公布日：2023.10.20
申請(qǐng)日：2023.08.30
分類號(hào)：C02F3/34(2023.01)I;C02F3/30(2023.01)I
摘要
本申請(qǐng)公開了一種小粒徑泥膜顆粒及其污水處理方法，其中小粒徑泥膜顆粒包括質(zhì)量比為1：（0.2～0.4）的生物增效載體與活性生物菌劑；所述生物增效載體的原料包括質(zhì)量比為1：（0.5～0.7）的介孔二氧化硅和聚乙烯醇。介孔二氧化硅的小粒徑使形成的泥膜顆粒穩(wěn)定在較小的粒徑范圍內(nèi)，其優(yōu)異的孔道結(jié)構(gòu)給微生物提供了良好的生存環(huán)境，形成了內(nèi)部厭氧，中部兼氧，外部好氧的空間分層結(jié)構(gòu)，傳質(zhì)性能、去污能力與穩(wěn)定性有所提升，聚乙烯醇連接在介孔二氧化硅表面，其親水性有利于增加生物增效載體的微生物固著能力。
權(quán)利要求書
1.一種小粒徑泥膜顆粒，其特征在于，所述小粒徑泥膜顆粒包括質(zhì)量比為1：（0.2～0.4）的生物增效載體與活性生物菌劑；所述生物增效載體的原料包括質(zhì)量比為1：（0.5～0.7）的介孔二氧化硅和聚乙烯醇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小粒徑泥膜顆粒，其特征在于，所述小粒徑泥膜顆粒的粒徑為100～300μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小粒徑泥膜顆粒，其特征在于，所述介孔二氧化硅的原料包括質(zhì)量比為（0.1～0.3）：1的復(fù)合模板劑和正硅酸乙酯；所述復(fù)合模板劑包括十八烷基二甲基溴化銨、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸鈉中的一種或幾種的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種小粒徑泥膜顆粒，其特征在于，所述介孔二氧化硅的制備過程如下：將復(fù)合模板劑添加到去離子水中攪拌使其完全溶解，然后加入正硅酸乙酯，在35～45℃水浴條件下攪拌反應(yīng)20～24h；反應(yīng)結(jié)束后轉(zhuǎn)移至水熱釜中老化結(jié)晶24～26h，將老化結(jié)晶產(chǎn)物經(jīng)過干燥研磨放入馬弗爐中，在500～600℃下煅燒5～7h，再經(jīng)過研磨得到介孔二氧化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小粒徑泥膜顆粒，其特征在于，所述生物增效載體的原料還包括氨基硅烷偶聯(lián)劑和堿性催化劑；所述氨基硅烷偶聯(lián)劑的添加量為介孔二氧化硅質(zhì)量的0.5～1.5%；所述堿性催化劑的添加量為介孔二氧化硅質(zhì)量的0.2～0.4%。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種小粒徑泥膜顆粒，其特征在于，所述生物增效載體的制備過程如下：介孔二氧化硅的改性處理：將介孔二氧化硅加入到去離子水中分散均勻后加入氨基硅烷偶聯(lián)劑，在60～80℃水浴條件下攪拌反應(yīng)5～7h后經(jīng)過離心、洗滌、烘干得到改性介孔二氧化硅；生物增效載體的制備：將聚乙烯醇充分溶解在去離子水中，取改性介孔二氧化硅分散在去離子水中，加入聚乙烯醇溶液和堿性催化劑，在80～90℃水浴條件下攪拌反應(yīng)后經(jīng)過離心洗滌干燥得到生物增效載體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種小粒徑泥膜顆粒，其特征在于，所述生物增效載體的制備過程中還添加有水溶性殼聚糖；所述水溶性殼聚糖的分子量為2.0×105～3.0×105。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小粒徑泥膜顆粒，其特征在于，所述活性生物菌劑包括復(fù)合COD菌、復(fù)合脫氮菌、復(fù)合聚磷菌、復(fù)合脫硫菌、復(fù)合除油菌、復(fù)合耐鹽菌中的一種或幾種的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小粒徑泥膜顆粒，其特征在于，所述生物增效載體中還包括占生物增效載體質(zhì)量3%～8%的營養(yǎng)劑；所述營養(yǎng)劑包括葡萄糖、檸檬酸鈉、磷酸鉀、氯化鈉、蛋白胨、酵母膏中的一種或幾種的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)所述的一種小粒徑泥膜顆粒的污水處理方法，其特征在于，包括以下步驟：污水通過格柵進(jìn)入HJDL（短流程脫氮除磷工藝）反應(yīng)池內(nèi)，結(jié)合HJDL反應(yīng)池中的生物孵化系統(tǒng)，將生物增效載體與活性生物菌劑投入到孵化系統(tǒng)內(nèi)，形成小粒徑泥膜顆粒并對(duì)污水中的雜質(zhì)進(jìn)行去除；經(jīng)過HJDL反應(yīng)池處理后的水進(jìn)入二沉池，二沉池中的中層污泥重新排入HJDL反應(yīng)池中處理，二沉池中的沉淀處理后水質(zhì)指標(biāo)合格的污水排出；所述HJDL反應(yīng)池中還包含有攪拌裝置和回流裝置。
發(fā)明內(nèi)容
為解決好氧污泥顆粒穩(wěn)定性差，形成的粒徑大導(dǎo)致的物質(zhì)傳質(zhì)效果差等問題，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N小粒徑泥膜顆粒及其污水處理方法。
第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N小粒徑泥膜顆粒，小粒徑泥膜顆粒包括絮狀污泥、生物增效載體與活性生物菌劑；所述生物增效載體的原料包括質(zhì)量比為1：(0.5～0.7)的介孔二氧化硅和聚乙烯醇。
優(yōu)選的，所述小粒徑泥膜顆粒的粒徑為100～300μm。
優(yōu)選的，介孔二氧化硅的粒徑為20～50nm。
優(yōu)選的，聚乙烯醇為平均聚合度為1500～2000完全醇解型聚乙烯醇。
通過采用上述技術(shù)方案，活性生物菌劑通過掛膜固定在生物增效載體上。生物增效載體的原料包括介孔二氧化硅和聚乙烯醇，其中介孔二氧化硅和聚乙烯醇都具有較好的生物兼容性，對(duì)微生物無毒害作用。
介孔二氧化硅中具有相互貫通或者封閉的豐富的孔道結(jié)構(gòu)，微生物固定在介孔二氧化硅上可以有效將活性生物菌種含有的菌群固定化，保持有良好的抗沖擊性，抵擋在進(jìn)水過程中污泥負(fù)荷以及容積負(fù)荷的變化而對(duì)微生物造成的影響，從而增強(qiáng)小粒徑泥膜顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。介孔二氧化硅的高孔隙率還可以容納不斷增殖的微生物，使生物增效載體內(nèi)的細(xì)胞濃度增大，提高污水處理的效率，同時(shí)通過介孔二氧化硅中的孔隙可以進(jìn)行溶解氧以及目標(biāo)去除物等物質(zhì)的傳輸，有利于載體上好氧細(xì)菌的生長以及脫氮過程生成的氮?dú)獾任镔|(zhì)的排出，介孔二氧化硅的高骨架剛性也有利于保持顆粒泥膜的穩(wěn)定性。
但是由于介孔二氧化硅表面較為光滑并且不含有大量的正電荷，介孔二氧化硅作為載體時(shí)，吸引微生物的聚集的能力較弱，對(duì)于微生物的附著能力較差，在泥膜顆粒培養(yǎng)過程中活性生物菌劑難以以介孔二氧化硅為載體在上面進(jìn)行大量的生長繁殖。而聚乙烯醇具有優(yōu)異的親水性并含有足夠的正電荷，可以為固定微生物代謝增值提供良好的微環(huán)境，彌補(bǔ)介孔二氧化硅難以吸引微生物聚集并繁殖的缺陷；同時(shí)在介孔二氧化硅表面連接部分聚乙烯醇還可以增加聚乙烯醇的水不溶性以及生物增效載體對(duì)微生物的固定，有利于增加小粒徑泥膜顆粒的穩(wěn)定性。
介孔二氧化硅還具有20～50nm的小粒徑，它作為載體在后續(xù)小粒徑泥膜顆粒的培養(yǎng)過程中可以保證形成的泥膜顆粒平均粒徑維持在較小的范圍內(nèi)，使形成的小粒徑泥膜顆粒具有更大的比表面積以及更好的傳質(zhì)效率。
自然形成的好氧污泥顆粒粒徑大可以形成內(nèi)部厭氧，中部兼氧，外部好氧的空間分層結(jié)構(gòu)，小粒徑情況下，好氧污泥顆粒生物量少且大量好氧菌死亡，顆粒穩(wěn)定性差，難以保持該空間結(jié)構(gòu)；而由于介孔二氧化硅中含有良好的孔結(jié)構(gòu)和高孔隙率，微生物生長繁殖空間大，不影響加入的活性生物菌劑在生物增效載體上形成內(nèi)部厭氧，中部兼氧，外部好氧的空間分層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)COD以及氮磷的去除同時(shí)還能兼?zhèn)湫×骄哂械母弑缺砻娣e和高傳質(zhì)效率。
優(yōu)選的，所述介孔二氧化硅的原料包括質(zhì)量比為(0.1～0.3)：1的復(fù)合模板劑和正硅酸乙酯；所述復(fù)合模板劑包括十八烷基二甲基溴化銨、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸鈉中的一種或幾種的組合。
優(yōu)選的，所述介孔二氧化硅的制備過程如下：將復(fù)合模板劑添加到去離子水中攪拌使其完全溶解，然后加入正硅酸乙酯，在35～45℃水浴條件下攪拌反應(yīng)20～24h；反應(yīng)結(jié)束后轉(zhuǎn)移至水熱釜中進(jìn)行老化結(jié)晶24～26h，將老化結(jié)晶產(chǎn)物經(jīng)過干燥研磨放入馬弗爐中，在500～600℃下煅燒5～7h，再經(jīng)過研磨得到介孔二氧化硅。
優(yōu)選的，老化結(jié)晶溫度為90～120℃。
通過采用上述技術(shù)方案，復(fù)合模板劑在水中形成的膠束可以誘導(dǎo)介孔二氧化硅的形貌形成，其復(fù)合模板劑與水解的正硅酸乙酯組裝成介孔二氧化硅骨架結(jié)構(gòu)，老化結(jié)晶之后經(jīng)過馬弗爐的煅燒去除復(fù)合模板劑，得到具有孔道結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅材料。
優(yōu)選的，所述生物增效載體的原料還包括氨基硅烷偶聯(lián)劑和堿性催化劑；所述氨基硅烷偶聯(lián)劑的添加量為介孔二氧化硅質(zhì)量的0.5～1.5％；所述堿性催化劑的添加量為介孔二氧化硅質(zhì)量的0.2～0.4％。
優(yōu)選的，氨基硅烷偶聯(lián)劑包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一種或幾種；堿性催化劑包括氫氧化鉀、氫氧化鈉、烷基氯化鈉中的一種或幾種。
優(yōu)選的，所述生物增效載體的制備過程如下：介孔二氧化硅的改性處理：將介孔二氧化硅加入到去離子水中分散均勻后加入氨基硅烷偶聯(lián)劑，在60～80℃水浴條件下攪拌反應(yīng)5～7h后經(jīng)過離心、洗滌、烘干得到改性介孔二氧化硅；生物增效載體的制備：將聚乙烯醇充分溶解在去離子水中，取改性介孔二氧化硅分散在去離子水中，加入聚乙烯醇溶液和堿性催化劑，在80～90℃水浴條件下攪拌反應(yīng)后經(jīng)過離心洗滌干燥得到生物增效載體。
優(yōu)選的，生物增效載體的制備過程中，聚乙烯醇溶解溫度為50～60℃。
通過采用上述技術(shù)方案，介孔二氧化硅的分散性差，在水中容易團(tuán)聚，難以發(fā)揮載體作用，而在有水的條件下，氨基硅烷偶聯(lián)劑會(huì)發(fā)生水解，含有的乙氧基優(yōu)先水解變?yōu)榱u基，與介孔二氧化硅表面的羥基發(fā)生反應(yīng)，脫水形成硅氧硅鍵，達(dá)到修飾介孔二氧化硅表面的作用，增強(qiáng)介孔二氧化硅的分散性；并且通過改性處理之后，介孔二氧化硅表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，可以為后續(xù)聚乙烯醇的固定化提供良好的化學(xué)鍵合條件。介孔二氧化硅表面包含的硅羥基，在堿性催化劑所構(gòu)成的離子對(duì)的催化作用下，可以與聚乙烯醇分子中的醇羥基反應(yīng)，進(jìn)一步形成硅醇酯，聚乙烯醇通過化學(xué)鍵合作用緊密連接在介孔二氧化硅表面，增強(qiáng)介孔二氧化硅對(duì)微生物的親和性和固著性，從而增加小粒徑泥膜顆粒的穩(wěn)定性。
優(yōu)選的，所述生物增效載體的制備過程中還添加有水溶性殼聚糖；所述水溶性殼聚糖的分子量為2.0×105～3.0×105。
優(yōu)選的，水溶性殼聚糖的添加量為聚乙烯醇質(zhì)量的15％～25％。
通過采用上述技術(shù)方案，聚乙烯醇具有良好的水溶性，雖然與介孔二氧化硅相互鍵合后水不溶性有顯著提升，但是在污水處理的過程中，進(jìn)水負(fù)荷大時(shí)，聚乙烯醇容易發(fā)生水解，使生物增效載體逐漸失去作用，使用周期大大下降。水溶性殼聚糖一方面具有良好的生物相容性，不會(huì)抑制微生物的生長繁殖，另一方面，含有的氨基基團(tuán)能夠與聚乙烯醇中含有的羥基之間形成氫鍵，在介孔二氧化硅表面逐漸形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以有效固定聚乙烯醇，使聚乙烯醇在污水處理的過程中不容易水解而失去作用。
優(yōu)選的，所述活性生物菌劑包括復(fù)合COD菌、復(fù)合脫氮菌、復(fù)合聚磷菌、復(fù)合脫硫菌、復(fù)合除油菌、復(fù)合耐鹽菌中的一種或幾種的組合。
通過采用上述技術(shù)方案，活性生物菌劑通過掛膜固定在生物增效載體當(dāng)中，所包含的菌劑包括好氧型菌種和厭氧型菌種，在生物增效載體上形成外部好氧，中部兼氧，內(nèi)部厭氧的三層空間結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行全覆蓋全時(shí)段的同步硝化和反硝化過程。同時(shí)活性生物菌劑的抗逆性強(qiáng)，可同時(shí)抵抗貧營養(yǎng)或營養(yǎng)失衡的污水。
優(yōu)選的，所述生物增效載體中還包括占生物增效載體質(zhì)量3％～8％的營養(yǎng)劑；所述營養(yǎng)劑包括葡萄糖、檸檬酸鈉、磷酸鉀、氯化鈉、蛋白胨、酵母膏中的一種或幾種的組合。
通過采用上述技術(shù)方案，生物增效載體中已經(jīng)含有可供微生物生長與繁殖的營養(yǎng)成分，不需要另外補(bǔ)充營養(yǎng)。
第二方面，本申請(qǐng)還提供了一種小粒徑泥膜顆粒的污水處理方法，包括以下步驟：污水通過格柵進(jìn)入HJDL(短流程脫氮除磷工藝)反應(yīng)池內(nèi)，結(jié)合HJDL反應(yīng)池中的生物孵化系統(tǒng)，將生物增效載體與活性生物菌劑投入到孵化系統(tǒng)內(nèi)，形成小粒徑泥膜顆粒并對(duì)污水中的雜質(zhì)進(jìn)行去除；經(jīng)過HJDL反應(yīng)池處理后的水進(jìn)入二沉池，二沉池中的中層污泥重新排入HJDL反應(yīng)池中處理，二沉池中的沉淀處理后水質(zhì)指標(biāo)合格的污水排出；所述HJDL反應(yīng)池中還包含有攪拌裝置和回流裝置。
通過采用上述技術(shù)方案，HJDL反應(yīng)池中含有生物孵化系統(tǒng)，污水進(jìn)入后，其中的絮狀污泥結(jié)合生物增效載體以及活性生物菌劑在分泌的EPS的作用下逐漸形成小粒徑泥膜顆粒，進(jìn)而對(duì)污水中的有害物質(zhì)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化。HJDL反應(yīng)池中的攪拌裝置能夠使整個(gè)HJDL反應(yīng)池內(nèi)部的泥、水、菌處于持續(xù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，回流裝置將現(xiàn)有的生物增效載體和活性生物菌劑送至孵化系統(tǒng)反應(yīng)器頂端，不斷完成小粒徑泥膜顆粒的造粒過程。
綜上所述，本申請(qǐng)具有如下有益效果：1.本申請(qǐng)的一種小粒徑泥膜顆粒包括生物增效載體，生物增效載體的原料包括介孔二氧化硅，介孔二氧化硅豐富的孔道結(jié)構(gòu)可以容納微生物的生長繁殖，有利于提高傳質(zhì)效率，高剛性骨架也有利于保持泥膜顆粒的穩(wěn)定性；介孔二氧化硅粒徑小作為載體可以保證形成的泥膜顆粒平均粒徑維持在較小的范圍內(nèi)，在具有高比表面積的同時(shí)穩(wěn)定維持內(nèi)部厭氧，中部兼氧，外部好氧的空間分層結(jié)構(gòu)。
2.本申請(qǐng)的一種小粒徑泥膜顆粒包括生物增效載體，生物增效載體還包括聚乙烯醇，由于介孔二氧化硅的微生物附著能力較差，在經(jīng)過表面改性之后，再連接有聚乙烯醇，聚乙烯醇的高親水性可以為固定微生物代謝增值提供良好的微環(huán)境，增加生物增效載體對(duì)微生物的固著能力以及小粒徑泥膜顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)生物增效載體還包含有水溶性殼聚糖，與聚乙烯醇之間可以形成氫鍵，進(jìn)而形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)聚乙烯醇的水不溶性，增加生物增效載體的使用周期。
（發(fā)明人：鄭勇生）
