一种用于黑臭水体的类水滑石改性MBBR填料的方法与流程

一种用于黑臭水体的类水滑石改性mbbr填料的方法
技术领域
1.本发明涉及城市废水治理技术领域，具体涉及用于黑臭水体的类水滑石改性mbbr填料的方法。


背景技术：

2.黑臭水体是当前突出的水环境问题。这些季节性和常年性水体黑臭现象严重影响了城市形象、生态环境和市民身心健康。因此，急需采取行动消除城市黑臭河道，改善城市水环境质量，以保障城市人居健康，促进社会和谐与经济持续发展。
3.黑臭水体治理技术主要分为物理法、化学法、生物法。物理法主要包括截污纳管、底泥疏浚、引水冲污、机械除藻、覆盖法等，化学法主要包括化学絮凝、化学除藻及化学固定，生物法主要包括人工湿地、生态浮岛及微生物修复技术。
4.移动床生物膜反应器工艺(moving bed biofilm reactor，mbbr)在国外发展较早，截至 2009年就有600余套mbbr系统在50多个国家得到应用。在2000年左右被国内引进，早期由于流化、拦截等系列问题没有得到系统解决，在国内一直存在应用瓶颈。直至2008年首次在无锡污水处理厂被成功运用并良好运行后，才开始在国内逐步推广。
5.mbbr是向反应器中投加悬浮载体作为微生物生长的场所，附着生物膜的悬浮载体在反应器中的流动状态与活性污泥相近，被称为“流动的生物膜”。该工艺主要具备以下优点，有机负荷高、抗冲击能力强、同等处理效果下池体更小、生物停留时间独立于水力停留时间、污泥产量少、无需污泥回流、方便改造、易于固液分离等。
6.相对于其他类型填料形式而言，mbbr填料具有挂膜挂膜速度慢，生物膜附着不牢固等问题，限制了mbbr反应器的部分应用场景，针对目前的问题，可以通过提高mbbr填料的亲水性和生物亲和性，改变填料表面性质，通过静电结合作用利于微生物与填料表面进行粘附，进而提高mbbr填料挂膜速度及结合程度的问题。


技术实现要素：

7.基于以上所述，本发明旨在提出用于黑臭水体处理的mbbr反应器中的类水滑石改性 mbbr填料的方法，用以解决mbbr填料挂膜时间长和生物膜粘附不稳定的问题。
8.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
9.将浓度为10g/l的微生物菌剂加入反应容器中，加入实际黑臭水体进行7天的曝气驯化，使微生物恢复好氧活性并适应相关水体环境。
10.选用高密度聚乙烯(hdpe)mbbr填料，乙醇超声清洗15min，去离子水超声清洗15min，之后去离子水润洗三次，自然晾干。
11.选择液相氧化工艺中的k2cr2o7—h2so4液相氧化体系进行填料的表面改性，液相氧化体系设置为k2cr2o7：h2o：h2so4＝5:8:100，该种改性工艺的效果更好，对填料自身的力学损耗更小，通过液相氧化工艺使得填料表面的羟基、羧基等含氧官能团显著增加，提升表面负电性和亲水性。
12.选择工业上常见的镁铝类水滑石和镁铁类水滑石，采用共沉淀法制备了不同金属离子比例的镁铝类水滑石和不同金属离子比例的镁铁类水滑石，通过zeta电位测试优选出表面电荷性质较高的镁铝类水滑石和镁铁类水滑石。
13.制备1.5g/l镁铝类水滑石悬浊液和1.5g/l镁铁类水滑石悬浊液，采用浸渍法在改性填料表面分别负载类水滑石，去离子水冲洗填料表面，根据是否改性及是否负载类水滑石，共选用4种类型填料：(i)未改性填料；(ii)改性填料；(iii)改性填料负载镁铝类水滑石；(iv)改性填料负载镁铁类水滑石。
14.将微生物菌剂加入反应容器中，加入实际黑臭水体进行7天的曝气驯化，水力停留时间为12h，使微生物恢复好氧活性并适应相关水体环境，作为种活性污泥后期进行接种。
15.设置填料在反应器中的填充率为40％，采用快速排泥挂膜法对改性填料表面生物接种，进行填料挂膜的接种阶段，首先将驯养活化好的微生物菌剂放入装有填料的mbbr反应器内，为挂膜生物启动提供大量的微生物源，底部曝气头曝气24小时，使得填料与微生物进行充分的接触，随后静置2小时，活性污泥沉至反应器底部，随后通过虹吸法排出mbbr反应器，反应器内仅保留填料表面接种的微生物，完成后续挂膜阶段。
16.进水阶段：利用虹吸法进水，进水时间5min。
17.运行阶段：利用曝气泵为mbbr反应器进行曝气，曝气时间为12h，曝气装置采用底部曝气头，推动水流搅动填料在反应器内促使填料与水的充分接触并促进生物膜生长；
18.排水阶段：水力停留时间12h，保留底部的活性污泥，虹吸法排除反应器上清液。监测填料挂膜量和相关水质指标。
19.进一步的，所选用的的微生物菌剂为黑臭水体处理复合兼性菌。曝气驯养活化，恢复其生物活性，激活微生物的脱氮除磷能力。
20.进一步的，所采用的实际废水为取自湘潭市黑臭水体治理项目左干渠的城市实际废水。
21.进一步的，所选用的的类水滑石(m
2
＝cu
2
、zn
2
、mg
2
、ca
2
等，m
3
＝al
3
、fe
3
等) 具有较大的比表面积及较好的吸附性能，其独特的双金属层板结构和其层间阴离子分布决定了层板表面的正电荷和层间阴离子的可交换性，同时它的制备工艺简单，成本低，它在废水处理的工业化应用较为广阔。
22.本发明的有益效果是：
23.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。
24.本发明中的填料经过液相氧化工艺的改性，将填料表面改性为负电性及亲水性，同时由于液相氧化工艺对填料表面的蚀刻作用进而增加填料表面的粗糙度，利于和表面带正电荷的类水滑石进行静电吸附从而进行类水滑石对填料的改性。
25.本发明中的类水滑石改性填料的结果是，由于类水滑石是表面带正电荷的亲水矿物材料，负载在填料上以后，增加了填料表面的正电荷以及亲水性，易于与表面呈现负电性的微生物细胞体进行静电吸附，缩短吸附时间进而缩短挂膜时间，同时提高生物量。
26.本发明中的类水滑石改性mbbr填料的挂膜速度和挂膜量是优于其他三种填料，更快的挂膜速度及更高的挂膜量也可以导致实现水质指标(cod、氨氮、总磷等)更好的去除效果，有利于水体中有机污染物的去除。
附图说明
27.图1为mbbr填料-ldhs-菌株结合示意图
28.图2为填料经过液相氧化工艺处理以后表面的ftir分析，反映了液相氧化工艺对填料表面官能团的影响作用，具体表现为羟基、羧基等含氧官能团的增加，提高了填料表面的负电性。
29.图3为(i)未改性填料；(ii)改性填料；(iii)改性填料负载镁铝类水滑石；(iv) 改性填料负载镁铁类水滑石四种不同类型的填料接触角测试图。
30.图4为四种mbbr反应器的生物膜量变化图。
31.图5为四种mbbr反应器的cod去除效果图。
32.图6为四种mbbr反应器的总磷去除效果图。
33.图7为四种mbbr反应器的氨氮去除效果图。
具体实施方式
34.下面对本发明的具体实施方式做进一步说明：
35.实施例1
36.设置混合盐溶液为0.6mol/l，mg(no3)2·
6h2o摩尔浓度为0.4mol/l，al(no3)3·
9h2o摩尔浓度为0.2mol/l，即mg
2
：al
3
＝2:1，设置混合碱溶液naoh浓度为1.2mol/l，na2co3浓度为0.1mol/l，其中[oh-]＝2([m
2
] [m
3
])，[co3
2-]＝0.5[m
3
]，再将上述两种溶液缓缓滴加入三颈烧瓶中，ph控制为10
±
0.2，在70℃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70℃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目筛得到镁铝类水滑石材料。
[0037]
以此类推，制备mg
2
：al
3
＝3:1和mg
2
：al
3
＝4:1两种比例，控制相对应的碱溶液浓度，控制相对应的温度时间，制备不同金属离子比例的镁铝类水滑石材料。将镁铝类水滑石制备工艺中的al(no3)3·
9h2o替换为fe(no3)3·
9h2o，控制对应条件制备出金属离子比例为2:1、 3:1和4:1的镁铁类水滑石。
[0038]
选择液相氧化工艺中的k2cr2o7—h2so4液相氧化体系进行填料的表面改性，液相氧化体系设置为k2cr2o7：h2o：h2so4＝5:8:100，制备1.5g/l镁铝类水滑石悬浊液，采用浸渍法在填料表面负载类水滑石，浸渍时间为24h，去离子水冲洗填料表面。
[0039]
实施例2
[0040]
选用未改性原始mbbr填料进行挂膜测试，设置填料在反应器中的填充率为40％，采用快速排泥挂膜法对改性填料表面生物接种，进行填料挂膜的接种阶段，首先将驯养活化好的微生物菌剂放入装有填料的mbbr反应器内，为挂膜生物启动提供大量的微生物源，底部曝气头曝气24小时，使得填料与微生物进行充分的接触，随后静置2小时，活性污泥沉至反应器底部，随后通过虹吸法排出mbbr反应器，反应器内仅保留填料表面接种的微生物，完成后续挂膜阶段。
[0041]
进水阶段：利用虹吸法进水，进水时间5min。
[0042]
运行阶段：利用曝气泵为mbbr反应器进行曝气，曝气时间为12h，曝气装置采用底部曝气头，推动水流搅动填料在反应器内促使填料与水的充分接触并促进生物膜生长。
[0043]
排水阶段：水力停留时间12h，保留底部的活性污泥，虹吸法排除反应器上清液。监
测填料挂膜量和相关水质指标。
[0044]
实施例3
[0045]
实施例3与实施例2的区别在于：实施例3中的填料为液相氧化改性填料，对比实施例2中的填料，提高了填料表面的亲水性，在快速排泥挂膜法中亲水性的增加，有利于生物在填料的快速附着，提高生物膜在填料上的启动速度，对比原始填料的挂膜量及黑臭水体相关水质指标处理效果，改性填料增加了亲水性，可以提高挂膜速度。
[0046]
实施例4
[0047]
实施例4与实施例3的区别在于：实施例4中的填料为改性填料负载镁铝类水滑石，类水滑石作为一种亲水的生物亲和材料，负载在填料表面，其独特的双金属层板结构决定了类水滑石的表面正电荷密度，便于与负电性菌体结合，进一步提高挂膜速度与生物挂膜量，有利于提高生物挂膜量和黑臭水体相关水质指标处理效果。
[0048]
实施例5
[0049]
实施例5与实施例4的区别在于：实施例5中的填料为改性填料负载镁铁类水滑石，通过对填料进行改性，增加了填料表面的亲水性和负电性，利于与类水滑石结合，增加类水滑石的负载量。
[0050]
实施例4和实施例5对于其他实施例的优势在于通过填料改性，负载类水滑石两步进行，最终结果是使得填料的亲水性、正电性及生物亲和性增加，这些性质均有利于提高菌种在填料表面的挂膜速度和挂膜量，通过监测微生物量和相关水质指标，对比发现实施例4、实施例5的挂膜效果和水质指标是优于实施例2、实施例3，说明类水滑石的添加是有利于填料提高挂膜速度和挂膜量，这个特点是有利于mbbr反应器的快速启动和处理效果，在实际应用中具有广阔的发展前景。
[0051]
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。