醌介体改性生物炭材料的制备方法及颗粒化反应装置

本发明属于污水生物处理领域，具体涉及一种改性生物炭颗粒内核材料的制备方法及厌氧颗粒污泥处理装置。

背景技术：

1、在染料生产和纺织品染色工业中，大量染料随着生产废水排出，形成具有高色度、高强度、高生物毒性、以及难生物降解等特点的染料废水。偶氮染料废水被认为是一种难治理的有毒的高浓度工业废水。在所有染料中，偶氮染料是目前工业上应用最为广泛的一大类染料，占总使用量的半数以上。因此提高偶氮废水处理效率是有效处理印染废水的关键。

2、生物法是目前应用最为广泛的处理印染废水的方法，其中厌氧水解和好氧处理相结合的工艺是处理这类废水的最有效的方法。因为染料具有分子较低的氧化还原电位、复杂的结构和空间阻碍，使得还原断键反应成为偶氮染料整个矿化过程的限速步骤，这其中的主要限制因素是较低的电子传递速率，进而导致处理污染物所需的停留时间变长，提高反应器的容积以及增加制造成本。这也限制了厌氧技术在偶氮类印染废水处理中的应用。

3、某些含有醌基的溶解性化合物能够有效的加速偶氮染料的生物转化，可以将偶氮染料的生物转化速率提高几个数量级，具有广泛的应用价值。由于醌介体具有较强的水溶性，直接加入到反应体系内易随水排除，带来二次污染以及成本高的缺点。

4、因为厌氧颗粒污泥较高的生物浓度、较强的抗冲击能力、优良的沉降性能等优点，将其用于印染废水的处理可以提升其处理能力，但颗粒污泥工艺主要存在颗粒化时间长的缺点，如何快速实现污泥的颗粒化，仍然是颗粒污泥技术研究和应用的瓶颈问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决偶氮染料废水难处理，颗粒污泥工艺颗粒化时间长的问题，而提供一种醌介体改性生物炭材料的制备方法及颗粒化反应装置。

2、本发明醌介体改性生物炭材料的制备方法按照以下步骤实现：

3、一、将污水厂二沉池的剩余污泥置于管式炉中，在氮气氛围下热解处理，得到污泥生物炭；

4、二、用去离子水洗涤污泥生物炭多次，烘干后研磨过筛，得到洗涤后的污泥生物炭；

5、三、将蒽醌-2-磺酸钠溶解在二氯甲烷中，加入氯化亚砜以55～65℃进行酰氯化反应，蒸干溶剂后得到蒽醌-2-磺酰氯；

6、四、将洗涤后的污泥生物炭浸入去离子水中，添加氨水调节体系的ph＝10，加热至90～98℃再加入二乙酰三胺，混合反应液继续搅拌8～10h，反应结束后抽滤、干燥，得到氨基化的污泥生物炭；

7、五、将氨基化的污泥生物炭置于无水乙醇和二氯甲烷混合溶液中，加入蒽醌-2-磺酰氯，以35～40℃的温度反应2～4h，反应结束后烘干，得到醌介体改性生物炭材料。

8、本发明改性后的生物炭通常具有高表面积和多孔性，提供了微生物生长和附着的场所。微生物可以在生物炭的表面定居，形成生物膜，并通过粘合作用促进污泥颗粒的颗粒化。

9、本发明是以污水厂的剩余污泥为原料制备的生物炭，通过不同温度的热解减少密度，减小粒径，使其能够悬浮在水体中，适用于作为颗粒污泥的基底材料。本发明将污泥生物炭进行氨基化处理，然后将醌化合物蒽醌-2-磺酸钠(aqs)负载到生物炭表面制备成醌介体材料，形成颗粒污泥的内核。由于aqs发生了酰氯化反应，而酰氯和氨基化合物可以发生酰胺化反应，生成酰胺类化合物。生物炭氨基化后则使aqs与生物炭之间以共价键相连，得到更稳定的aqs功能化生物炭材料。

10、本发明絮体污泥颗粒化的反应装置包括反应器室、三相分离器和循环水泵，反应器室的底部为倒锥形，反应器室的中部为圆柱形，反应器室的顶部设置三相分离器，在反应器室的底部开有进水口，反应器室的中部为污泥区，在污泥区中装填有醌介体改性生物炭材料与厌氧污泥的混合物，污泥区的上部开有回流口，回流管的一端与回流口相连通，回流管的另一端与进水口连通，在回流管上设置有循环水泵，三相分离器的顶部开有出气孔，三相分离器的侧壁开有进水口。

11、本发明絮体污泥颗粒化的反应装置的主体为升流式厌氧生物反应器，底部设有进水口和布水板，中部设有污泥区，顶部设有三相分离器和内回流口，最顶部设有出气孔和溢流堰。

12、本发明采用改性生物炭颗粒作为内核材料，生物炭表面丰富的空隙结构，可以为微生物提供更大的栖息空间，生物炭表面所负载的醌介体能够提高微生物种间的电子转移速率，提高微生物间的相互协同作用，进而，提高对外界环境的抵御能力，实现厌氧反应器的高效稳定运行。

13、本发明提供了一种针对颗粒污泥的新型内核制备方法，以污水厂二沉池污泥为基底生物炭，将蒽醌化合物负载到其表面作为颗粒污泥的内核，改善微生物的聚集载体条件，缩短颗粒污泥的形成时间，提高颗粒污泥的厌氧还原能力，从而提高偶氮染料废水的厌氧生物处理效能。将污水厂二沉池的剩余污泥制备成生物炭是一种废物处理和资源化利用的整合方式，也是实现减少碳排放的有效方法。本发明通过氨基化预处理将蒽醌化合物负载到生物炭上，醌介体材料，利用其作为内核放置在生物反应器中缩短颗粒污泥的形成时间，可以强化偶氮染料的厌氧生物处理。

技术特征：

1.醌介体改性生物炭材料的制备方法，其特征在于该制备方法按下列步骤实现：

2.根据权利要求1所述的醌介体改性生物炭材料的制备方法，其特征在于步骤一所述的剩余污泥为二沉池中的沉降污泥。

3.根据权利要求1所述的醌介体改性生物炭材料的制备方法，其特征在于步骤一所述的热解处理过程中控制氮气流量为1l/min，升温速率5℃/min，于800℃的条件下高温热解2h。

4.根据权利要求1所述的醌介体改性生物炭材料的制备方法，其特征在于步骤五中氨基化的污泥生物炭与蒽醌-2-磺酰氯的质量比为1：(3～6)。

5.根据权利要求1所述的醌介体改性生物炭材料的制备方法，其特征在于步骤五中以35～40℃的温度反应2h。

6.絮体污泥颗粒化的反应装置，其特征在于该反应装置包括反应器室(1)、三相分离器(2)和循环水泵(3)，反应器室(1)的底部为倒锥形，反应器室(1)的中部为圆柱形，反应器室(1)的顶部设置三相分离器(2)，在反应器室(1)的底部开有进水口(1-1)，反应器室(1)的中部为污泥区，在污泥区中装填有醌介体改性生物炭材料与厌氧污泥的混合物，污泥区的上部开有回流口，回流管(4)的一端与回流口相连通，回流管(4)的另一端与进水口连通，在回流管(4)上设置有循环水泵(3)，三相分离器(2)的顶部开有出气孔(2-1)，三相分离器(2)的侧壁开有进水口(2-2)。

7.根据权利要求6所述的絮体污泥颗粒化的反应装置，其特征在于在污泥区的下部设置有布水板。

8.根据权利要求6所述的絮体污泥颗粒化的反应装置，其特征在于在反应器室(1)的中部沿高度方向开有多个取样口(5)。

9.根据权利要求6所述的絮体污泥颗粒化的反应装置，其特征在于污泥区中厌氧污泥的浓度为3000-3500mg/l。

10.根据权利要求6所述的絮体污泥颗粒化的反应装置，其特征在于污泥区中醌介体改性生物炭颗粒浓度为2.5-3.5g/gmlss。

技术总结
醌介体改性生物炭材料的制备方法及颗粒化反应装置，本发明的目的是解决偶氮染料废水难处理，颗粒污泥工艺颗粒化时间长的问题。制备方法：一、在氮气氛围下对剩余污泥热解处理，得到污泥生物炭；二、用去离子水洗涤污泥生物炭多次；三、将蒽醌‑2‑磺酸钠溶解在二氯甲烷中，加入氯化亚砜进行酰氯化反应；四、将洗涤后的污泥生物炭浸入去离子水中，调节体系pH后加入二乙酰三胺，得到氨基化的污泥生物炭；五、将氨基化的污泥生物炭与蒽醌‑2‑磺酰氯进行反应，得到醌介体改性生物炭材料。本发明以污水厂二沉池污泥为基底生物炭，将蒽醌化合物负载到其表面作为颗粒污泥的内核，改善微生物的聚集载体条件，缩短颗粒污泥的形成时间。

技术研发人员：吴传栋,丁杰,张国科,杨珊珊
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15