铁碳耦合微生物膜载体材料及其反应装置和脱氮除磷系统的制作方法

1.本发明属于废水处理技术领域，具体涉及铁碳耦合微生物膜载体材料及其反应装置和脱氮除磷系统。


背景技术：

2.当前因大量低碳氮比污水引起的地表水富营养化和地下水污染已严重影响人们的生活，利用反硝化细菌对污水进行脱氮反硝化是治理污水主要途径之一，利用反硝化细菌将no
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n还原为n2需要利用水中有机碳源作为电子供体，但低c/n比污水中有机碳源含量低，利用传统生物法难以实现深度脱氮。已有技术中通常利用外加碳源来解决污水脱氮过程碳源不足的问题，常见的碳源有蔗糖、葡萄糖、乙酸、乙醇和甲醇等，然而，外加碳源易出现二次污染，而且碳源的种类对反硝化速率有很大的影响，存在no
2-‑
n积累、处理成本高等问题，同时碳源的投加增加co2的排放量，外加碳源反硝化在低c/n比污水深度脱氮中的应用受到极大限制。
3.研究发现生物接触氧化法是低c/n污水处理优选工艺，但生物填料易堵塞的问题成为生物接触氧化法应用的主要制约因素，因此需强化预处理。零价铁化学性质活泼，对no
3-‑
n具有较强的还原作用，同时零价铁脱氮反应生成的铁离子可强化tp去除，实现同步脱氮除磷。随着零价铁为基质的自养反硝化脱氮技术理论研究的不断深入，零价铁为基质的脱氮技术逐渐应用到低c/n污水的处理。但以零价铁为基质的自养反硝化技术仍存在中性或偏碱性条件下自腐蚀速率低、所需水力停留时间长、自养反硝化体系微生物无法附着、长期运行极易板结等问题。因此，提供一种可满足目前需求的高效自养反硝化铁基质填料及装置，是生物接触氧化法处理低碳氮比污水脱氮除磷工艺的关键。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供铁碳耦合微生物膜载体材料及其反应装置和脱氮除磷系统。本发明提供一种以灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、蒙脱土和尿素为原料的铁碳耦合微生物膜载体材料，可充分利用灰渣中多种金属组分与碳之间的原电池效应实现微生物挂膜，具有孔结构丰富，易于挂膜和挂膜稳固性高的优点。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种铁碳耦合微生物膜载体材料，其特征在于，原料包括灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、蒙脱土和尿素，所述原料中灰渣的质量百分含量为55％，尿素的质量百分含量为20％，硅酸钠的质量百分含量为12％，蒙脱土的质量百分含量为8％，聚四氟乙烯的质量百分含量为5％。
6.上述的一种铁碳耦合微生物膜载体材料，其特征在于，所述灰渣为高炉灰渣，所述高炉灰渣的粒径为200μm～400μm。
7.此外，本发明还提供一种制备上述的铁碳耦合微生物膜载体材料的方法，其特征在于，包括：
8.步骤一、将灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、尿素、蒙脱土和去离子水混合进行造粒，得
到粒料；
9.步骤二、将步骤一所述粒料置于管式炉中，在co气氛中进行真空碳化，通入n2冷却至室温，得到铁碳耦合微生物膜载体材料。
10.上述的方法，其特征在于，步骤一所述粒料的粒径为20μm～200μm。
11.上述的方法，其特征在于，步骤一所述去离子水的质量为灰渣质量的5倍～10倍。
12.上述的方法，其特征在于，步骤二所述真空碳化具体包括：以6℃min-1
～12℃min-1
的升温速率升至300℃～500℃进行20min～40min的预热，然后以4℃min-1
～7℃min-1
的升温速率升至800℃～1400℃并保持1h～3h。
13.进一步的，本发明还提供一种污水同步脱氮除磷处理用铁碳耦合微生物反应装置，其特征在于，包括铁碳耦合微生物膜材料和反应器本体，所述铁碳耦合微生物膜材料为上述铁碳耦合微生物膜载体材料经待处理污水挂膜培养后得到的铁碳耦合微生物膜材料。
14.上述的污水同步脱氮除磷处理用铁碳耦合微生物反应装置，其特征在于，所述反应器本体包括连通的筒体和空心圆台体，所述空心圆台体设置于筒体下部且所述空心圆台体的上底面连接于筒体上，所述空心圆台体下底面处开设有流体入口，所述流体入口上安装有曝气装置，所述曝气装置上且远离流体入口的一端安装有进流管，所述筒体侧部设置有流体出口和取泥管，所述流体出口距离所述流体入口的距离大于取泥管距离流体入口的距离，所述筒体内设置有不锈钢网，所述铁碳耦合微生物膜材料设置于不锈钢网上。
15.上述的污水同步脱氮除磷处理用铁碳耦合微生物反应装置，其特征在于，所述不锈钢网的孔径为20μm～40μm。
16.更进一步的，本发明还提供一种污水同步脱氮除磷处理系统，其特征在于，包括依次连通的厌氧释磷区、铁碳耦合微生物自养反硝化区、厌氧氨氧化区、好氧曝气区和污泥沉淀区，上述的污水同步脱氮除磷处理用铁碳耦合微生物反应装置设置于铁碳耦合微生物自养反硝化区内。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：
18.1、本发明提供一种以灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、尿素和蒙脱土为原料的铁碳耦合微生物膜载体材料，可充分利用灰渣中多种金属组分与碳之间的原电池效应实现微生物挂膜，具有孔结构丰富，易于挂膜和挂膜稳固性高的优点。
19.2、本发明的铁碳耦合微生物膜载体材料原料中，灰渣优选为高炉灰渣，具有来源广泛的特点，可充分实现以废制废，促进工业废弃物的循环利用。
20.3、本发明提供一种污水同步脱氮除磷处理用铁碳耦合微生物反应装置，包括将上述铁碳耦合微生物膜载体材料污水挂膜培养后得到铁碳耦合微生物膜材料，具有装置结构简单，易于推广应用的特点。
21.4、本发明提供污水同步脱氮除磷处理系统，包括上述铁碳耦合微生物反应装置，充分利用铁碳耦合生物自养反硝化与厌氧氨氧化，协同处理，不需要额外添加碳源，可有效解决低碳氮比污水有机碳源不足所导致的生物脱氮效率低的缺陷，减少碳足迹，节省运行成本，无二次污染产生。
22.下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
23.图1为应用例1的污水同步脱氮除磷处理用铁碳耦合微生物反应装置的结构示意图。
24.图2为应用例2的污水同步脱氮除磷处理系统的结构示意图。
25.附图标记说明
26.1—进流管；
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2—曝气装置；
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3—进气管；
27.4—空心圆台体；
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41—流体入口；
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5—取泥管；
28.6—不锈钢网；
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7—筒体；
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8—流体出口；
29.9—厌氧释磷区；
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10—铁碳耦合微生物自养反硝化区；
30.11—厌氧氨氧化区；
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12—好氧曝气区；
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13—污泥沉淀区。
具体实施方式
31.实施例1
32.本实施例提供一种铁碳耦合微生物膜载体材料，原料包括灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、蒙脱土和尿素，所述原料中灰渣的质量百分含量为55％，尿素的质量百分含量为20％，硅酸钠的质量百分含量为12％，蒙脱土的质量百分含量为8％，聚四氟乙烯的质量百分含量为5％；所述灰渣为高炉灰渣，所述高炉灰渣的粒径为250μm～350μm；所述聚四氟乙烯购买自上海何森；
33.本实施例还提供一种制备上述铁碳耦合微生物膜载体材料的方法，包括：
34.步骤一、将灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、尿素、蒙脱土和去离子水混合置于造粒机中进行造粒，得到粒径为100μm～150μm的粒料；所述去离子水的质量为灰渣质量的8倍；
35.步骤二、将步骤一所述粒料置于管式炉中，co气氛中，以10℃min-1
的升温速率升至400℃进行30min的预热，然后以5℃min-1
的升温速率升至1200℃进行2h的真空碳化，通入n2气冷却至室温，得到铁碳耦合微生物膜载体材料；所述室温为20℃～25℃。
36.实施例2
37.本实施例提供一种铁碳耦合微生物膜载体材料，原料包括灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、蒙脱土和尿素，所述原料中灰渣的质量百分含量为55％，尿素的质量百分含量为20％，硅酸钠的质量百分含量为12％，蒙脱土的质量百分含量为8％，聚四氟乙烯的质量百分含量为5％；所述灰渣为高炉灰渣，所述高炉灰渣的粒径为200μm～300μm；所述聚四氟乙烯购买自上海何森；
38.本实施例还提供一种制备上述铁碳耦合微生物膜载体材料的方法，包括：
39.步骤一、将灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、尿素、蒙脱土和去离子水混合置于造粒机中进行造粒，得到粒径为20μm～100μm的粒料；所述去离子水的质量为灰渣质量的5倍；
40.步骤二、将步骤一所述粒料置于管式炉中，co气氛中，以6℃min-1
的升温速率升至300℃进行40min的预热，然后以4℃min-1
的升温速率升至800℃进行3h的真空碳化，通入n2气冷却至室温，得到铁碳耦合微生物膜载体材料；所述室温为20℃～25℃。
41.实施例3
42.本实施例提供一种铁碳耦合微生物膜载体材料，原料包括灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、蒙脱土和尿素，所述原料中灰渣的质量百分含量为55％，尿素的质量百分含量为20％，
硅酸钠的质量百分含量为12％，蒙脱土的质量百分含量为8％，聚四氟乙烯的质量百分含量为5％；所述灰渣为高炉灰渣，所述高炉灰渣的粒径为300μm～400μm；所述聚四氟乙烯购买自上海何森；
43.本实施例还提供一种制备上述铁碳耦合微生物膜载体材料的方法，包括：
44.步骤一、将灰渣、硅酸钠、聚四氟乙烯、尿素、蒙脱土和去离子水混合置于造粒机中进行造粒，得到粒径为100μm～200μm的粒料；所述去离子水的质量为灰渣质量的10倍；
45.步骤二、将步骤一所述粒料置于管式炉中，co气氛中，以12℃min-1
的升温速率升至500℃进行20min的预热，然后以7℃min-1
的升温速率升至1400℃进行1h的真空碳化，通入n2气冷却至室温，得到铁碳耦合微生物膜载体材料；所述室温为20℃～25℃。
46.上述铁碳耦合微生物膜载体材料，利用原料中多种组分与碳之间的原电池效应，实现微生物挂膜。
47.应用例1
48.本应用例提供一种污水同步脱氮除磷处理用铁碳耦合微生物反应装置，如图1所示，所述反应器本体包括连通的筒体7和空心圆台体4，所述空心圆台体4设置于筒体7下部且所述空心圆台体4的上底面连接于筒体7上，所述空心圆台体4下底面处开设有流体入口41，所述流体入口41上安装有曝气装置2，所述曝气装置2上且远离流体入口41的一端安装有进流管1，所述筒体7侧部设置有流体出口8和取泥管5，所述流体出口8距离所述流体入口41的距离大于取泥管5距离流体入口41的距离，所述筒体7内设置有不锈钢网6，所述铁碳耦合微生物膜材料设置于不锈钢网6上。所述空心圆台体4的上底面面积大于下底面的面积。
49.所述不锈钢网6的孔径为20μm～40μm；所述铁碳耦合微生物膜材料为上述实施例1～3任一实施例所得铁碳耦合微生物膜载体材料经待处理污水挂膜培养后得到的铁碳耦合微生物膜材料。
50.所述曝气装置2用于供氧，所述曝气装置2为文丘里曝气器，所述文丘里曝气器包括曝气器本体，所述曝气器本体中部垂直安装有进气管3。
51.所述挂膜培养可以为本领域常用挂膜培养方式，比如可以为：将铁碳耦合微生物膜载体材料置于污水同步脱氮除磷处理用铁碳耦合微生物反应装置中进行10天的挂膜培养，挂膜培养温度为25℃左右，取出3/4挂膜后颗粒，余下1/4挂膜后颗粒作为接种生物膜，与新加入的3/4铁碳耦合微生物膜载体材料混合，得到铁碳耦合微生物膜材料。
52.应用例2
53.本应用例提供一种污水同步脱氮除磷处理系统，如图2所示，所述处理系统包括依次连通的厌氧释磷区9、铁碳耦合微生物自养反硝化区10、厌氧氨氧化区11、好氧曝气区12和污泥沉淀区13，应用例1所述铁碳耦合微生物反应装置设置于铁碳耦合微生物自养反硝化区10内；
54.所述铁碳耦合微生物自养反硝化区10出口与厌氧释磷区9连通形成第一内循环回流通路；所述第一内循环回流通路内流体的回流比为200％～400％；从铁碳耦合微生物自养反硝化区10流出的泥水混合物经第一内循环回流通路流回至厌氧释磷区9；
55.所述厌氧释磷区9、厌氧氨氧化区11和好氧曝气区12内分别设置有填料，所述填料比如可以为常见微生物挂膜载体；
56.所述好氧曝气区12与铁碳耦合微生物自养反硝化区10连通形成第二内循环回流
通路；所述第二内循环回流通路内流体的回流比为100％～300％；好氧曝气区12内的泥水混合物经第二内循环回流通路流回至铁碳耦合微生物自养反硝化区10；
57.好氧曝气区12出口和铁碳耦合微生物自养反硝化区10连通形成污泥回流通路，所述污泥回流通路中污泥的回流比为80％～100％；从好氧曝气区12出口流出的污泥一部分回流至铁碳耦合微生物自养反硝化区10，另一部分进入污泥沉淀区13，泥水混合物经污泥沉淀区13沉淀处理，得到处理水，从污泥沉淀区13的出口流出；
58.所述污水同步脱氮除磷处理系统还包括第一ph计、第一溶解氧监测器、恒温装置、第二ph计和第二溶解氧监测器，所述第一ph计和第一溶解氧监测器设置于铁碳耦合微生物反应装置上，所述恒温装置、第二ph计和第二溶解氧监测器设置于厌氧氨氧化区11，用于监控对应反应区中体系参数，所述厌氧氨氧化区11内流体温度为30℃～35℃，ph为7～8；
59.所述污水同步脱氮除磷处理系统还包括用于调控铁碳耦合微生物反应装置内流体ph值和/或厌氧氨氧化区11内流体ph值的nahco3溶液，所述nahco3溶液浓度可以为2mol/l。
60.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。