一种硫磺基自养微生物脱氮材料及其制备和应用方法技术

本发明专利技术公开了一种硫磺基自养微生物脱氮材料及其制备和应用方法，该自养脱氮材料是将含硫磺的原料与石灰粉混合后，经熔融、成型、表面碳酸化而获得的颗粒物。本发明专利技术的自养脱氮材料作为厌氧生物滤池的填料构建深层厌氧生物滤床，在适宜的温度下、水力停留时间40～60min可以使25mg/L硝酸盐和亚硝酸盐氮降低到5mg/L以下，本发明专利技术的材料替代乙酸钠等有机物碳源反硝化脱氮，节约脱氮成本50％以上。节约脱氮成本50％以上。

【技术实现步骤摘要】
一种硫磺基自养微生物脱氮材料及其制备和应用方法


[0001]本专利技术涉及环境功能材料和污水处理
，更具体地说，涉及一种自养微生物脱氮材料的制备和应用方法。

技术介绍

[0002]氮是导致水体富营养化的最主要元素之一，然而过去在水处理和地表水环境中关注的重点主要是氨氮的控制。近年来，随着水体富营养化越来越严重，特别是城市黑臭河流广泛出现，硝态氮、总氮已经纳入了排污和水体控制指标，并且各地都制定了越来越严格的氮素控制标准。
[0003]硝化
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异养反硝化一直是废水脱氮的主流工艺技术，是通过好氧过程使水中的有机氮、氨氮转化为硝酸盐氮，再把污水回流到缺氧池利用污水中的有机物为电子供体通过异养反硝化微生物把硝酸盐氮转化为氮气。异养反硝化脱氮技术要达到越来越严格的排水总氮水质标准也遇到一些障碍：其一，需要很高的回流比才能使总氮达到排放标准，导致水处理能耗过大、不经济；其二，由于废水在化粪池、排水管路中滞留时间长，存在微生物对有机物降解过程，已经消耗了部分碳源，导致进入污水处理厂的废水中碳源不足，碳氮比过低，不能满足异养反硝化对有机碳的需求；其三，在碳源不足的情况下，目前普遍在二级沉淀池之后增加厌氧生物滤池，投加有机碳依靠异养反硝化菌脱氮，但是投加醋酸钠这类药剂导致脱氮成本过高，而且投加量控制不到位，又导致出水COD过高发生二次污染的问题。
[0004]为了弥补异养脱氮的不足、适应水处理深度脱氮的需求，近年来硫自养反硝化技术作为一种具有代表性的自养反硝化技术得到迅速发展。硫自养反硝化是脱氮硫杆菌这类兼性厌氧微生物利用无机碳为碳源完成合成代谢的同时，以硫及还原性硫化合物(硫代硫酸盐、亚硫酸盐、硫化物)为电子供体把硝酸盐还原为氮气，其中硫磺作为电子供体脱氮是发展的主流方向。硫自养反硝化技术因无需外加碳源受到国内外学者的广泛关注，其具有硫磺资源丰富廉价、产泥量少、处理费用低等优点，是目前脱氮领域研究的热点。以硫磺作为电子供体自养反硝化脱氮过程中会产生水的酸化，通常把石灰石等碳酸盐作为体系pH稳定的介质。现有硫
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石灰石自养反硝化系统，是将石灰石与单质硫颗粒按一定比例混合后作为填料，装入反应滤柱中进行污水处理，石灰石在处理过程中不断溶解，从而缓冲pH的降低。例如：专利CN201910887769.2，一种基于硫自养反硝化的生物滞留池填料，即是把硫磺颗粒与碳酸盐矿物石英砂或者碎石按照比例混合装填到滤池进行自养微生物脱氮。专利CN202110289081.1，一种基于硫自养反硝化的脱氮材料、制备方法与应用，把硫磺(35～65％)、碳酸盐粉料(25～50％)、缓释磷材料(5～15％)、发泡剂(0.5～5％)在115～180℃下加热熔融、混合均匀、成型、冷却成型得到所述脱氮材料。专利CN202010863127.1，一种新型脱氮除磷硫基复合材料及其制备方法，是把富含硫磺溶液、煅烧白云石、石膏粉以及菱铁矿粉混合后加工获得。专利CN201910332916.X，一种钙/镁碳酸盐粉体材料改性硫磺轻质材料的制备及其应用方法，将硫磺和钙/镁碳酸盐粉体混合后在高温条件下熔融，而后在搅拌条件下对熔融混合物进行发泡，再将熔融混合物冷却成型，得到轻质材料。目前的硫磺基脱氮
材料都只考虑了自养微生物脱氮过程中氧化硫磺产酸如何中和的问题，从而在硫磺颗粒使用以及用硫磺制备的复合材料中添加一定比例的碳酸盐矿物，中和硫磺氧化产酸实现体系的pH稳定在微生物可以接受的范围。目前的硫自养脱氮材料存在如下突出问题：
[0005](1)目前的硫磺基硫自养脱氮材料脱氮速率较慢，导致处理池占用土地面积过大。硫磺与微生物交互作用还原硝酸盐氮的需要电子传递过程，硫磺属于难溶性固体物质，硫黄颗粒与微生物之间电子传递是制约脱氮反应速度的关键因素，也是硫自养脱氮速度慢的根本原因。通常投加乙酸钠的异养脱氮厌氧生物深层滤池，水力停留时间为25
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40min时即可稳定达到硝酸盐氮和总氮控制要求，而硫磺颗粒自养脱氮水力停留时间都要在100min以上。如何通过材料制备方法改进，提高硫磺自养脱氮材料的生物反应速度，使脱氮反应水力停留时间达到或者接近异养脱氮的水力停留时间，是目前迫切需要解决的关键技术难题。
[0006](2)硫自养脱氮过程分为两个步骤，硝酸盐还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐还原为氮气，分别由不同的微生物完成。硫自养脱氮微生物对pH值非常敏感，最佳的pH在7
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7.5，过高、过低的pH都会影响微生物的脱氮反应速率。由于硝酸盐还原微生物与亚硝酸盐还原微生物代谢速率差异以及对pH敏感性差异，硫磺颗粒与碳酸盐颗粒构建的生物滤池，常常出现亚硝酸盐积累，从而影响脱氮效率。如何构建材料组成、结构、反应活性，营造有利于微生物附着、增值和代谢的微环境是材料制备的关键。
[0007](3)硫自养脱氮材料一般都是作为颗粒状填充到厌氧脱氮滤池中，如何防止填料堵塞也是水处理运行的关键。目前的脱氮生物滤池都采用定期反冲洗来解决堵塞问题。但是反冲洗过程不仅使造成堵塞的颗粒物洗出，而且造成生物膜的脱落，生物膜恢复需要一定的时间周期，影响生物膜恢复阶段的出水水质。另外，硫磺颗粒密度低、强度低，与碳酸盐矿物密度和强度差异大，反冲洗容易造成硫磺颗粒磨损、增大流失，还会造成硫磺颗粒与碳酸盐颗粒物发生析离。

技术实现思路

[0008]本专利技术经过大量静态、动态脱氮实验研究，提供一种硫磺基自养微生物脱氮材料及其制备与应用方法，以解决上述现有技术所存在的问题，为硫自养反硝化脱氮在污水处理领域应用提供材料和技术支持。
[0009]本专利技术所采用的技术方案为：
[0010]一种硫磺基自养微生物脱氮材料，其特点在于：所述硫磺基自养微生物脱氮材料是将含硫磺的原料与石灰粉混合后，经熔融、成型、表面碳酸化而获得的颗粒物。在所述硫磺基自养微生物脱氮材料中，硫磺的质量百分比不小于70％、石灰的质量百分比不小于10％，还含有少量的碳酸钙、铁化合物以及有机化合物。
[0011]本专利技术所述硫磺基自养微生物脱氮材料的制备方法，包括如下步骤：
[0012]步骤1、将含硫磺的原料和石灰粉按照干基质量比3～9:1混合均匀，获得混合物料；
[0013]步骤2、将所述混合物料加入成型机的料斗内，加热至125～140℃使硫磺熔融，混合物料成为粘稠的可塑性流动状态；然后，通过成型机挤出物料并切割、冷却，得到直径在2
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50mm的球形或棒状颗粒物；
[0014]或者：将所述混合物料加热熔融后，冷却成为块体，再经破碎制成粒径在2
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50mm之
间的颗粒物；
[0015]步骤3、向步骤2所得颗粒物表面喷水，并通入含CO2的气体，使颗粒物表面的氧化钙水化成为氢氧化钙，进而碳酸化为碳酸钙，最终使颗粒物浸泡水溶液的pH值不大于10，即获得硫磺基自养微生物脱氮材料。
[0016]本专利技术所获得的硫磺基自养微生物脱氮材料的物相组成包括单质硫、氢氧化钙、氧化钙、方解石，以及少量的铁锰化合物、有机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫磺基自养微生物脱氮材料，其特征在于：所述硫磺基自养微生物脱氮材料是将含硫磺的原料与石灰粉混合后，经熔融、成型、表面碳酸化而获得的颗粒物。2.根据权利要求1所述的硫磺基自养微生物脱氮材料，其特征在于：在所述硫磺基自养微生物脱氮材料中，硫磺的质量百分比不小于70％、石灰的质量百分比不小于10％。3.一种权利要求1或2所述的硫磺基自养微生物脱氮材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将含硫磺的原料和石灰粉按照干基质量比3～9:1混合均匀，获得混合物料；步骤2、将所述混合物料加入成型机的料斗内，加热至125～140℃使硫磺熔融，混合物料成为粘稠的可塑性流动状态；然后，通过成型机挤出物料并切割、冷却，得到直径在2
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50mm的球形或棒状颗粒物；或者：将所述混合物料加热熔融后，冷却成为块体，再经破碎制成粒径在2
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50mm之间的颗粒物；步骤3、向步骤2所得颗粒物表面喷水，并通入含CO2的气体，使颗粒物表面的氧化钙水化成为氢氧化钙，进而碳酸化为碳酸钙，最终使颗粒物浸泡水溶液的pH值不大于10，即获得硫磺基自养微生物脱氮材料。4.一种权利要求1或2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈天虎，李雅倩，吴小萱，周跃飞，刘海波，邹雪华，吴亚东，
申请(专利权)人：江苏氿合环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：