一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺。本发明专利技术针对传统厌氧生物处理系统易酸化、性能不稳定等问题，通过铁盐溶解、沉淀、分离、洗涤等步骤制备了平均粒径小于100nm的纳米磁铁矿，以1.55gFe/g MLVSS的比例通过搅拌、氮吹等方法将其与厌氧污泥充分混合均匀，厌氧生物处理装置在35℃恒温条件下培养，纳米磁铁矿良好的导电性以及高比表面积明显强化厌氧微生物种间电子传递，其活性得到大幅提高，最终厌氧生物处理工艺性能得到提升。

Nano magnetite coupling waste water treatment process for strengthening anaerobic microbial activity

The invention relates to a nano magnetite coupling wastewater treatment process which strengthens the activity of anaerobic microorganisms. This invention is directed to the traditional anaerobic biological treatment system is easy to acidification and unstable properties, by iron dissolution and precipitation, separation and washing steps were prepared and the average particle size of less than 100nm nano magnetite, with 1.55gFe/g MLVSS ratio by stirring, nitrogen blowing method with the fully mixed anaerobic sludge, anaerobic biological processing device training at 35 DEG C under the condition of constant temperature, nano magnetite good conductivity and high specific surface area significantly enhanced anaerobic microbial species electron transfer, its activity has been greatly improved, the process performance eventually improved anaerobic biological treatment.

【技术实现步骤摘要】
一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺
本专利技术涉及一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺，其属于水处理
技术背景厌氧生物处理无需供氧、能耗较小、运行成本低，而且能将废水中的有机物转换为甲烷、氢气等生物能源，是实现废水能源回收的核心技术。厌氧发酵过程需要多种厌氧微生物协同作用，但是厌氧菌彼此间平衡脆弱，加上对环境条件(温度、pH、氧化还原电位、毒性物质等)敏感，一定的负荷冲击下以及有毒物质的影响下，厌氧体系容易出现COD去除率下降、有机酸积累、厌氧污泥上浮或洗出等现象，严重时甚至导致厌氧系统的崩溃瓦解。强化厌氧生物处理工艺已成为国内外研究热点之一，许多研究者试图通过改善反应器构型或者通过工艺强化(例如，加电、投加药剂等)来加强厌氧体系的稳定性与高效性。但是由于操作水平的限制以及运行成本的制约，很多强化方法难以进行实际应用。因此，开发高效、简易、经济、安全的厌氧生物处理强化方法，对于难降解有机废水的处理以及废水能源回收具有较高的应用价值。种间电子传递是微生物互营共生的限制性步骤。微生物种间直接电子转移的提出，颠覆了之前“氢/甲酸转移”在微生物种间电子传递占主导地位的观点。本专利技术中导电性材料磁铁矿材料的投加可以通过强化厌氧微生物种间电子传递，起到提高污染物去除效率和甲烷产率的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于解决厌氧生物处理系统处理难降解污染物性能差、容易出现不稳定以及体系酸化等问题。本专利技术通过制备纳米磁铁矿，并在厌氧生物体系中投加适量的自制纳米磁铁矿进行厌氧生物强化，据此提出了一种运行高效、操作简便、使用安全、成本低廉的高效厌氧生物强化处理耦合工艺。本专利技术采用的技术原理概括如下：纳米磁铁矿的添加能通过强化微生物间的电子传递实现高效厌氧生物处理，主要因为：(1)纳米磁铁矿是导体，具有良好的导电性能。(2)纳米磁铁矿粒径小，具有较大的比表面，可以实现与微生物的充分接触。(3)纳米磁铁矿具有吸附架桥作用，能将游离的微生物和有机物质富集在一起，缩短微生物之间的距离。(3)纳米磁铁矿具有还原性，能调节厌氧体系的氧化还原电位(ORP)和pH，加强功能菌群的富集。(4)纳米磁铁矿释放的Fe2+和Fe3+，是厌氧微生物合成电子传递相关辅酶所必需元素。(5)纳米磁铁矿具有一定磁性，可以改善生物磁场，促进厌氧功能菌的生长代谢。本专利技术采用的具体技术方案如下：强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺，步骤如下：首先，向待接种的厌氧污泥中加入纳米磁铁矿，并通过磁力搅拌使纳米磁铁矿与厌氧污泥充分混合均匀，得到接种厌氧污泥；然后，向厌氧反应器中接种混合有纳米磁铁矿的厌氧污泥，通入废水后进行氮吹处理，去除反应器中氧气残留的同时实现污泥和纳米磁铁矿的进一步均匀混合；最后，调节废水的pH值和温度，保持反应器中的泥水均匀混合状态对废水进行处理。所述的纳米磁铁矿的制备方法如下：1)以去氧稀硫酸为溶剂配置铁离子混合溶液，溶液中Fe3+与Fe2+摩尔比为2:1；2)在铁离子混合溶液中加入过量的去氧氢氧化钠溶液，并通过磁力搅拌实现溶液充分混合；3)将制得的混合溶液置于磁铁上进行固液分离后，通过虹吸法将上清液去除，得到磁铁矿沉淀；4)将去氧稀硫酸加入磁铁矿沉淀中，通过磁力搅拌充分混合；5)重复步骤3)和4)若干次后，用去氧超纯水对分离所得磁铁矿进行洗涤，得到纳米磁铁矿。上述方法中，可采用如下工艺参数：所采用的纳米磁铁矿平均粒径小于100nm。废水处理过程中，pH值调节至6.8～7.2，温度保持在35℃，进水中C:N:P＝100:5:1。混合均匀的废水中，纳米磁铁矿的投加量为1.55gFe/gMLVSS。待接种的厌氧污泥取自MLSS约为30gL-1的上流式厌氧生物反应器。本专利技术针对传统厌氧生物处理系统易酸化、性能不稳定等问题，通过铁盐溶解、沉淀、分离、洗涤等步骤制备了平均粒径小于100nm的纳米磁铁矿，以1.55gFe/gMLVSS的比例通过搅拌、氮吹等方法将其与厌氧污泥充分混合均匀，厌氧生物处理装置在35℃恒温条件下培养。利用该纳米磁铁矿良好的导电性以及高比表面积，明显强化了厌氧微生物种间电子传递，其活性得到大幅提高，最终使厌氧生物处理工艺性能得到提升。附图说明图1为实施例1中纳米磁铁矿粒子的透射电镜扫描图；图2为实施例1中纳米磁铁矿的XRD谱图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。本专利技术通过纳米磁铁矿的投加，利用纳米磁铁矿的导电性、磁性以及氧化还原性能，改善了厌氧体系中微生物的生存环境，促进微生物的共代谢作用，实现了厌氧反应体系稳定高效运行。实施例1纳米磁铁矿的制备:(1)配置铁离子混合溶液(Fe3+:Fe2+＝2:1)，选取Fe2(SO4)3·xH2O(0.032mol)和FeSO4·7H2O(0.032mol)溶于0.4mol/L的去氧稀硫酸(400mL)中，可借助磁力搅拌器加快实现两种铁盐的完全溶解。(2)在铁离子混合溶液中加入过量的1.5mol/L去氧氢氧化钠溶液(500mL)，借助磁力搅拌器实现溶液充分混合，此时会立刻产生黑色的磁铁矿沉淀(可用磁铁检验)。(3)将制得混合溶液置于磁铁上，5min后，通过虹吸法将上清液去除，得到磁铁矿沉淀。(4)用500ml0.005mol/L去氧稀硫酸加入磁铁矿沉淀，通过磁力搅拌充分混合，中和其表面的阴离子。(5)重复步骤(3)、(4)三次，再采用同样的方法用去氧超纯水对分离所得磁铁矿进行洗涤，最后制得250mL纳米磁铁矿悬浊液。备注：本专利技术中的去氧溶液(如去氧稀硫酸、去氧氢氧化钠溶液等)即采用去氧超纯水(超纯水氮吹20min)作为溶剂，溶解相应的溶质后得到的混合溶液。本方法与其他方法相比，无需对样品进行离心、加温等步骤，操作简便、安全、环保，降低了纳米磁铁矿制作成本同时也节约了生产时间。本实施例中所制得的纳米磁铁矿呈黑色颗粒状，通过磁铁石的验证，表明自制纳米磁铁矿具有良好的磁性；从所制得的纳米磁铁矿的透射电镜扫描图片(附图1)来看，纳米磁铁矿呈均匀球形；而纳米磁铁矿的XRD谱图(附图2)显示所制纳米磁铁矿的出峰与磁铁矿标样的峰一一对应，说明制得的纳米磁铁矿纯度很高。同时XRD分析结果表明纳米磁铁矿的平均粒径为81nm，具有较大的比表面，可以实现与微生物的充分接触。。实施例2采用纳米磁铁矿耦合工艺处理废水，其中纳米磁铁矿采用实施例1中制备得到的纳米磁铁矿悬浊液。具体处理方法如下：1.反应体系构建与耦合工艺参数实验组：接种污泥取自运行一年以上的上流式厌氧生物反应器，该反应器水力停留时间为1.5d，进水有机负荷2.0kgm-3d-1，混合液污泥浓度(MLSS)约为30gL-1。取部分污泥，用PBS缓冲液冲洗3遍，加入实施例1中制备得到的纳米磁铁矿悬浊液(投加量为1.55gFe/gMLVSS，相当于后续厌氧反应器的废水中Fe含量为0.5gFe/L)，通过磁力搅拌使磁铁矿与厌氧污泥充分混合均匀，得到接种厌氧污泥。以厌氧瓶为反应器，向瓶中接种上述混合厌氧污泥，加入模拟废水(由蔗糖、NH4HCO3、KH2PO4、K2HPO4·3H2O以及NaHCO3组成，C:N:P≈100:5:1)，初始COD浓度为2000mgL-1，再用氮吹20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺，其特征在于，步骤如下：首先，向待接种的厌氧污泥中加入纳米磁铁矿，并通过磁力搅拌使纳米磁铁矿与厌氧污泥充分混合均匀，得到接种厌氧污泥；然后，向厌氧反应器中接种混合有纳米磁铁矿的厌氧污泥，通入废水后进行氮吹处理，去除反应器中氧气残留的同时实现污泥和纳米磁铁矿的进一步均匀混合；最后，调节废水的pH值和温度，保持反应器中的泥水均匀混合状态对废水进行处理。

【技术特征摘要】
1.一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺，其特征在于，步骤如下：首先，向待接种的厌氧污泥中加入纳米磁铁矿，并通过磁力搅拌使纳米磁铁矿与厌氧污泥充分混合均匀，得到接种厌氧污泥；然后，向厌氧反应器中接种混合有纳米磁铁矿的厌氧污泥，通入废水后进行氮吹处理，去除反应器中氧气残留的同时实现污泥和纳米磁铁矿的进一步均匀混合；最后，调节废水的pH值和温度，保持反应器中的泥水均匀混合状态对废水进行处理。2.如权利要求1所述的废水处理工艺，其特征在于：所述的纳米磁铁矿的制备方法如下：1)以去氧稀硫酸为溶剂配置铁离子混合溶液，溶液中Fe3+与Fe2+摩尔比为2:1；2)在铁离子混合溶液中加入过量的去氧氢氧化钠溶液，并通过磁力搅拌实现溶液充分混合；3)将制得的混合溶液置于磁铁上进行固液分离后，通过虹吸法将上清液去除，得到磁铁矿沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪彩琴，朱亮，陈琳琳，高心怡，徐向阳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33