一种基于金属-有机框架材料的极限脱氮载体及其制备和应用方法技术

本发明专利技术涉及污水深度处理技术领域，尤其是涉及一种基于金属

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体及其制备和应用方法


[0001]本专利技术涉及污水深度处理
，尤其是涉及一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体及其制备和应用方法。

技术介绍

[0002]随着水生态环境质量受到越来越多的关注，对水环境质量与污水处理厂的排放标准提出了更高的要求。越来越多的污水处理厂采用了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918
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2002)中一级A标准的要求，甚至进一步将向地表水Ⅲ、Ⅳ类水标准靠拢。然而，由于碳氮比不足的问题普遍存在，污水中的硝酸盐氮较难脱除，故常常导致污水厂尾水的总氮浓度无法满足日益严苛的排放标准。目前，通常以外加有机碳源(乙酸钠、冰醋酸等)来满足传统异养脱氮过程的需求，这大大增加了运行成本以及运行维护的复杂度，并且在人工湿地等低氮污染水体中，投加的有机碳源的投加量较难控制，易出现有机物残留等二次污染问题。因此，以硫、铁或亚铁等无机元素为电子供体的自养脱氮过程受到了越来越多的关注，其中较为直观的表现便是对于基于硫磺、还原铁粉等材料的自养型脱氮材料的开发，但这些单独基于自养型脱氮过程研制的材料往往存在脱氮效率低、出水硫酸盐浓度升高等问题。此外，有机框架
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金属材料受到越来越多的关注和研究，其具有较大的比表面积和较强的化学催化活性，但在污水生物处理领域还未得到广泛的应用。

技术实现思路

[0003]针对现有脱氮材料在低氮污染、低碳氮比污水极限脱氮应用中存在的不足及缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体及其制备和应用方法，也即一种铁基质
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有机质复合营养型脱氮体系(异养反硝化
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铁自养反硝化)，有机质不仅可为异养反硝化提供碳源，而且也可为铁自养反硝化菌的脱氮代谢和生长提供电子及能源，配置该极限脱氮载体的脱氮系统无需外加碳源，且脱氮效率相比单独自养脱氮过程有着极大的增强。
[0004]本专利技术中极限脱氮即指对本身氮污染物浓度较低(TN≤15mg/L)的污水进行深度脱氮处理，使出水的氮污染物浓度降低至较为极限的浓度(TN≤1.0mg/L)。
[0005]本专利技术的极限脱氮载体，主要针对污水厂尾水、地表水等氮污染和碳氮比均较低(TN≤15mg/L；C/N≤3)的污水的深度脱氮需求，可用于以生物流化床、生物滤池、人工湿地为代表的典型水质净化系统，无需外加有机碳源药物，出水即可达到地表水环境质量标准(GB 3838
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2002)Ⅲ类水标准，并且具有成本低、制备简单、适用范围广、水力性能好等优点。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术的第一个目的是提供一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体，包括功能组分、缓冲组分和发泡剂；
[0008]所述功能组分为预处理后自养功能材料和异养功能材料的混合物；
[0009]所述功能组分、缓冲组分和发泡剂的质量比为5～8：1～3：1；
[0010]其中，所述自养功能材料为金属
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有机框架材料，所述异养功能材料为聚羟基脂肪酸酯(PHA)材料。
[0011]在本专利技术的一个实施方式中，所述预处理为清洗、干燥、破碎后过筛。
[0012]在本专利技术的一个实施方式中，过筛过程中，筛网的孔径为400目～1000目。
[0013]在本专利技术的一个实施方式中，所述自养功能材料和异养功能材料的质量比为1～5：1；
[0014]所述金属
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有机框架材料选自Fe
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MOF
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74或MIL
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101
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Fe中的一种；其功能在于释放铁离子作为自养脱氮过程的电子供体并刺激微生物的生长代谢过程，同时Fe
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MOF还具有催化活性，能够加速种间电子传递，强化脱氮效果；
[0015]所述聚羟基脂肪酸酯(PHA)材料选自聚羟基丁酸脂(PHB)、羟基丁酸共聚酯(PHBV)、羟基丁酸已酸共聚酯(PGBHHx)中的一种；功能在于提供碳源的同时引导微生物群落中的脱氮功能菌群演化，快速强化水质净化系统的脱氮性能。
[0016]在本专利技术的一个实施方式中，自养功能材料和异养功能材料的质量比可根据处理目标的氮污染物浓度进行调整，针对TN≤5mg/L处理目标的质量比为(3～5)：1，5mg/L＜TN≤15mg/L处理目标的质量比为(1～3)：1。
[0017]在本专利技术的一个实施方式中，功能组分和缓冲组分的质量比可根据目标水质的pH条件调整，针对pH＜6.5处理目标的质量比为(5～8)：3，6.5≤pH≤8.5处理目标的质量比为(5～8)：2，pH＞8.5处理目标的建议质量比为(5～8)：1。
[0018]在本专利技术的一个实施方式中，所述缓冲组分选自碳酸钙或碳酸钙矿物中的一种；
[0019]发泡剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠或十二烷基硫酸钠中的一种。
[0020]本专利技术的第二个目的是提供一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体的制备方法，包括以下步骤：
[0021](1)将功能组分与缓冲组分混匀得到混合物；
[0022](2)将步骤(1)得到的混合物与发泡剂混匀后后处理得到极限脱氮载体。
[0023]在本专利技术的一个实施方式中，步骤(2)中，所述后处理为加热熔融、机械发泡后冷却定型(通过加热使混合物料中的PHA熔融并机械发泡后冷却定型即获得极限脱氮载体)。
[0024]在本专利技术的一个实施方式中，加热熔融过程中，温度为140℃～170℃；
[0025]机械发泡过程中，搅拌速度为200rpm～350rpm，搅拌时间为300s～600s。
[0026]在本专利技术的一个实施方式中，所述冷却定型过程为室温通风条件下自然定型。
[0027]本专利技术的第三个目的是提供一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体在水质净化系统中的应用，包括以下步骤：
[0028]将极限脱氮载体破碎加工后置于水质净化系统中。
[0029]在本专利技术的一个实施方式中，所述水质净化系统选自生物流化床系统、生物滤池系统或人工湿地系统中的一种。
[0030]在本专利技术的一个实施方式中，当水质净化系统为生物流化床系统时，极限脱氮载体的粒径为1mm～3mm；
[0031]当水质净化系统为生物滤池系统时，极限脱氮载体的粒径为2mm～15mm；
[0032]当水质净化系统为人工湿地系统时，极限脱氮载体的粒径为10mm～50mm。
[0033]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0034](1)传统生物脱氮工艺往往要求污水具有较高的C/N，才能保证脱氮过程的进行与效果，故往往需要外部投加乙酸钠等有机碳源。本专利技术在无需外部投加有机碳源的情况下，主要依靠铁自养<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体，其特征在于，包括功能组分、缓冲组分和发泡剂；所述功能组分为自养功能材料和异养功能材料的混合物；所述功能组分、缓冲组分和发泡剂的质量比为5～8：1～3：1；其中，所述自养功能材料为金属
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有机框架材料，所述异养功能材料为聚羟基脂肪酸酯材料。2.根据权利要求1所述的一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体，其特征在于，所述自养功能材料和异养功能材料的质量比为1～5：1。3.根据权利要求1所述的一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体，其特征在于，所述金属
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有机框架材料选自Fe
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MOF
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74或MIL
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101
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Fe中的一种；所述聚羟基脂肪酸酯材料选自聚羟基丁酸脂、羟基丁酸酸共聚酯或羟基丁酸已酸共聚酯中的一种。4.根据权利要求1所述的一种基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体，其特征在于，所述缓冲组分选自碳酸钙或碳酸钙矿物中的一种；发泡剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠或十二烷基硫酸钠中的一种。5.一种如权利要求1
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4任一所述的基于金属
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有机框架材料的极限脱氮载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将功能...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴晓利，王鹏程，陆斌，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：