一种用于黑臭水体脱氮除磷的方法

本发明属于城市废水治理技术领域，具体涉及一种用于黑臭水体脱氮除磷的方法。

背景技术：

目前黑臭水体治理技术主要分为物理法、化学法、生物法。物理法主要包括外源截污、底泥疏浚、曝气复氧、引水调水。外源截污作为河道治理的前提手段，可以从源头上解决河道污染问题，但是管道铺放过程中施工量大，成本较高；底泥疏浚主要是通过各种手段将污染底泥从河道系统中转移出去，减少了底泥污染物的释放，降低了水体污染负荷，缺点是施工要求高，容易破坏水体原有的生态系统；曝气复氧主要是利用机械曝气的方式往水体中充入氧气提高环境的溶解氧浓度，提高有机物的降解速率，能够提高水体自净能力，有助于脱氮除磷，缺点是只能作为一种缓解措施，且对大流量的水域处理效果差，引水调水是将未污染或者污染较轻的水体引入污染水源中，从而降低水体的污染程度，能够稀释水体的污染物浓度，改善水动力条件，缺点是容易受水源条件影响，工程量大，成本高。

化学法主要包括化学絮凝、化学除藻及化学固定，化学絮凝是通过往河道投加含铝、铁的絮凝剂或者投加高分子絮凝剂从而发生絮凝去除反应，该法处理效果快，运行费用低，但是处理成本大，生成的絮凝剂难以去除；化学除藻是利用硫酸铜或有机化合物等除藻剂去除水体中的藻类的方法，除藻速度快，能较快净化水质，缺点是会对水体产生二次污染，且无法从根本上去除氮磷等污染物；化学固定的方式调节水体的ph,使重金属离子形成不溶或难溶的沉淀物，该法虽能显著降低水体的重金属浓度，可成本相对较高，易造成二次污染。

生物法因其成本低、无二次污染且治理效果持续时间长，在水体修复中受到了密切关注，它是利用动物、植物、微生物的生产生命活动来吸收、转化及降解水体中的污染物，主要包括人工湿地、生态浮岛及强化微生物技术，人工湿地通过利用土壤中的介质及生存的植物和微生物的物理、化学及生物转化作用来去除水体中的污染物，该方法工艺简单，运行费用低，广泛用于各地域河流治理中；生态浮岛是以无土栽培的方式利用植物发达的根系去除水体中的氮、磷等污染物，该法能有效去除水体中的污染物，同时具有一定的景观效应；微生物强化技术通过投加微生物菌剂来强化微生物的降解作用，从而提高污染物的吸附转化，因其投资少，见效快且无二次污染，除在河流修复中广泛应用之外，其在城市污水处理厂以及富营养化的污染水体整治中也较为常见。

综上，生物法相对于物理法、化学法来说应用前景广泛，却依然具有一些缺点，其在实际处理过程中总磷去除效果较差，且污染物去除效果易受季节影响而不稳定。

因此，需要设计一种新的用于黑臭水体脱氮除磷的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于黑臭水体脱氮除磷的方法，以解决背景技术中提出的目前的生物法在实际处理黑臭水体过程中总磷去除效果较差，且污染物去除效果易受季节影响而不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于黑臭水体脱氮除磷的方法，所述用于黑臭水体脱氮除磷的方法包括以下步骤：

步骤1、将微生物菌剂加入反应容器中，加入模拟废水进行曝气驯化，使微生物恢复活性并适应相关水体环境；

步骤2、将类水滑石与恢复活性的微生物按一定比例转移至sbr反应器中，sbr反应器底部放置河道底泥，控制sbr反应器内微生物菌剂的浓度为3～5g/l，该sbr的运行模式如下：

步骤2.1、进水阶段：往sbr反应器中进黑臭水，进完黑臭水后静置；

步骤2.2、运行阶段：利用曝气泵为sbr反应器进行曝气，曝气停止后进行缺氧搅拌；

步骤2.3、排水阶段：搅拌停止后静置沉淀，再排出上清液，定期监测进出水中的氨氮及总磷浓度。

在一种具体的实施方式中，所述步骤1中，模拟废水中包括有：浓度为380～424mg/l的淀粉、浓度为105～109mg/l的尿素、浓度为98～102mg/l的feso4·7h2o、浓度为56～60mg/l的kh2po4、浓度为116～120mg/l的cacl4·h2o、浓度为98～102mg/l的mgso4·7h2o。

在一种具体的实施方式中，所述步骤1中，曝气驯化的天数为6～8天，每天曝气的时间为5～7小时，曝气量为3～5l/min，水力停留时间为22～26小时，所述微生物菌剂为用于处理黑臭水体的好氧厌氧兼性菌。

在一种具体的实施方式中，所述步骤2中的类水滑石种类为锌铝铁类水滑石。

在一种具体的实施方式中，所述锌铝铁类水滑石的制备步骤为：

将zn(no3)2溶液、al(no3)3溶液和fe(no3)3溶液按一定比例配制成混合盐溶液，将浓度为0.04～0.06mol/l的na2co3溶液、浓度为0.6～1.0mol/l的naoh溶液配置成混合碱溶液，再将上述两种溶液缓缓滴加入容器中，ph控制为9±0.2，在58～62℃下搅拌直至溶液滴加完毕，再将所得的混合悬浊液置于78～82℃的环境中陈化16～20h，过滤后利用去离子水和无水乙醇轮流冲洗干净，将滤渣在68～72℃条件下烘22～26h，研磨后经过200目筛得到锌铝铁类水滑石。

在一种具体的实施方式中，zn(no3)2溶液、al(no3)3溶液及fe(no3)3溶液配制混合盐溶液的摩尔比为28～32：8～10：1。

在一种具体的实施方式中，通过对sbr反应器进行定期排菌处理，控制sbr反应器内微生物菌剂的浓度为3～5g/l；所述黑臭水的水体中总磷浓度为2～4mg/l。

在一种具体的实施方式中，用于黑臭水体脱氮除磷的方法采用了一种用于黑臭水体脱氮除磷的系统，用于黑臭水体脱氮除磷的系统包括进水箱、进水泵、止水阀、sbr反应器、曝气泵、出水泵和出水箱，进水箱与sbr反应器之间设置有进水管，进水管上设置有进水泵和止水阀，sbr反应器内设置有搅拌器，sbr反应器的侧壁中部设置有取样口，sbr反应器的底部设置有排泥口，曝气泵与设置在sbr反应器底部的曝气孔相通，sbr反应器与出水箱之间设置有出水管，出水管上设置有出水泵，出水管的入口设置在sbr反应器的上部。

在一种具体的实施方式中，所述步骤2中，转移至sbr反应器时，类水滑石与恢复活性的微生物的质量比为1：8～12。

在一种具体的实施方式中，所述进水阶段，采用虹吸法进水，进水时间为25～35min，进水后静置时间为1.5～2.5小时；所述运行阶段，每天的曝气时间为7～9小时，曝气量为3～5l/min，缺氧搅拌的时间为9～11小时，搅拌速率为140～160r/min，每隔14～16天重新往sbr反应器中投加类水滑石；所述排水阶段，采用虹吸法排出上清液，搅拌停止后静置沉淀时间为3～4小时。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明中的类水滑石/微生物复合材料通过复合高比表面积的类水滑石，将水体中的磷酸盐等污染物富集于微生物表面，有利于污染物的生物降解和转化，使sbr反应器能够保持稳定高效的磷酸盐去除效率。

本发明中的类水滑石材料来源广泛，制备工艺简单，生产成本低，能够降低城市水体治理过程中的运行成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种实施例的用于黑臭水体脱氮除磷的系统的示意图；

图2是本发明一种实施例的总磷去除效果对比图；

图3是本发明一种实施例的氨氮去除效果对比图；

图4是本发明一种实施例的类水滑石/微生物复合材料的eps的蛋白质含量变化图；

图5是本发明一种实施例的类水滑石/微生物复合材料的eps的多糖含量变化图；

图6是本发明一种实施例的锌铝铁类水滑石对正磷酸盐的等温吸附曲线图。

其中，1、进水箱；2、进水泵；3、止水阀；4、搅拌器；5、取样口；6、出水泵；7、出水箱；8、排泥口；9、曝气泵；10、sbr反应器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

将浓度为3mol/l的zn(no3)2、浓度为0.9mol/l的al(no3)3、浓度为0.1mol/l的fe(no3)3按30：9：1的摩尔比配制成混合盐溶液，将浓度为0.05mol/l的na2co3、浓度为0.8mol/l的naoh配置成混合碱溶液，再将上述两种溶液缓缓滴加入三颈烧瓶中，ph控制为9±0.2，在60℃下恒温搅拌直至溶液滴加完毕，再将所得的混合悬浊液置于80℃的环境中陈化18h，过滤后利用去离子水和无水乙醇轮流冲洗干净，70℃条件下烘干24h，研磨后经过200目筛得到锌铝铁类水滑石材料。

将浓度为5g/l的市面上购置的复合微生物菌剂加入反应容器中，加入模拟废水进行7天的曝气驯化，模拟废水中的淀粉含量为402mg/l、尿素含量为107mg/l、feso4·7h2o含量为100mg/l、kh2po4含量为58mg/l、cacl2·h2o含量为118mg/l、mgso4·7h2o含量为100mg/l，曝气时间为6h/d，曝气量为4l/min，振荡时间为8h/d，振荡速度为150r/min，水力停留时间为24h，使微生物恢复活性并适应相关水体环境。微生物菌剂为用于处理黑臭水体的好氧厌氧兼性菌。

将上述制备的锌铝铁类水滑石(每隔14～16天需重新往sbr反应器中投加类水滑石材料)与上述恢复活性的微生物以1：10的比例转移至sbr反应器中，sbr反应器容积为5l，反应器中部及底部设有取样口，中间设有螺旋搅拌装置，反应器底部放置1l河道底泥，控制微生物菌剂的投加量为3～5g/l，水力停留时间为24h，该sbr反应器的运行模式如下：

进水阶段：利用虹吸法进水，进水为城市废水即黑臭水的一种，黑臭水的水体中总磷浓度为3mg/l，进水时间为30min，进水后静置2h；

运行阶段：利用曝气泵为sbr反应器进行曝气，曝气时间为8h，曝气量为3～5l/min，曝气停止后进行缺氧搅拌，搅拌时间为10h，搅拌速率为150r/min；

排水阶段：搅拌停止后静置沉淀3h，利用虹吸法排出上清液，排水时间为30min，定期监测进出水中的总磷及氨氮浓度，测量结果如图2、3所示，总磷去除率能达到90％以上，出水总磷浓度低于0.3mg/l，达到地表水ⅳ类水质标准(gb3838-2002)，氨氮去除率也达到了60％以上。

用于黑臭水体脱氮除磷的方法采用了一种用于黑臭水体脱氮除磷的系统，用于黑臭水体脱氮除磷的系统包括进水箱、进水泵、止水阀、sbr反应器、曝气泵、出水泵和出水箱，进水箱与sbr反应器之间设置有进水管，进水管上设置有进水泵和止水阀，sbr反应器内设置有搅拌器，sbr反应器的侧壁中部设置有取样口，sbr反应器的底部设置有排泥口，曝气泵与设置在sbr反应器底部的曝气孔相通，sbr反应器与出水箱之间设置有出水管，出水管上设置有出水泵，出水管的入口设置在sbr反应器的上部。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：实施例2未添加锌铝铁类水滑石材料，其他步骤均与实施例1相同。总磷及氨氮的去除率具体见图2、3，总磷去除效果和氨氮去除效果分别为50％左右和45％左右。

由实施例1和实施例2的对比结果可知，实施例1具有良好的总磷去除效果，与未投加类水滑石的实施例2相比具有更好的脱氮除磷效果，在水质波动时有助于减弱水质对脱氮除磷效果的影响，达到一个高效稳定的脱氮除磷作用。另外锌铝铁类水滑石密度相对较大，会沉积在sbr反应器底部，在排泥的过程中也会随泥一起排出，减少了对水体的二次污染。

实施例3

将运行25天后的实施例1中污泥样品首先离心15分钟(4000r/min，4℃)，取上清液，上清液中的有机物即为松散型eps(s-eps)。往离心管剩余的污泥颗粒中加入0.05％nacl溶液，悬浮至原体积，这个步骤重复两次。将污泥悬浮液离心(4000r/min，4℃)10min，上清液中的有机物即为松散型eps(lb-eps)。将离心管中残余的污泥颗粒用0.05％nacl溶液悬浮，此步骤重复两次，而后在60℃水浴中加热30min，再离心15min(4000r/min，4℃)，收集的上清液中有机物即为紧密型eps(tb-eps)。

采用三种不同的处理方式分为三组：控制组、生物组以及生物材料组。控制组是单纯加底泥然后曝气处理，生物组是加了底泥和恢复活性的微生物然后曝气处理，生物材料组是加了底泥、微生物和材料即类水滑石然后曝气处理。通过三种不同的分组进行对比分析。

eps中的pn即蛋白质主要成分是酶，大多数可充当电子传递载体，也有利于维持微生物结构的稳定。根据lowry-folin法利用紫外分光光度计测出的pn含量，由图4可知，类水滑石材料的加入对于生物pn总量基本无影响，证明类水滑石材料加入后对于微生物的结构稳定性无较大影响。

实施例4

实施例4与实施例3的区别在于：根据蒽酮法利用紫外分光光度计测定ps含量，其他步骤均与实施例3相同。

eps中的ps为细链多糖，以网状结构附在细胞表面，根据测定结果由图5可知，类水滑石材料的加入减少了微生物表面的ps含量，增加类水滑石材料与微生物表面直接接触的可能性，利于两者之间的电子传递。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

实施例5

配制8组浓度不同的正磷酸盐模拟黑臭水体，浓度从小到大依次为0.2、0.5、1、2、5、10、20和50mg/l，使用1mol/lhcl和1mol/lnaoh溶液调节ph值为7.0±0.1。称取锌铝铁类水滑石0.075g分别投入到150ml的8组不同浓度正磷酸盐的模拟黑臭水体中，25℃和200rpm下振荡6h。实验结果利用langmuir方程拟合后得到锌铝铁类水滑石对模拟黑臭水体中正磷酸盐的拟合饱和吸附量为7.5mg/g，如图6所示。

由实施例5可知，单一类水滑石对于正磷酸盐的饱和吸附量为7.5mg/g，按每日总磷的进水量算，在仅投加类水滑石的情况下反应器每日运行之后将会达到吸附饱和，从而需要更换材料，而类水滑石/微生物复合材料可以稳定运行15天左右，因此类水滑石/微生物复合材料相对于单一材料来说具有更大的经济优势，有助于其在废水处理中的工业化应用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。