一种应用纳米磁铁促进絮状活性污泥颗粒化的方法与流程

本发明涉及一种应用纳米磁铁促进絮状活性污泥颗粒化的方法，属于环境化学和废水治理技术领域。

背景技术：

好氧颗粒污泥是微生物固定化技术的一种特殊形式，是近年来兴起的新型废水生物处理技术。好氧颗粒污泥是活性污泥微生物通过自固定形成的结构紧凑、外形规则的生物聚集体。与絮状活性污泥相比，好氧颗粒污泥具有密实的结构、优良的沉降性能、多样的微生物种群等优点，其对冲击负荷、毒性物质和重金属等具有较高的耐受能力，并对难降解污染物质具有较好的处理效果；利用好氧颗粒污泥在序批式反应器中处理污水，无需二次沉淀池和污泥回流系统，工艺简单、操作灵活、占地面积小、投资和运行成本低。污泥颗粒的形成受到很多因素影响，该过程涉及到微生物生长和衰减、氧的传质以及底物的扩散等，非常复杂，这使得污泥颗粒化过程费时较长，往往要花费几个月的时间。如此长的启动时间限制了好氧颗粒污泥的工业应用，目前多数好氧颗粒污泥的研究仍停留在实验室和中试阶段，只有少数实际应用，还有许多关键技术有待解决，特别是如何以较低的成本缩短从活性污泥转变为好氧颗粒污泥的时间，从而应对实际应用时的批量化生产、储存、运输等问题成为了目前研究的一个热点。因此，以较低的成本加快污泥颗粒化过程，从而缩短颗粒形成时间对于该技术的实际应用具有重要意义。

目前现有技术中，已有对污泥颗粒化的相关研究。如，中国专利文献cn105731640a公开了一种磁铁矿强化生物电极耦合型uasb装置及运行方法；该发明通过投加磁铁矿纳米颗粒强化微生物与电极之间的直接电子传递，最终实现厌氧生物反应器快速启动、污泥颗粒化以及产能性能提升；但该发明结合电场和磁铁矿的综合作用，较为繁琐，并且磁铁矿的用量较多，成本较高。又如，中国专利文献cn106396093a公开了一种促进活性污泥颗粒化的方法，将改性纳米球投加到活性污泥系统中来促进污泥的颗粒化；改性纳米球由表面活性剂、naoh、水溶液、正硅酸乙酯和异硅源为主要原料制备而成；该改性纳米球可加快颗粒化的进程，促进颗粒污泥不断成长；但该发明中改性纳米球的制备方法繁琐，并且改性纳米球的用量较多，成本较高。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，即由絮状活性污泥转变为好氧颗粒污泥时间较长，成本较高，严重阻碍了好氧颗粒污泥的实际应用，本发明提供一种应用纳米磁铁促进絮状活性污泥颗粒化的方法。采用本发明的方法可以促进活性污泥的颗粒化，促进微生物生长，提高污水处理效能，环境友好易于工程应用，且成本较低。

术语说明：

室温：具有公知的含义，具体是指15-35℃。

纳米磁铁：主要成分为铁和氧，其中铁主要以二价铁和三价铁的形式存在。

本发明的技术方案如下：

一种应用纳米磁铁促进絮状活性污泥颗粒化的方法，包括步骤如下：

将絮状活性污泥、纳米磁铁和污水混合，通过纳米磁铁和絮状活性污泥之间的相互作用促进絮状活性污泥的颗粒化；颗粒化过程在室温下、按周期进行，每个周期内，充分曝气。

根据本发明，所述絮状活性污泥为市政污水处理厂或工业废水处理厂的活性污泥。

根据本发明优选的，所述絮状活性污泥的质量和污水的体积比为2500-6000mg/l。

根据本发明优选的，所述纳米磁铁的质量和污水的体积比为10-200mg/l。

优选的，所述纳米磁铁的质量和污水的体积比为20-60mg/l。

根据本发明优选的，所述纳米磁铁和絮状活性污泥的质量比为1:20-400。

根据本发明优选的，所述纳米磁铁为磁性氧化铁纳米微球。所述磁性氧化铁纳米微球可市购获得或按现有技术制备得到。

根据本发明优选的，所述纳米磁铁的粒径为80-400nm，比表面积为10-30m²/g。

根据本发明，所述污水为城市生活污水，其中含有浓度为30-60mg/l的nh4⁺-n，cod为400-800mg/l。

根据本发明优选的，曝气量为0.1-0.5m³/h，每个周期内的曝气时间为3.5-11.5小时；水力停留时间为4-12小时。

优选的，曝气量为0.1m³/h，每个周期内的曝气时间为218min；水力停留时间为8小时。

根据本发明优选的，所述室温为20-30℃；最优选为20-25℃。

根据本发明优选的，所述颗粒化过程每天进行2-6个周期，每个周期3.75-13小时。

根据本发明优选的，每个周期内还包括：进水时间3-18min，静置时间10-25min，出水时间2-17min。

优选的，进水时间为6min，静置时间为12min，出水时间为4min。

根据本发明，一种优选的方案，应用纳米磁铁促进絮状活性污泥颗粒化的方法，包括步骤如下：

将絮状活性污泥接种于序批式反应器中，通入污水和纳米磁铁的混合液a；序批式反应器在室温下每天运行2-6个周期，每个周期内，充分曝气，曝气量为0.1-0.5m³/h，曝气时间为3.5-11.5小时，进水时间为3-18min，静置时间为10-25min，出水时间为2-17min；水力停留时间为4-12小时；所述进水是通入污水和纳米磁铁的混合液b，所述混合液b中纳米磁铁的质量浓度与混合液a中纳米磁铁的质量浓度相同，以维持序批式反应器中纳米磁铁的浓度不变。

根据本发明，所述序批式反应器(sequencingbatchreactor,sbr)为现有技术，利用序批式反应器按现有技术进行活性污泥培养好氧颗粒污泥。

现有的序批式反应器(sequencingbatchreactor,sbr)运行活性污泥颗粒化培养系统，sbr反应器由内管与外管组合构成,空气由气泵通过反应器底部中央安装的微孔曝气头进入反应器，形成的气流推动反应器内液体和污泥在内管中向上运动，然后在内外管壁之间向下运动，到反应器底部后再次被气流牵引向上运动，混合液可在内外管壁间循环流动并混合均匀；通过蠕动泵在反应器底部进水，由电磁阀控制排水口的通断，体积交换率为50％；sbr反应器的进水、曝气、沉降和排水时间均由双时间继电器自动控制，进水为城市生活污水。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的纳米磁铁具有独特的超顺磁性质，具有一定的吸附作用；纳米磁铁的比表面积效应，使得其在与活性污泥共存时可以影响活性污泥的絮凝性能，从而加快好氧颗粒化的过程；纳米磁铁具有的生物相容性能，可以使其与活性污泥共存而不致产生生物毒性；表面功能基团使得纳米磁铁亲水，在与活性污泥共存时，可以起到基体作用，并与活性污泥的基团发生作用，从而促进活性污泥由絮体到颗粒的转化；并且得到的颗粒更加密实，稳定性更好。

(2)本发明在保持处理效果的前提下，纳米磁铁可以较好地分散在絮状活性污泥体系中，并能转化为铁离子作为微量元素为微生物利用，有效促进颗粒化过程。因此,本发明应用纳米磁铁促进好氧污泥颗粒化具有高效、安全的特点。

(3)本发明的纳米磁铁容易购买且对环境安全无害，并且便于工程应用。

(4)本发明将纳米磁铁直接应用在促进污泥颗粒化过程中，加入少量的纳米磁铁，即能有效缩短污泥颗粒化时间，成本低、高效、安全、条件温和，常温常压下即可使用。本发明的方法运行费用低主要体现在铁的消耗上。例如，采用本方法向有效容积为5l中的污水处理系统中每次加入0.25g纳米磁铁，即可取得明显的促进效果，铁消耗少，成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例1使用的纳米磁铁的扫描电镜图。

图2为试验例1中污泥颗粒化进程效果图。

具体实施方式

以下结合实施例来对本发明作进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。

本发明实施例所用原料均为市购产品，所用设备均为常规设备。

实施例中污水处理所用反应器均为序批式反应器(sbr)，为市购常规水处理设备；

sbr反应器由内管与外管组合构成,空气由气泵通过反应器底部中央安装的微孔曝气头进入反应器，形成的气流推动反应器内液体和污泥在内管中向上运动，然后在内外管壁之间向下运动，到反应器底部后再次被气流牵引向上运动，混合液可在内外管壁间循环流动并混合均匀；通过蠕动泵在反应器底部进水，由电磁阀控制排水口的通断，体积交换率为50％，有效容积为5l；sbr反应器的进水、曝气、沉降和排水时间均由双时间继电器自动控制。

实施例中所述絮状活性污泥来源于市政污水处理厂曝气池。

实施例中所述城市生活污水取于城市污水处理厂调节池，其中含有浓度为40mg/l的nh4⁺-n，cod在500mg/l左右。

实施例中所用纳米磁铁上海阿拉丁生化科技股份有限公司有售，粒径约为200nm，比表面积为15m²/g。

实施例1

一种应用纳米磁铁促进絮状活性污泥颗粒化的方法，包括步骤如下：

将絮状活性污泥接种到序批式反应器中，通入城市生活污水和纳米磁铁的混合液5l(混合液中纳米磁铁的浓度为50mg/l)，使序批式反应器中污泥的浓度为4000mg/l，纳米磁铁的浓度为50mg/l；反应器在温度25℃下按周期运行，反应器周期内各阶段的运行转换都通过时间继电器进行控制，每天运行6个周期，水力停留时间(hrt)为8小时，每个周期4h，包括6min的进水时间，218min的曝气时间，12min的静置时间，4min的出水时间；每个周期内，用空气压缩机进行曝气，曝气量维持在0.1m³/h；每个周期内的进水为通入城市生活污水和纳米磁铁的混合液(混合液中纳米磁铁的浓度为50mg/l)，使序批式反应器中纳米磁铁的浓度维持在50mg/l。废水中的污染物降解效率得到提高。反应器10天后运行稳定。

本实施例中纳米磁铁的扫描电镜照片如图1所示，由图1可知，纳米磁铁为粒径为200nm左右的球形颗粒。

实施例2

一种应用纳米磁铁促进絮状活性污泥颗粒化的方法，步骤如实施例1所述，所不同的是：序批式反应器中纳米磁铁的浓度为10mg/l。

实施例3

一种应用纳米磁铁促进絮状活性污泥颗粒化的方法，步骤如实施例1所述，所不同的是：序批式反应器中纳米磁铁的浓度为100mg/l。

实施例4

一种应用纳米磁铁促进絮状活性污泥颗粒化的方法，步骤如实施例1所述，所不同的是：序批式反应器中纳米磁铁的浓度为200mg/l。

对比例1

一种絮状活性污泥颗粒化的方法，步骤如实施例1所述，所不同的是：不加入纳米磁铁。

试验例1

对实施例1和对比例1反应器中颗粒的粒径进行实时测定，结果如图2所示。图2中横坐标为天数，纵坐标为形成颗粒平均粒径(单位mm)；由图2可知，本发明加入纳米磁铁，可有效缩短污泥颗粒化时间。

试验例2

对实施例1-4和对比例1的反应器中形成粒径大于0.5mm的颗粒的时间进行测定，结果如表1所示。

表1不同纳米磁铁用量下好氧污泥颗粒化形成时间表

由表1可知，本发明能够以较小的纳米磁铁用量，有效缩短污泥颗粒化时间。