本发明涉及一种具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体及其制备方法。
背景技术：
：活性污泥法和生物膜法是最常用的污水处理工艺，但这两种方法都存在明显的缺陷。活性污泥法具有传质混合效果好、处理效率高等优点，但生物量相对较小，处理能力有限；生物膜法生物量大，处理能力强，但传质混合困难，污水处理效率低。因此，mbbr(移动床生物膜反应器)工艺便应运而生。mbbr工艺通过向反应池中投放一定数量的轻质悬浮载体，再在活性污泥中添加生物膜系统，将传统活性污泥法和生物膜法的优点相结合，充分发挥各自的生物降解优势，实现优势互补。mbbr属于三相生物流化床处理方法，具有以下优点：1)悬浮载体生物膜处于流化状态，污水和生物膜的传质混合效果好，和固定生物膜相比，污水处理效率更高；2)通过投放比表面积大的悬浮载体，生物量可达30～40g/l，是普通活性污泥的5～10倍，和普通活性污泥法相比，污水处理能力显著提高，且容积负荷更高，占地面积更小；3)生物膜提高了系统耐冲击负荷能力和对有毒化合物的抵抗能力；4)反应系统为气-固-液共存的三相流化状态，气-固-液三相充分接触、混合和碰撞，增加了传质面积，提高了传质速率，强化了传质过程，同时载体流化时不断切割分散气泡，使得布气均匀，提高了氧利用率；5)载体为生长缓慢的硝化细菌和其它长世代微生物提供着生之所，使生物固体停留时间和水力停留时间区分开，大大提高了生物反应器的硝化效率；6)流化载体受水流气流冲刷和相互碰撞，使老化生物膜易于脱落，促进新陈代谢，保证了生物膜的活性；7)流化载体可生长丝状细菌，使系统对有机物分解效率更高，同时无污泥膨胀之虞。目前，mbbr工艺的主要应用领域包括：1)污水处理系统提标、扩容改造；2)高浓度、难降解有机废水处理；3)污水系统三级生物处理。随着我国经济的发展，水污染问题越来越严重，对污水厂污染物排放标准也越来越高，污水处理提标改造势在必行。一般城镇污水处理厂在投入使用时，由于管网尚未完善，污水进水量往往低于设计处理能力，但随着管网不断完善，污水厂服务区人口增加，污水进水量不断增加，经过一段时间运营后，污水进水量可能会超过设计处理能力，这时候就需要对污水处理厂进行扩容改造，而提标扩容改造将成为我国城镇污水处理厂面临的主要难题。利用mbbr工艺对城镇污水厂进行提标扩容改造无需土建，投资少，施工简单，已得到广泛应用。mbbr工艺中，其技术核心为悬浮载体。目前，应用于mbbr工艺的悬浮载体主要有两种：一种为pe材料制作的具有鲍尔环结构的pe载体，另一种为聚氨酯海绵制作的海绵载体。这两种载体的材质、结构等各不相同，但均存在比表面积不足的问题，pe载体的比表面积低于700m2/m3，海绵载体的比表面积低于2000m2/m3。由于比表面积低，载体上着生生物膜量受到限制，为了提高mbbr反应器的生物膜量，只能提高载体的投配比，一般pe载体的投配比为40％～70％，海绵载体的投配比为30％～50％，而载体投配比的提高会导致污水系统中载体流化能耗增加，且需要安装穿孔曝气，使mbbr工艺在污水系统中应用受到限制。利用mbbr技术对城镇污水厂进行扩容改造，主要是通过提高生化反应池生物量来实现的，而悬浮载体生物膜量直接取决于载体比表面积，在一定程度上，载体比表面积越大，其负载的生物膜量就越大，对污水厂扩容越有利。因此，研究开发高比表面积悬浮载体对扩大污水处理厂容积负荷十分重要。目前，提标改造工程主要针对总氮和总磷指标，特别是总氮指标，需要通过缺氧反硝化削减，在回流比、缺氧池停留时间等限制条件下，只能通过增加缺氧池容积等土建的方法来提高污水系统的生物脱氮能力。如果能通过悬浮载体实现同步硝化反硝化或短程硝化反硝化功能，就有可能在好氧池中进行深度脱氮，这就要求悬浮载体能形成表面好氧、内部厌氧的连续梯度氧化还原电位(consecutivegradientorp，简称cgo)。因此，只要开发出高比表面积，且具有连续梯度氧化还原电位的载体，提高污水处理系统处理容积负荷和反硝化脱氮能力，无需土建便能实现污水处理厂低成本提标扩容改造。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体及其制备方法。本发明所采取的技术方案是：一种具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体的制备方法，包括以下步骤：1)将聚氨酯泡沫体切割成边长5～25mm的长方体，再加入搅拌器中，并加水混合均匀；2)将粉末活性炭和压电材料混合均匀后加入搅拌器中，混合均匀；3)将黏合剂加入搅拌器中，混合均匀，得到具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体。步骤1)所述聚氨酯泡沫体的密度为30～40kg/m3。步骤1)所述长方体的规格为(15～25)mm×(15～25)mm×(5～10)mm。步骤2)所述粉末活性炭为粒径小于75μm的椰壳活性炭粉。步骤2)所述粉末活性炭的添加量为聚氨酯泡沫体质量的10％～20％。步骤2)所述压电材料为粒径小于50μm的电气石粉末。步骤2)所述压电材料的添加量为聚氨酯泡沫体质量的5％～10％。步骤3)所述黏合剂为丙烯酸酯黏合剂。步骤3)所述黏合剂的添加量为聚氨酯泡沫体质量的4％～8％。本发明的有益效果是：本发明的悬浮载体比表面积大，且具有连续梯度氧化还原电位，可以显著提高污水处理系统的容积负荷和反硝化脱氮能力，无需土建便能实现污水处理厂的低成本提标扩容改造。附图说明图1为本发明实施例1～5中的sbr-ifas反应器的结构示意图。附图标识说明：10、sbr池；20、曝气盘；30、鼓风机；40、功能悬浮载体。具体实施方式一种具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体的制备方法，包括以下步骤：1)将聚氨酯泡沫体切割成边长5～25mm的长方体，再加入搅拌器中，并加水混合均匀；2)将粉末活性炭和压电材料混合均匀后加入搅拌器中，混合均匀；3)将黏合剂加入搅拌器中，混合均匀，得到具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体。优选的，步骤1)所述聚氨酯泡沫体的密度为30～40kg/m3。优选的，步骤1)所述长方体的规格为(15～25)mm×(15～25)mm×(5～10)mm。优选的，步骤1)所述聚氨酯泡沫体、水的体积比为1：(0.3～0.4)。优选的，步骤2)所述粉末活性炭为粒径小于75μm的椰壳活性炭粉。优选的，步骤2)所述粉末活性炭的添加量为聚氨酯泡沫体质量的10％～20％。优选的，步骤2)所述压电材料为粒径小于50μm的电气石粉末。优选的，步骤2)所述压电材料的添加量为聚氨酯泡沫体质量的5％～10％。优选的，步骤3)所述黏合剂为丙烯酸酯黏合剂。优选的，步骤3)所述黏合剂的添加量为聚氨酯泡沫体质量的4％～8％。投配比：载体体积占污水体积的百分比。下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。实施例1：一种具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体的制备方法，包括以下步骤：1)将聚氨酯泡沫体切割成20mm×20mm×7mm的长方体(即聚氨酯泡沫悬浮载体)，再加入搅拌器中，再加入水(占聚氨酯泡沫体体积的1/3)，以60rpm的速度搅拌30min；2)将椰壳活性炭粉(添加量占聚氨酯泡沫体质量的15％，粒径40～50μm)和电气石粉末(添加量占聚氨酯泡沫体质量的10％，粒径30～40μm)混合均匀后加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌1h；3)将丙烯酸酯黏合剂(添加量占聚氨酯泡沫体质量的5％)加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌30min，得到具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体，即功能悬浮载体。经测试，步骤1)中的聚氨酯泡沫悬浮载体的比表面积小于2000m2/m3，而步骤3)中的功能悬浮载体的比表面积高达3×105m2/m3，堆积密度约为40kg/m3。将步骤3)中的功能悬浮载体按照15％的投配比加入sbr-ifas反应器(见图1)中，sbr池的总容积为20l，内置曝气盘，通过鼓风机鼓风，sbr池中投加活性污泥，使mlss(混合液悬浮固体浓度)达到2600mg/l，并使功能悬浮载体保持流化，通过进气量调节，使sbr池溶氧为1.2mg/l，污水采用化粪池污水，每天曝气21h，再停止曝气，沉淀3h，排水，再进水曝气，如此连续运行，挂膜10天，取经过挂膜的功能悬浮载体和一定量污泥置于培养皿中，采用微电极orp测试仪，测定功能悬浮载体表面一个角(测试点1)的orp值，再测定功能悬浮载体内部中心点(测试点5)的orp值，再将这两点连成一线，沿线自外向内每隔约4.5mm测定一个orp值(测试点2～4)，总共5个测试点，测试结果如下表所示：表1经过挂膜的功能悬浮载体不同位置的orp值测试结果测试点orp值(mv)1(最外角)+1832+1063+74-785(中心点)-132由表1可知：orp值自功能悬浮载体表面向内部连续下降，功能悬浮载体具有连续梯度氧化还原电位，该功能悬浮载体具有同步硝化反硝化或短程硝化反硝化功能，将其投放至好氧池可以实现深度脱氮。实施例2：一种具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体的制备方法，包括以下步骤：1)将聚氨酯泡沫体切割成20mm×20mm×7mm的长方体(即聚氨酯泡沫悬浮载体)，再加入搅拌器中，再加入水(占聚氨酯泡沫体体积的1/3)，以60rpm的速度搅拌30min；2)将椰壳活性炭粉(添加量占聚氨酯泡沫体质量的15％，粒径30～40μm)和电气石粉末(添加量占聚氨酯泡沫体质量的10％，粒径25～30μm)混合均匀后加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌1h；3)将丙烯酸酯黏合剂(添加量占聚氨酯泡沫体质量的6％)加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌30min，得到具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体，即功能悬浮载体。制作4套完全相同的sbr-ifas反应器(见图1，规格同实施例1)，分别投入粉末活性炭(投加量为反应器污水重量的0.0675％，相当于投配比15％的功能性悬浮载体所含粉末活性炭的量)、电气石粉(投加量为反应器污水重量的0.045％，相当于投配比15％的功能性悬浮载体所含粉末活性炭的量)、聚氨酯泡沫悬浮载体(15％的投配比)和功能悬浮载体(15％的投配比)，参照实例1中的操作，连续运行10天，之后测试3个周期，每个周期12h，每2小时取一次样，测定sbr-ifas反应器内污水的cod、氨氮和tn，取平均值，测试结果如下表所示：表2污水处理效果测试结果由表2可知：1)直接在活性污泥中投加粉末活性炭和电气石粉对污水中cod和氨氮的去除效果均比投加聚氨酯泡沫载体和功能悬浮载体差；2)直接在活性污泥中投加粉末活性炭和电气石粉对污水中tn的去除效果和投加聚氨酯泡沫载体相近，比功能悬浮载体差；3)功能悬浮载体对cod、氨氮和tn的去除效果均高于聚氨酯泡沫载体，尤其是对tn的去除效果要明显高于聚氨酯泡沫载体。综上可知，在活性污泥中投加粉末活性炭和电气石粉对污水系统除污能力提高不明显，聚氨酯泡沫载体对cod、氨氮的去除效果有一定提高，但对tn的去除效果提高不明显，只有将粉末活性炭和电气石粉负载在聚氨酯泡沫载体上，形成功能悬浮载体，才能有效提高载体比表面积，使载体具有cgo特征，进而明显提高cod、氨氮和tn的去除效果。实施例3：一种具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体的制备方法，包括以下步骤：1)将聚氨酯泡沫体切割成20mm×20mm×7mm的长方体(即聚氨酯泡沫悬浮载体)，再加入搅拌器中，再加入水(占聚氨酯泡沫体体积的1/3)，以60rpm的速度搅拌30min；2)将椰壳活性炭粉(添加量占聚氨酯泡沫体质量的15％，粒径60～65μm)和电气石粉末(添加量占聚氨酯泡沫体质量的10％，粒径35～40μm)混合均匀后加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌1h；3)将丙烯酸酯黏合剂(添加量占聚氨酯泡沫体质量的8％)加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌30min，得到具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体，即功能悬浮载体。制作2套完全相同sbr-ifas反应器(见图1，规格同实施例1)中，其中1个投加粉末活性炭(投加量为反应器污水重量的0.0675％，相当于投配比15％的功能性悬浮载体所含粉末活性炭的量)+电气石粉(投加量为反应器污水重量的0.045％，相当于投配比15％的功能性悬浮载体所含粉末活性炭的量)+聚氨酯泡沫悬浮载体(15％的投配比)，另外1个投加功能悬浮载体(15％的投配比)，参照实例1中的操作，连续运行10天，之后测试3个周期，每个周期12h，每2小时取一次样，测定sbr-ifas反应器内污水的cod、氨氮和tn，取平均值，测试结果如下表所示：表3污水处理效果测试结果由表3可知：直接在活性污泥中投加粉末活性炭+电气石粉+聚氨酯泡沫载体对污水中cod、氨氮、tn的处理效果比投加功能悬浮载体差，尤其是对tn的除去能力，投加功能悬浮载体的效果明显好于投加粉末活性炭+电气石粉+聚氨酯泡沫载体，表明功能悬浮载体不是对粉末活性炭、电气石粉、聚氨酯泡沫载体等原材料的简单叠加，而是通过粘结剂组合，形成了一个cgo功能的系统，投加到活性污泥中，具有同步硝化反硝化功能，能实现好氧池高效脱氮。实施例4：一种具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体的制备方法，包括以下步骤：1)将聚氨酯泡沫体切割成20mm×20mm×7mm的长方体(即聚氨酯泡沫悬浮载体)，再加入搅拌器中，再加入水(占聚氨酯泡沫体体积的1/3)，以60rpm的速度搅拌30min；2)将椰壳活性炭粉(添加量占聚氨酯泡沫体质量的15％，粒径50～55μm)和电气石粉末(添加量占聚氨酯泡沫体质量的10％，粒径30～35μm)混合均匀后加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌1h；3)将丙烯酸酯黏合剂(添加量占聚氨酯泡沫体质量的6％)加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌30min，得到具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体，即功能悬浮载体；4)参照步骤1)～3)的操作，将粉末活性炭的质量比改为25％，不添加压电材料，得到纯粉末活性炭悬浮载体；5)参照步骤1)～3)的操作，将电气石粉的质量比改为25％，不添加活性炭材料，得到纯电气石粉悬浮载体。制作4套完全相同sbr-ifas反应器(见图1，规格同实施例1)中，分别投加聚氨酯泡沫悬浮载体(15％的投配比)、功能悬浮载体(15％的投配比)、纯粉末活性炭悬浮载体(15％的投配比)、纯电气石粉悬浮载体(15％的投配比)，参照实例1中的操作，连续运行10天，之后测试3个周期，每个周期12h，每2小时取一次样，测定sbr-ifas反应器内污水的cod、氨氮和tn，取平均值，测试结果如下表所示：表4污水处理效果测试结果由表4可知：1)聚氨酯泡沫载体对污水中cod、氨氮和tn的去除效果比功能悬浮载体、纯粉末活性炭载体和纯电气石粉载体都要差；2)功能悬浮载体对cod、氨氮和tn的去除效果比纯粉末活性炭载体和纯电气石粉载体都要好；3)纯粉末活性炭载体对氨氮的去除效果要比纯电气石粉载体好，而纯电气石粉载体对tn的去除效果要比纯粉末活性炭载体好。综上可知，负载有粉末活性炭和电气石粉的功能悬浮载体比单纯负载粉末活性炭载体和单纯负载电气石粉载体对cod、氨氮和tn的去除效果明显更好，负载电气石粉能一定程度降低载体中心区orp，可以提高tn的去除效果，但负载电气石粉对载体比表面积的提高要远低于负载粉末活性炭，故氨氮的去除效果较负载活性炭粉载体差。实施例5：一种具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体的制备方法，包括以下步骤：1)将聚氨酯泡沫体切割成20mm×20mm×7mm的长方体(即聚氨酯泡沫悬浮载体)，再加入搅拌器中，再加入水(占聚氨酯泡沫体体积的1/3)，以60rpm的速度搅拌30min；2)将椰壳活性炭粉(添加量占聚氨酯泡沫体质量的15％，粒径65～70μm)和电气石粉末(添加量占聚氨酯泡沫体质量的10％，粒径35～40μm)混合均匀后加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌1h；3)将丙烯酸酯黏合剂(添加量占聚氨酯泡沫体质量的8％)加入搅拌器中，以60rpm的速度搅拌30min，得到具有连续梯度氧化还原电位的悬浮载体，即功能悬浮载体。制作2套完全相同sbr-ifas反应器(见图1，规格同实施例1)中，分别投加聚氨酯泡沫悬浮载体(15％的投配比)、功能悬浮载体(15％的投配比)，参照实例1中的操作，连续运行10天待系统稳定，再连续运行90天，期间分3个阶段进行测试，每个阶段测试3个周期，每个周期12h，测定进水和出水的cod、氨氮和tn，取平均值，测试结果如下表所示：表5污水处理效果测试结果由表5可知：在90天的运行过程中，功能悬浮载体的表现十分稳定，运行开始，第一个月、第二个月、第三个月cod的去除率分别为82.1％、80.9％和83.1％，氨氮的去除率分别为95.7％、95.1和95.8％，总氮的去除率分别为66％、64.6％和62.5％，并没有随着运行时间延长出现处理效果衰减。功能悬浮载体对cod、氨氮和tn的处理效果均高于聚氨酯泡沫载体，尤其是对tn的除去能力要明显高于聚氨酯泡沫载体，表明功能悬浮载体具有显著的cgo特性，将其投加到活性污泥中，具有同步硝化反硝化功能，可以实现好氧池高效脱氮。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12