提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料、制备方法及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料、制备方法及其应用。本发明专利技术的复合填料以二甲胺基纳米孔聚苯乙烯微球为母体，通过“前驱体预富集

【技术实现步骤摘要】
提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于废水处理和环境功能材料领域，涉及一种提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation,Anammox)是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化菌(Anammox Bacteria，AnAOB)以亚硝态氮(NO2‑
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N)为电子受体，将氨氮(NH
4+
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N)氧化为氮气(N2)的过程。该技术具备以下优点：
①
需氧量与传统脱氮工艺相比减少62.5％，可大幅降低电耗；
②
无需补充有机碳源，节省运行费用；
③
不涉及异养型的反硝化菌，可大幅减少剩余污泥产量。
[0003]虽然Anammox工艺具有上述诸多优点，但是AnAOB生长速率低、对外界环境变化极其敏感，致使Anammox系统启动缓慢、运行稳定性较低，已成为该工艺工程化应用的重要瓶颈。导致Anammox工艺启动缓慢的主要原因包括：(1)AnAOB易受环境因素干扰，过低的温度、过高的溶解氧浓度和亚硝酸盐浓度等都会抑制其生长及增殖；(2)在没有外界刺激和增益的情况下，AnAOB在反应器中与其它厌氧菌竞争时，往往处于劣势；(3)采用厌氧反应器(如UASB)启动Anammox，存在污泥上浮，造成生物量流失的问题。
[0004]AnAOB在生物量充足的情况下能有效抵抗不利环境，但由于AnAOB的生长速率缓慢，为保证反应器内有充足的AnAOB，就需要Anammox系统有相对较长的污泥停留时间。微生物固定化技术能有效提高微生物浓度，强化微生物对极端环境和负荷冲击的抵抗力，维持系统运行的稳定性。向Anammox反应器内添加生物载体填料(如：纤维球、聚丙烯空心球、玻璃钢斜管、塑料等)，可以增加反应器的内表面积，扩大微生物的生长空间，是防止AnAOB流失并维持系统生物量稳定的有效手段。但传统的生物载体填料多由聚氨酯、聚丙烯或聚乙烯等疏水性材料制备，表面缺乏化学基团修饰，疏水性较强，不利于微生物的粘附和挂膜，且对于提高AnAOB的反应活性、促进微生物增殖没有明显作用。
[0005]有研究证实，适量添加某些金属离子(如：Cu、Zn、Fe等)可提高微生物的活性和微生物多样性。铁元素能够参与AnAOB的代谢，向Anammox反应器内投加零价铁(Zero Valent Iron,ZVI)可为AnAOB创造适宜的生长环境进而提高AnAOB的活性(雷欣,闫荣,慕玉洁,章院灿,付志敏.铁元素对厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响.化工进展.https://doi.org/10.16085/j.issn.1000
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6613.2020
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1178.)。ZVI的作用机制包括以下几方面：(1)通过消耗溶解氧DO，降低系统内氧化还原电位，为AnAOB提供适宜的生存环境；(2)ZVI释放Fe
2+
，能够有效压缩污泥胶体的双电层，降低Zeta电位，有利于污泥形成凝聚颗粒；(3)ZVI有利于胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)的分泌，增强AnAOB的聚集，避免AnAOB被冲刷，有助于生长缓慢的AnAOB的固定化；(4)ZVI通过促进AnAOB增殖和生理活动强化，提高功能微生物的丰度，优化菌群结构，提升Anammox系统的脱氮性能。相较于普通ZVI，纳米零价铁(Nanoscale Zero
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Valent Iron,nZVI)具有更大的比表面积和更多的活性位
点，能在Anammox反应中表现出更强的活性。然而nZVI尺寸过小，直接用于水处理系统存在易团聚失活、难操作、易流失致潜在生态风险等问题。将nZVI负载至多孔载体材料内，能够在保留nZVI高反应活性的同时提高材料的稳定性与易操作性。
[0006]中国专利申请201910078534.9公开了一种聚苯乙烯纳米零价铁复合材料及其制备方法和应用，采用液相还原法，将纳米零价铁负载于闪冻法得到的多孔聚苯乙烯小球中，得到聚苯乙烯纳米零价铁复合材料。然而该材料聚苯乙烯微球采用闪冻法制得，表面不含亲水性功能基团，导致该材料的疏水性较强、生物亲和性较差，不利于微生物在其表面的粘附和增殖，用作Anammox系统的载体不利于厌氧氨氧化微生物的挂膜。另一方面，该聚苯乙烯微球载体由于不含带电功能基团，无法在孔道内形成静电场效应，在nZVI负载过程中不能促进nZVI纳米颗粒的分散，导致该材料中nZVI的分散性较差，比表面积低、活性不强。
[0007]综上所述，Anammox工艺存在启动缓慢、运行稳定性较差等工程应用瓶颈。向Anammox反应器中添加载体填料能防止AnAOB流失、维持系统生物量，而投加nZVI有利于提高AnAOB的反应活性，但二者在实际应用中各自存在缺陷。目前，将负载nZVI的复合材料用作Anammox系统的挂膜载体，以促进微生物的挂膜和活性，提升其脱氮性能，还未见文献报道。

技术实现思路

[0008]针对Anammox污水处理系统启动缓慢、运行稳定性差等问题，本专利技术提供一种既有利于AnAOB固定挂膜又能提高AnAOB活性的提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料、制备方法及其应用。该复合填料的母体聚苯乙烯微球上修饰的二甲胺活性基团能够提升载体材料的亲水性，同时能与带负电的微生物产生静电引力，使AnAOB更加稳定的附着于复合填料表面，有利于生长缓慢的AnAOB的粘附和增殖；复合填料内负载的nZVI能够为AnAOB创造适宜的生长环境进而提高AnAOB的活性。综上，在母体和nZVI的协同作用下，复合填料能有效提升厌氧氨氧化系统的启动速度和脱氮性能。
[0009]本专利技术的技术方案如下：
[0010]提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料的制备方法，通过“前驱体预富集
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原位还原”的工艺路线，将nZVI固载于二甲胺基(
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N(CH3)2)纳米孔聚苯乙烯微球(DPM)孔道内，包括以下步骤：
[0011]步骤1，将二甲胺基纳米孔聚苯乙烯微球依次用NaOH和NaCl溶液漂洗，再用去离子水冲洗至出水为中性，干燥；
[0012]步骤2，将FeSO4充分溶解在含5～20％(V/V)乙醇的水溶液中，用稀硫酸调节溶液pH≤2；
[0013]步骤3，将步骤1中清洗干燥后的二甲胺基纳米孔聚苯乙烯微球缓慢加入至步骤2的FeSO4溶液中，控制温度为50～70℃持续搅拌反应8～12h，使溶液充分浓缩；
[0014]步骤4，将步骤3中预负载有Fe
2+
的二甲胺基纳米孔聚苯乙烯微球滤出，缓慢加入到NaBH4溶液中，于25℃下超声振荡反应10～30min；
[0015]步骤5，将步骤4的反应产物滤出，用无水乙醇充分漂洗后，于40～60℃条件下烘干24h，制得复合填料nZVI@DPM。
[0016]优选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将二甲胺基纳米孔聚苯乙烯微球依次用NaOH和NaCl溶液漂洗，再用去离子水冲洗至出水为中性，干燥；步骤2，将FeSO4充分溶解在含5～20％(V/V)乙醇的水溶液中，用稀硫酸调节溶液pH≤2；步骤3，将步骤1中清洗干燥后的二甲胺基纳米孔聚苯乙烯微球缓慢加入至步骤2的FeSO4溶液中，控制温度为50～70℃持续搅拌反应8～12h，使溶液充分浓缩；步骤4，将步骤3中预负载有Fe
2+
的二甲胺基纳米孔聚苯乙烯微球滤出，缓慢加入到NaBH4溶液中，于25℃下超声振荡反应10～30min；步骤5，将步骤4的反应产物滤出，用无水乙醇充分漂洗后，于40～60℃条件下烘干24h，制得复合填料nZVI@DPM。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，二甲胺基纳米孔聚苯乙烯微球的二甲胺基含量≥4mmol/g，平均孔径为15～30nm；NaOH和NaCl溶液的浓度为1～2mol/L。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文静，李雪婷，胡凡，唐欢，李含，赵雨，陈嘉超，宋佩霖，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：