【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于污水处理，特别是涉及一种基于铁碳微电解的脱氮生物填料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、近年来，随着城市化和工业化程度不断加快，水环境问题日益凸显，水体n、p过量导致的富营养化问题日益突出，急需新型脱氮工艺的出现。以硫源(例如单质硫)为电子供体的硫自养反硝化工艺，具有工艺流程短、无需有机碳源、投资和运行成本低等优点，在国内外已经有诸多研究先例；在硫自养反硝化功能菌的作用下，硝酸盐作为电子受体优先被还原为亚硝酸盐并得以积累，该过程称之为硫自养短程反硝化，这部分积累的亚硝酸盐可以作为底物参与厌氧氨氧化反应，之后亚硝酸盐被硫还原为氮气，其反应式如下：
2、s0+3no3-+h2o→so42-+3no2-+2h+ (1)
3、s0+2no2-→so42-+n2 (2)。
4、以氨作为亚硝酸盐反硝化的无机物电子供体的厌氧氨氧化(anammox)自养脱氮反应，由于可以大幅度节省好氧氨氧化的动力消耗，是近几年在生物脱氮领域研究的热点之一，其反应式为：
5、nh4++1.32no2-+0.066hco3-+0.13h+→1.02n2+0.26no3-+0.066ch2o0.5+2.03h2o (3)；
6、但是anammox工艺由于反应器启动时间长、细胞产率低、高浓度基质的抑制、进水nh4+/no2-失衡、对外界环境敏感度高
7、no3-+4fe0+7h+→nh4++4fe2++3oh- (4)
8、2no3-+5fe0+6h2o→n2+5fe2++12oh- (5)
9、目前，在废水处理领域，以上技术的耦合多有报道。如cn 115650426 a公开了一种基于微电解废铁泥基填充材料的高效脱氮工艺，该工艺以微电解废铁泥为原料自制tf材料和tn材料，分别为feammox反应区和ndfo反应区提供各自所需的铁源，且feammox反应区的出水为ndfo反应区的进水；通过耦合feammox反应与ndfo反应，经过两次生物脱氮，实现了对含氨氮污水的高效脱氮处理，且最后出水的氨氮、总氮及cod均可达到地表水环境质量标准(gb3838-2002)中ⅳ类水标准限值；同时还实现了对固废资源的回收再利用，让铁碳微电解产生的废铁泥、农林废弃物等固废资源变废为宝，避免对环境造成二次污染。但由于其采用废铁泥基作为材料，故而对氨氮等污染物质去除速率较慢且负荷较低。cn 115490322 b公开了一种基于碳包覆纳米零价铁材料的生物反硝化同步脱氮除磷的方法。其将包覆纳米零价铁材料和混合液挥发性悬浮物mlvss加入到氮气除氧后的废水中，在厌氧条件下，以碳和纳米零价铁作为自养反硝化系统中的电子供体，协同去除废水中的氮和磷，突破了由于同步磷去除抑制铁反应活性和生物脱氮效率的瓶颈。但该技术中涉及的纳米零价铁材料，不仅性质活泼易氧化，而且成本较高，实际应用不理想。
10、综上，以单质硫与铁碳颗粒作为主材制作的填料，其不仅对氨氮等污染物质去除效果好，而且填料的成本较低，实际应用较理想。此外由此填料形成的系统中，硫自养反硝化、铁碳微电解和anammox所需环境条件相似，底物与产物可以很好的互补，如果结合在一起，不仅可以实现多种含氮化合物的同步去除，提高系统的脱氮效率，还使其具有更强的缓冲能力，但目前相关此三种反应耦合的研究尚未见报道。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种基于铁碳微电解的脱氮生物填料及其制备方法和应用，解决了现有技术中生物脱氮技术中存在的问题，实现了多种含氮化合物的同步去除，提高系统的脱氮效率，还使系统具有更强的缓冲能力。
2、为实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、一种基于铁碳微电解的脱氮生物填料，所述填料为硫粉包覆单质铁-活性炭形成的3-5mm球形复合填料；
4、所述复合填料中单质铁和活性炭的质量比为2～4:1；硫粉与铁碳粉的质量比为10-15:1。
5、上述脱氮生物填料的制备方法，包括以下步骤：
6、将铁粉(fe0)和活性炭粉(ac)，按照质量比2～4:1的比例进行组合，加入适量的聚乳酸溶液作胶黏剂使其相互结合成直径约0.1mm的微小颗粒；然后加入适量的硫粉，使得硫与铁碳(fe0-ac)的质量比为10～15:1，在硫的熔点温度115℃±2℃下，以480r/min高速搅拌5-10min，使得硫磺与铁碳小颗粒紧密且均匀的结合，加入聚乳酸溶液作胶黏剂后经造粒冷却后获得直径3～5mm的球形复合填料。
7、上述脱氮生物填料用于自养生物脱氮，将生物填料和厌氧污泥加入到待处理的硝态氮废水中，形成耦合脱氮系统，在脱氮过程中发生以下反应，(1)硫自养反硝化：消耗填料中的单质硫，硝态氮被转化为氮气，且伴随着少量no2--n的积累，并暴露出铁碳(fe0-ac)颗粒；(2)暴露出的fe0-ac在废水中发生微电解反应，在ac表面生成强还原性的氢原子，将邻近吸附的硝酸盐部分还原成nh4+-n；(3)厌氧污泥中的厌氧氨氧化菌将以上两步产生的no2--n、nh4+-n还原为n2，其产生的少量硝态氮又可被前两种反应消耗，使得整个系统得以有机的结合。
8、上述反应运行温度为25～35℃；废水的ph控制在6～9范围内，反应器中水力停留时间(hrt)为2～8h。
9、有益效果：本专利技术提供了一种基于铁碳微电解的脱氮生物填料及其制备方法和应用，与现有技术相比，具有以下优势：
10、1.本专利技术生物填料中的铁碳，使得厌氧氨氧化(anammox)与硫自养反硝化(s0ad)进行了更快更好的一体化耦合，突破了只有s0ad与anammox耦合时，微生物活性和生物脱氮效率的瓶颈，提高了原耦合系统约20％的脱氮负荷，不仅提高了系统的脱氮效率，还使其具有更强的缓冲能力；
11、2.本专利技术填料形成的耦合系统中铁元素的加入有利于菌种的生长，提高了菌种的活性，还提高了系统ph的稳定性；
12、3.引入的铁碳微电解使得s0ad与anammox的耦合体系，不需额外添加nh4+-n、no2--n，降低了反应成本，还使得体系的so42-产量降低，极大避免了水体的二次污染；
13、4.本专利技术的方法运行条件温和，在常压下就可以进行，无需特定条件，可广泛实际应用，且无有毒有害物质生成，对环境安全无害。
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1.一种基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将铁粉和活性炭粉混合，加入胶黏剂使其相互结合成铁碳颗粒；然后加入硫粉，在硫的熔点温度115℃±2℃下高速搅拌，使得硫磺与铁碳小颗粒紧密且均匀的结合，加入胶黏剂后经造粒冷却后获得球形复合填料。
2.根据权利要求1所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，所述铁粉和活性炭的质量比为2~4:1。
3.根据权利要求1或2所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，所述硫粉与铁碳的质量比为10-15:1。
4.根据权利要求1或2所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，所述铁碳颗粒为直径0.1mm的微小颗粒。
5.根据权利要求1所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，加入硫粉后搅拌5-10min。
6.权利要求1-5任一项所述方法制备的基于铁碳微电解的脱氮生物填料，其特征在于，所述填料为硫粉包覆单质铁-活性炭形成的直径为3-5mm球形复合填料。
7.根据权利要求6所述的基于铁碳微电解
8.权利要求6-7任一项所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的应用，其特征在于，所述生物填料用于自养生物脱氮，将生物填料和厌氧污泥加入到待处理的硝态氮废水中，形成耦合脱氮系统。
9.根据权利要求8所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的应用，其特征在于，所述耦合脱氮系统在脱氮过程中发生以下反应，（1）硫自养反硝化：消耗填料中的单质硫，硝态氮被转化为氮气，且伴随着少量NO2--N的积累，并暴露出铁碳（Fe0-AC）颗粒；（2）暴露出的Fe0-AC在废水中发生微电解反应，在AC表面生成强还原性的氢原子，将邻近吸附的硝酸盐部分还原成NH4+-N；（3）厌氧污泥中的厌氧氨氧化菌将以上两步产生的NO2--N、NH4+-N还原为N2，其产生的少量硝态氮被前两种反应消耗，使得整个系统得以有机的结合。
10.根据权利要求8或9所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的应用，其特征在于，所述系统运行温度为25~35 ℃；废水的pH控制在6~9范围内，反应器中水力停留时间为2~8h。
...【技术特征摘要】
1.一种基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将铁粉和活性炭粉混合，加入胶黏剂使其相互结合成铁碳颗粒；然后加入硫粉，在硫的熔点温度115℃±2℃下高速搅拌，使得硫磺与铁碳小颗粒紧密且均匀的结合，加入胶黏剂后经造粒冷却后获得球形复合填料。
2.根据权利要求1所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，所述铁粉和活性炭的质量比为2~4:1。
3.根据权利要求1或2所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，所述硫粉与铁碳的质量比为10-15:1。
4.根据权利要求1或2所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，所述铁碳颗粒为直径0.1mm的微小颗粒。
5.根据权利要求1所述的基于铁碳微电解的脱氮生物填料的制备方法，其特征在于，加入硫粉后搅拌5-10min。
6.权利要求1-5任一项所述方法制备的基于铁碳微电解的脱氮生物填料，其特征在于，所述填料为硫粉包覆单质铁-活性炭形成的直径为3-5mm球形复合填料。
7.根据权利要求6所述的基于铁碳...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，刘其松，叶旭，彭震，范遥，吴圣凯，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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