一种微气泡改良生物活性炭水质提升的方法

1.本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种微气泡改良生物活性炭水质提升的方法。


背景技术：

2.生物活性炭是一种去除水中有机污染物的物质。在有机污染物去除的方法中，一般以活性炭为载体，利用其比表面积大，孔隙结构发达的特点在其表面构建生物膜。通过活性炭吸附和微生物代谢的作用实现有机物污染物的去除。目前，该技术常与臭氧氧化前处理联用作为一项饮用水处理技术。此外，生物活性炭还被实际应用于受污染水源的净化、工业废水的处理等，具有广泛的应用前景。
3.溶解氧的浓度对生物膜的活性和净化能力有着重要的影响。在微生物的好氧呼吸过程中，有机物在氧化过程中释放出电子，通过呼吸链传递给分子氧，有机物被彻底氧化为co2和h2o，并产生能量。为了提高微生物的代谢效率，获得良好的出水水质，在许多采用生物法的水处理过程中，通常需要通过大规模曝气提高进水的溶解氧浓度。但是，对于大型的生物活性炭系统，内部的理化条件与进水往往有较大的差异，从而导致生物活性炭系统出现由于理化环境的变化引起的微生物种群及代谢分层现象。预曝气虽然能提高进水的溶解氧浓度，但随着微生物代谢活动进行，进水中的溶解氧会逐渐被微生物消耗，导致生物活性炭内部处于缺氧状态，从而干扰微生物对有机物的降解效果。因此，在生物活性炭系统中建立一个均匀的，可调控的环境对于提升生物活性炭系统的处理性能是非常重要的。此外，对进水大规模的曝气，运行成本高，常常是用在污水处理系中，对于饮用水处理或水体净化处理来说不够经济。因此，发展低能耗的曝气生物活性炭系统是非常必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种微气泡改良生物活性炭水质提升的方法，以解决现有技术中存在的问题，本发明采用内置超滤膜进行微气泡曝气改良生物活性炭进行污水处理，克服了传统曝气方法氧气消耗量大，运行成本高，曝气不均匀的缺点的问题，并且简单易行、无需额外添加化学药剂，属于一种绿色净水技术。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种微气泡改良生物活性炭水质提升的方法，包括以下步骤：将污水通入生物活性炭系统进行污染物去除；
7.所述生物活性炭系统中包括：滤柱、超滤膜、孔板、蠕动泵、压力阀、恒位水箱、生物活性炭、中空柱；
8.所述超滤膜置于滤柱中，利用孔板和中空柱进行固定；生物活性炭填充在滤柱中；恒位水箱与滤柱下端的进水口连接；滤柱上方通过蠕动泵出水；在滤柱上端设置有中空柱用于通入压缩空气至超滤膜，压缩空气通过压力阀控制。
9.进一步地，所述超滤膜为中空纤维超滤膜，截留分子量为100kda。
10.进一步地，所述中空纤维超滤膜的外径为1.1mm，材质为聚偏氟乙烯。
11.进一步地，所述超滤膜以u型的形式均匀内嵌于滤柱中，密度为1 根/cm2。
12.进一步地，所述生物活性炭为椰壳颗粒活性炭。
13.进一步地，所述生物活性炭的直径为3～5mm，碘值为1200mg/g。
14.本发明公开了以下技术效果：
15.(1)本发明首次采用中空纤维膜(中空纤维超滤膜)对生物活性炭进行微气泡曝气，使生物活性炭系统中的溶解氧均匀分布，为微生物降解有机物提供电子受体，从而促进微生物对有机污染物的代谢，提高出水水质。
16.(2)与无曝气的传统生物活性炭系统相比，本发明的方法出水总有机碳浓度降低了32.0％，消毒副产物生成势降低了43.7％。连续运行300d，运行效果稳定，无需额外添加化学试剂，操作简单，节约运行成本与人力资源，是一项绿色可持续的水处理技术。
17.(3)本发明采用的中空纤维膜均匀布置在滤柱中，不需要铺设曝气管道，成本更低且曝气效率更高。
18.(4)本发明采用的压缩空气进行曝气，不需要使用氧气，大大降低曝气成本。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
20.图1为本发明实施例1采用的生物活性炭系统的结构示意图；
21.图2为采用实施例1和对比例1的方法得到的出水和原水的总有机碳含量变化图，其中，a为连续运行300天总有机碳浓度随时间的变化，b 为原水、对比例1出水、实施例1出水总有机碳浓度的比较，****表示两组间威尔科克森符号秩检验具有显著性差异(p《0.0001)；
22.图3为采用实施例1和对比例1的方法得到的出水和原水的溶解氧含量变化图，其中，a为连续运行300天溶解氧浓度随时间的变化，b为原水、对比例1出水、实施例1出水总有机碳浓度的比较，****表示两组间秩和检验具有显著性差异(p《0.0001)，ns表示两组间威尔科克森符号秩检验不具有显著性差异(p》0.05)；
23.图4为本发明实施例1和对比例1中原水和出水的消毒副产物前驱物浓度变化图；
24.图5为实施例1和对比例1部的活性炭表面生物膜胞外聚合物的蛋白和多糖浓度对比及活性炭的扫描电镜表征图，其中a为蛋白和多糖浓度对比图，b为扫描电镜表征图；
25.图6为本发明实施例1和对比例2的出水总有机碳浓度的比较图。
具体实施方式
26.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
27.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每
个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
28.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
29.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
30.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
31.实施例1
32.一种微气泡改良生物活性炭水质提升的方法：
33.生物活性炭系统由滤柱、中空纤维膜、孔板、蠕动泵、压力阀、恒位水箱、颗粒活性炭、中空柱、土壤微生物构成，结构示意图如图1所示，制备方法如下：
34.(1)在滤柱(设有下端进水口、上端出水口及中端取样口，直径 50mm、高500mm的有机玻璃圆柱)中放置20根中空纤维膜(即中空纤维超滤膜，材质为聚偏氟乙烯，外径为1.1mm，长度为900mm，截留分子量为100kda)，中空纤维膜以u型方式均匀内置于滤柱中。
35.(2)采用孔板固定中空纤维膜；然后在滤柱中逐渐填充颗粒活性炭 (即椰壳颗粒活性炭，直径为3～5mm，碘值为1200mg/g)，填充高度为 450mm，填充完成后有效容积为300ml。
36.(3)中空纤维膜的尾端采用环氧树脂胶固定在中空柱(聚乙烯中空柱)中，中空柱穿过滤柱上盖，中空柱的上端连接压缩空气管路，管路上设置有压力阀。
37.(4)滤柱上端连接蠕动泵出水；滤柱下端出水口与恒位水箱连接。
38.(5)接种土壤微生物：将100g土壤(采用北京森林公园湖边土壤作为微生物接种源)经过纱布过滤后溶解在1l超纯水中，通过蠕动泵循环打入滤柱中，停留时间为12h，循环时间为48h。
39.通入速度＝处理水量/停留时间＝300ml/12h＝25ml/h。
40.(6)初期运行：在试验用水中加入腐殖酸，使腐殖酸的浓度为 10g/l，得到腐殖酸混合溶液；将腐殖酸混合溶液放入恒位水箱中以下进上出的方式流经生物活性炭系统，使生物活性炭系统中的颗粒活性炭吸附饱和(吸附饱和前出水中有机物含量逐渐上升，直至稳定后表示饱和；活性炭吸附饱和后不会在吸附污染物，只发生微生物的降解作用)。
41.试验用水：北京森林公园湖水，该水源属于污水厂二级出水，原水总有机碳(toc)为10.54
±
2.61mg/l，电导率为825.2
±
0.1μs/cm， ph值为7.69
±
0.05，水温为22
±
2℃。原水通过纱布过滤掉泥沙，通过恒位水箱向生物活性炭系统供水。
42.(7)实际运行：将试验用水放入恒位水箱中，持续通入压缩空气，用压力阀控制压缩空气的压力为0.1mpa；将试验用水以下进上出模式通入生物活性炭系统，停留时间为
12h。
43.通入速度＝处理水量/停留时间＝300ml/12h＝25ml/h。
44.对比例1
45.同实施例1，区别在于，处理系统中不含有中空纤维膜。
46.效果例1
47.采用实施例1和对比例1的处理方法，连续处理实验用水300d，每 5d测定一次原水和出水的总有机碳(toc)浓度和溶解氧(do)浓度，结果见图2和图3。
48.实施例1和对比例1内部溶解氧浓度通过位于填柱中部的取样口取样测定。
49.图2中a为连续运行300天总有机碳浓度随时间的变化，b为原水、对比例1出水、实施例1出水总有机碳浓度的比较，****表示两组间威尔科克森符号秩检验具有显著性差异(p《0.0001)；
50.图3中a为连续运行300天溶解氧浓度随时间的变化，b为原水、对比例1出水、实施例1出水总有机碳浓度的比较，****表示两组间秩和检验具有显著性差异(p《0.0001)，ns表示两组间威尔科克森符号秩检验不具有显著性差异(p》0.05)。
51.测定实施例1(实验组)和对比例1(对照组)中的出水、本发明采用的原水的toc含量，根据toc含量投加naclo溶液(naclo的浓度是toc浓度的3倍)，并避光72h模拟自来水厂加氯消毒，测得的原水和出水中消毒副产物前驱物，结果见图4。
52.从图2b中可以看出，威尔科克森符号秩检验结果表明原水、实施例 1组、对比例1组的总有机碳(toc)浓度具有显著差异，****p《0.0001；
53.从图3b中可以看出，威尔科克森符号秩检验结果表明原水和实施例 1组、对比例1组的溶解氧(do)浓度具有显著差异，****p《0.0001；原水和实验组的溶解氧(do)浓度不具有显著差异，p》0.05；
54.连续运行结束后(运行300天以后)，取出实施例1(实验组)和对比例1(对照组)内部的活性炭，测定其表面生物膜胞外聚合物的蛋白和多糖浓度，并对活性炭进行扫描电镜的表征，结果如图5。
55.从图5a可以看出，相比于对比例1组，实施例1组内部活性炭表面具有更低的蛋白和多糖浓度。从图5b也可以看出，对比例1组表面的生物膜更厚，覆盖了整个活性炭表面，从而阻碍了物质从水相到微生物的传输，并且抑制了微生物降解过程中的电子转移。
56.从图2～5中可以看出，采用本发明的方法(中空纤维超滤膜对生物活性炭系统进行均匀微曝气)，可提高系统中的溶解氧浓度，降低活性炭表面的生物膜厚度，有利于物质的转移和电子的传递，从而促进微生物对有机污染物的降解去除能力。与无曝气的传统生物活性炭系统相比，本发明的方法出水总有机碳浓度降低了32.0％，消毒副产物生成势降低了43.7％。连续运行300d，运行效果稳定，无需额外添加化学试剂，操作简单，节约运行成本与人力资源，是一项绿色可持续的水处理技术。
57.对比例2
58.同实施例1，区别在于，步骤(7)中的水力停留时间为6h。连续运行60天，测定出水的总有机碳(toc)浓度，并与停留时间为12h的 toc进行比较，结果见图6。
59.通入速度＝处理水量/停留时间＝300ml/6h＝50ml/h。
60.从图6可以看出，当停留时间从12h缩短至6h时，对照组(对比例 2)和和实验组(实
施例1)的出水toc均有所上升，但是实验组上升的幅度较小。且实验组在停留时间为6h时，出水的toc仍然比对照组在 12h时低，这表明实验组具有更高的降解有机物的效率，在保证更好的降解效率的同时，可以处理多一倍的水量。
61.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。