜载体的粒度小于200目。
8.根据权利要求1所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，所述活性污泥为二沉池底部的回流污泥，曝气搅拌过程污泥浓度为8～15g/L，所述粉末状磁性炭生物膜载体的投加浓度为4～8g/L，搅拌速度为30～60r/min，曝气搅拌过程溶解氧控制在4mg/L以上，水力停留时间为1～2天。
9.根据权利要求1所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，二沉池的剩余污泥通过磁分离设备回收磁性炭生物膜载体，回收的磁性炭生物膜载体返投到好氧池内循环使用。
10.根据权利要求9所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，其特征在于，所述磁分离设备为磁力旋流分离器、磁盘分离机中的一种或多种组合。
发明内容
本发明提供了一种基于磁性炭生物膜载体的污水生物强化脱氮除磷工艺，可解决低碳比城市污水处理厂常规的AO工艺或A2/O工艺脱氮除磷效率低、碳源用量大、反硝化效率低、硝化菌与除磷菌存在泥龄矛盾、污泥易膨胀、占地面积大等问题。
一种基于磁性炭生物膜载体的污水生物强化脱氮除磷工艺，包括：粉末状磁性炭生物膜载体首先加入活性污泥中进行曝气搅拌混合预挂膜形成磁性污泥絮体，然后将磁性污泥絮体连续投加到好氧池内进行泥膜混合法运行；
所述粉末状磁性炭生物膜载体的制备方法包括步骤：
(1)将秸秆、木质粉、市政污泥中的一种或两种以上烘干、破碎得生物质粉；
(2)将所述生物质粉与含铁元素的盐溶液混合浸渍，然后加入铁磁性粉末混匀得混合物料；所述生物质粉、所述含铁元素的盐和所述铁磁性粉末的质量比为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，在该配比下既包含了零价铁、还有铁离子，碳元素和铁元素接近摩尔比1:1，这样的混合物料热解炭化生成的C和Fe元素在污水中曝气混合可进行氧化还原和电子传递，有利于加速微生物间的种间电子传递；
(3)将所述混合物料烘干、粉碎后放入密闭容器中，进行缺氧热解炭化，炭化产物降温后经球磨粉碎得到粉末状磁性炭生物膜载体；所述缺氧热解的升温程序是以8～15℃/min的速率升温至290～310℃(优选300℃)保温30～35min，然后以5～10℃/min的速率升温至850～1000℃保温60～65min。混合物料在290～310℃(优选300℃)保温可排出混合物料中的结合水，木质素、纤维素和污泥中有机质快速热分解脱除氢和氧，形成的自由碳原子重排发生分子内成环和分子间芳构化反应，凝缩成碳微晶结构，进一步在850～1000℃缺氧状态下炭化产物产生的氢气和一氧化碳会还原铁离子生成的零价铁、硫化铁和四氧化三铁会镶嵌在多孔炭的孔隙内，有利于制备的磁性炭生物膜载体具备较大的比表面积、较强的磁响应性和供电子能力。
本发明是一个整体性地、不可分割的技术方案，通过特定原料选择和配比，创造性地采用混合生物质热化学还原的方法经特定的缺氧热解升温程序将铁盐还原为具有磁性的四氧化三铁、γ-Fe2O3等，使得制备的生物膜载体具有良好的磁响应性且可用于活性污泥曝气挂膜形成磁性污泥絮体并进一步应用于好氧池进行泥膜混合法运行。
本发明制备方法各步骤和条件参数环环相扣，互相协同作用，工艺路线简单、原料成本低、生产过程容易控制，所制成的磁性炭生物膜载体具有良好的磁响应性(饱和磁感应强度大于20emu/g)，具有多孔炭结构和较大的比表面积(大于95m2/g)，作为生物膜载体具有挂膜速度快和生物相容性好的优势。此外，磁性炭生物膜载体本身在磁场中还具有较强的磁响应性，作为生物膜载体用于污水生物强化脱氮除磷后在二沉池排出剩余污泥时可利用磁分离设备高效分离和回收，可用于污水处理厂生化工艺的原位升级改造和降本增效等领域。
步骤(1)中，所述秸秆可包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆中的至少一种。
步骤(1)中，所述木质粉可包括木材加工后的废弃粉末。
步骤(1)中，所述市政污泥可包括以生活污水为主的污水处理厂脱水后的生化污泥，其有机质含量优选大于50wt％。
步骤(1)中，所述生物质粉的粒径范围可为200～300目。
在一些优选例中，步骤(1)中，将秸秆、木质粉中的至少一种与市政污泥按质量比1～6:2混合后烘干、破碎得生物质粉，其中秸秆、木质粉主要在热解炭化过程中提供还原性的氢气和一氧化碳，污泥可增加物料混合的粘性，便于混合均匀，在热解过程中污泥中的铁等金属离子可被还原为低价或零价态，有利于制备得到的磁性炭生物膜载体在微观层面保证多孔炭均匀负载零价铁、硫化铁和四氧化三铁等活性组分。
步骤(2)中，所述含铁元素的盐可包括七水硫酸亚铁、氯化亚铁、硫酸铁、氯化铁中的至少一种。
步骤(2)中，所述铁磁性粉末可包括还原铁粉、铸铁粉中的至少一种。
步骤(2)中，所述铁磁性粉末的粒度可小于200目。
步骤(3)中，所述烘干的温度可为105～110℃。
步骤(3)中，所述球磨粉碎可以是采用卧式球磨机研磨30～60min，并过200目筛后得到所述粉末状磁性炭生物膜载体。
在一优选例中，所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，所述粉末状磁性炭生物膜载体的粒度小于200目。
所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，所述活性污泥可为二沉池底部的回流污泥。
在一些优选例中，所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，曝气搅拌过程污泥浓度为8～15g/L，所述粉末状磁性炭生物膜载体的投加浓度为4～8g/L，搅拌速度为30～60r/min，曝气搅拌过程溶解氧控制在4mg/L以上，水力停留时间为1～2天，可实现磁性炭生物膜载体表面的微生物附着生长和预挂膜。
在一优选例中，所述的污水生物强化脱氮除磷工艺，二沉池的剩余污泥通过磁分离设备回收磁性炭生物膜载体，回收的磁性炭生物膜载体返投到好氧池内循环使用，通过磁性炭生物膜载体的循环实现泥膜混合法运行，解决脱氮菌和除磷菌泥龄矛盾，可在不改变污水处理厂AO系统构筑物基础上进行原位提质增效。
进一步的，所述磁分离设备可为磁力旋流分离器、磁盘分离机中的一种或多种组合。
本发明制备方法路线简单、原料成本低，所制备的磁性炭生物膜载体具有良好的磁响应性，具有多孔炭结构和较大的比表面积，作为生物膜载体具有挂膜速度快和生物相容性好的优势。粉末状磁性炭生物膜载体经曝气搅拌混合预挂膜后连续投加到污水处理厂现有好氧池内可实现泥膜混合法运行，具有强化脱氮除磷的作用，适用于污水处理厂生化工艺的原位升级改造和降本增效。
本发明与现有技术相比，有益效果有：
1)污水处理厂污泥和生物质存量巨大，是当期大宗固废资源化利用的重点领域，用于生产磁性炭生物膜载体循环用于污水处理厂的提质增效符合污水处理厂低碳化改造的理念，有利于推进污泥和生物质的高值化再利用。
2)本发明制备的磁性炭生物膜载体主要元素包括Fe、O、C、S，含有的零价铁、硫化铁等在微生物代谢过程中可作为固氮酶、铁氧化还原蛋白等细胞物质的组分，可作为电子供体参与微生物的代谢过程。磁性炭中的零价铁还能起辅酶激活剂的作用，提高污泥的氧化能力，强化酶的催化活性。此外，磁性炭生物膜载体中Fe2+、Fe3+可以降低细胞的表面负电荷，增强了细胞之间的范德华力，促进了污泥的自凝聚作用。
3)以磁性炭生物膜载体作为生物膜载体，相比于硅藻土、膨润土、凹凸棒土等载体，能够混凝吸附除磷，并富集硝化菌提高脱氮效率，能够提高生物脱氮除磷效率，同时优化活性污泥絮体结构，提高微生物抵抗外界环境因素变化的能力。
4)磁性炭生物膜载体中铁磁性颗粒均匀负载在炭表面或孔隙内，其本身具有较高的磁饱和强度，可利用其在外加磁场中的磁响应性来通过磁分离设备进行高效分离或回收后循环使用。
（发明人：徐灏龙;王长智;许丽丽;白俊跃;章一丹;徐国华;王明浩）
