本發(fā)明屬于水處理，具體涉及一種用于好氧池脫氮強(qiáng)化的生物填料及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氮是自然界廣泛存在的元素，也是水體中常見的污染物之一。由于農(nóng)藥化肥的使用以及人類日常各種活動，導(dǎo)致大量的含氮物質(zhì)流入江河湖泊等水環(huán)境中，從而造成了水環(huán)境中的氮污染問題。同時(shí)，水體氮污染會帶來很多不良后果，氮素過高會引起富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水體缺氧，影響水下生物的生存，甚至引發(fā)“死亡區(qū)域”，對水生生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞。此外，氨氮和亞硝態(tài)氮會直接影響水體的感官特性和透明度，高濃度的氨氮會降低水體的ph值，對魚類和其他水生生物造成毒性影響。同時(shí)，未經(jīng)處理或處理不當(dāng)?shù)暮獜U水如果直接排放到飲用水源中，其中的亞硝酸鹽和硝酸鹽會對人體健康構(gòu)成威脅。長期攝入高濃度的硝酸鹽會增加?jì)雰夯妓{(lán)嬰綜合征的風(fēng)險(xiǎn)。

2、因此，高效脫氮與穩(wěn)定達(dá)標(biāo)一直以來都是廢水處理廠的重點(diǎn)。對于市政污水處理廠中的進(jìn)水是生活污水時(shí)，b/c、c/n比充足，生化段脫氮效果顯著；但是市政污水處理廠不僅處理生活污水，往往還接納大量的工業(yè)廢水，在經(jīng)預(yù)處理后雖然達(dá)到納管排放標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)入污水處理廠，但排放水中殘余有機(jī)污染物多為難降解物質(zhì)甚至具有毒性，如多環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物等，其水溶性差、環(huán)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不僅難以被微生物利用，還會抑制微生物生長，給傳統(tǒng)生物脫氮工藝帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。已有研究表明，酚類化合物對硝化和反硝化菌屬均有嚴(yán)重抑制作用，該抑制效應(yīng)隨著取代基的增多而顯著加強(qiáng)。為此，如何強(qiáng)化提升脫氮菌活性，在含工業(yè)廢水的市政污水處理中實(shí)現(xiàn)高效深度脫氮則成為了新的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、生物脫氮技術(shù)因其高效的脫氮能力和較低的運(yùn)行成本已經(jīng)被廣泛研究并應(yīng)用。其中，移動床生物膜反應(yīng)器(mbbr)工藝由于有機(jī)負(fù)荷高、占地面積小、能耗低、強(qiáng)化脫氮除磷等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，能在一定程度上解決冬季低溫氨氮超標(biāo)問題，特別適用于污水處理廠的提標(biāo)改造。其中，填料作為該工藝的核心，具有緩釋營養(yǎng)性能和生物膜載體的功能。研究表明，填料的物理性質(zhì)、比表面積、孔隙率等都是影響污水處理效率的關(guān)鍵因素。因此，對現(xiàn)有的普通填料進(jìn)行研究選擇和升級改造是很有必要的。除此之外，一些厭氧細(xì)菌可在厭氧條件下完成酚類物質(zhì)解毒與開環(huán)。為此，利用生物強(qiáng)化手段，在脫氮系統(tǒng)中選擇性富集該類微生物并完成定植，可有效緩解難降解有機(jī)物的毒性抑制作用，為反硝化脫氮創(chuàng)造良好的脫氮環(huán)境并提供有效碳源。傳統(tǒng)生物脫氮系統(tǒng)的泥齡單一，不利于生長速率差異較大的不同微生物在反應(yīng)器定植與協(xié)作。通過生物膜固定化結(jié)合懸浮生長，可實(shí)現(xiàn)單個反應(yīng)器內(nèi)雙泥齡微生物的生長為混合廢水高效脫氮系統(tǒng)的研發(fā)提供了理論依據(jù)。

2、基于此，本技術(shù)提出一種用于好氧池脫氮強(qiáng)化的生物填料，通過在填料上負(fù)載內(nèi)層-反硝化菌、中層-導(dǎo)電層和外層-硝化菌三層生物填料，成功解決了脫氮菌活性弱的問題，實(shí)現(xiàn)了生物膜的快速形成。除此之外，在中間增加一層金屬導(dǎo)電層參與微生物脫氮過程中電子的傳遞，兩邊生物膜層實(shí)現(xiàn)了生物膜的快速形成，以實(shí)現(xiàn)氮的轉(zhuǎn)化和去除。這種方法既能保持菌體的生物活性，實(shí)現(xiàn)生物膜的快速形成，又可以促進(jìn)菌體和難降解有機(jī)物的分離，降從而降低對菌體的毒害作用。

3、一種用于好氧池脫氮強(qiáng)化的生物填料的制備方法，包括：

4、(1)將反硝化菌與經(jīng)洗滌及烘干預(yù)處理的填料同時(shí)置于海藻酸鈉溶液中浸泡，記為第一浸泡體系，將浸泡一定時(shí)間后的填料取出再投放至cacl2溶液中形成圓球狀凝膠，靜置固化后清洗，得負(fù)載反硝化菌內(nèi)層生物膜的填料；

5、(2)將金屬粉末材料分散于水中形成分散液，將海藻酸鈉、丙烯酰胺和無水氯化鋰充分溶解于所述分散液中，再加入n,n’-亞甲基二丙烯酰胺和過硫酸鈉，充分混合后再加入n,n,n’,n’-四亞甲二胺，充分混合得混合溶液，將所述負(fù)載反硝化菌內(nèi)層生物膜的填料浸泡于所述混合溶液，浸泡結(jié)束后取出填料并在常溫下晾干定型，得表面依次負(fù)載反硝化菌內(nèi)層生物膜和中間導(dǎo)電層的填料；

6、(3)將硝化菌與所述負(fù)載反硝化菌內(nèi)層生物膜和中間導(dǎo)電層的填料同時(shí)置于海藻酸鈉溶液中浸泡，記為第二浸泡體系，浸泡一定時(shí)間后將填料取出再投放至cacl2溶液中形成圓球狀凝膠，靜置固化后經(jīng)清洗和常溫干燥，得表面依次負(fù)載反硝化菌內(nèi)層生物膜、中間導(dǎo)電層和硝化菌外層生物膜的生物填料。

7、以下還提供了若干可選方式，但并不作為對上述總體方案的額外限定，僅僅是進(jìn)一步的增補(bǔ)或優(yōu)選，在沒有技術(shù)或邏輯矛盾的前提下，各可選方式可單獨(dú)針對上述總體方案進(jìn)行組合，還可以是多個可選方式之間進(jìn)行組合。

8、可選的，步驟(1)中所用填料為曝氣生物濾池中常用的填料，包括但不限于陶粒、焦炭、膨脹硅鋁酸鹽等無機(jī)類填料；以及聚氯乙烯、聚合成纖維、聚苯乙烯小球、聚氨酯等有機(jī)類填料中的一種或多種，優(yōu)選生物相容性較好的有機(jī)類材料。

9、可選的，所述反硝化細(xì)菌為假單胞菌屬、不動桿菌屬、副球菌屬中的一種或多種；所述硝化菌為亞硝酸菌屬、亞硝化螺菌屬、亞硝化球菌中的一種或多種。均為該領(lǐng)域常見菌種，可市購獲得。菌液的od600為1-2。

10、所述反硝化菌或硝化菌的預(yù)處理包括：

11、將反硝化菌菌液或硝化菌菌液在一定轉(zhuǎn)速和時(shí)間下離心，用蒸餾水重懸至原始刻度再次離心并重復(fù)1-2次，優(yōu)選的，離心轉(zhuǎn)速為4000-8000r?min-1，離心時(shí)間為5-15min。

12、步驟(1)中：

13、可選的，所述反硝化菌由的od600為1-2的反硝化菌菌液離心得到。

14、可選的，所述第一浸泡體系中，反硝化菌的質(zhì)量百分濃度5-15％，海藻酸鈉的質(zhì)量百分濃度2-10％；浸泡時(shí)間為30-60min。

15、可選的，所述填料與反硝化的質(zhì)量比為1～1.5：1。

16、可選的，所述cacl2溶液的質(zhì)量百分濃度為2％-3％；在所述cacl2溶液中的固化時(shí)間為10-15h。固化過程中cacl2溶液的量無需特別限定，只要所有填料均能沒入cacl2溶液即可。

17、步驟(2)中：

18、可選的，所述金屬粉末材料為純金屬粉末材料或碳修飾的金屬粉末材料；所述純金屬粉末材料包括但不限于鐵、銅、錳和鎳中的至少一種金屬粉末；所述碳修飾的金屬粉末材料為包括但不限于鐵、銅、錳、鎳中其中一種與碳材料結(jié)合修飾的金屬粉末材料。例如，所述金屬粉末材料可為鐵碳粉末，其中鐵碳的摻雜含量比例為1：2。

19、可選的，所述金屬粉末材料的加入量以其在混合溶液中的質(zhì)量百分濃度為0.4-0.8％計(jì)。

20、可選的，所述海藻酸鈉、丙烯酰胺和無水氯化鋰三種物質(zhì)的質(zhì)量比為1～2：4～5：3～4；其中海藻酸鈉在混合溶液中的質(zhì)量百分濃度為1％-2％。

21、可選的，所述n,n’-亞甲基二丙烯酰胺在混合溶液中的質(zhì)量百分濃度為1-2％，過硫酸銨在混合溶液中的質(zhì)量百分濃度為2-4％，n,n,n’,n’-四亞甲二胺在混合溶液中的質(zhì)量百分濃度為2.5-5％。

22、可選的，所述負(fù)載反硝化菌內(nèi)層生物膜的填料與所述混合溶液的質(zhì)量比為1：10～30。

23、可選的，所述負(fù)載反硝化菌內(nèi)層生物膜的填料在混合溶液中的浸泡時(shí)間為30-60min。

24、步驟(3)中：

25、可選的，所述硝化菌由的od600為1-2的硝化菌菌液離心得到。

26、可選的，所述第一浸泡體系中，反硝化菌的質(zhì)量百分濃度5-15％，海藻酸鈉的質(zhì)量百分濃度2-10％；浸泡時(shí)間為30-60min。

27、可選的，所述cacl2溶液的質(zhì)量百分濃度為2％-3％；在所述cacl2溶液中的固化時(shí)間為10-15h。

28、可選的，所述負(fù)載反硝化菌內(nèi)層生物膜和中間導(dǎo)電層的填料與反硝化的質(zhì)量比為1～1.5：1。

29、可選的，所述常溫干燥：將填料在常溫下干燥15-24h，即可獲得可以短期保存的活性好氧硝化-反硝化生物填料。

30、可選的，所述生物填料中：反硝化菌內(nèi)層生物膜、中間導(dǎo)電層和硝化菌外層生物膜的厚度分別為0.5-2mm。該厚度范圍內(nèi)既不容易脫落，也不影響電子傳遞。

31、本技術(shù)還提供一種如所述制備方法制備得到的用于好氧池脫氮強(qiáng)化的生物填料。該活性好氧硝化-反硝化生物填料需保存在低溫干燥環(huán)境。

32、本技術(shù)還提供一種用于好氧池脫氮強(qiáng)化的生物填料，包括基礎(chǔ)填料和依次負(fù)載于基礎(chǔ)填料上的反硝化菌內(nèi)層生物膜、中間導(dǎo)電層和硝化菌外層生物膜。

33、可選的，所述基礎(chǔ)填料為曝氣生物濾池中常用的填料，包括但不限于陶粒、焦炭、膨脹硅鋁酸鹽等無機(jī)類填料以及聚氯乙烯、聚合成纖維、聚苯乙烯小球、聚氨酯等有機(jī)類填料中的一種或多種，優(yōu)選生物相容性較好的有機(jī)類材料。

34、可選的，所述的反硝化細(xì)菌為假單胞菌屬、不動桿菌屬、副球菌屬中的一種或多種；所述硝化菌為亞硝酸菌屬、亞硝化螺菌屬、亞硝化球菌中的一種或多種。均為該領(lǐng)域常見菌種，可市購獲得。

35、可選的，所述反硝化菌內(nèi)層生物膜、中間導(dǎo)電層和硝化菌外層生物膜的厚度分別為0.5-2mm。

36、本技術(shù)還提供一種所述生物填料在好氧池脫氮強(qiáng)化中的應(yīng)用，將所述生物填料按占生化曝氣池中泥水混合物質(zhì)量的20～30％投加至好氧池中。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)至少具有如下有益效果之一：

38、(1)增強(qiáng)脫氮菌活性：利用海藻酸鈉和cacl2的交聯(lián)反應(yīng)，將反硝化菌和硝化菌分別固定在填料的內(nèi)部和外部，保持菌體的生物活性，實(shí)現(xiàn)了生物膜的快速形成，同時(shí)降低難降解有機(jī)物對菌體的毒害作用。

39、(2)提高脫氮效率：通過在填料上中間層添加金屬離子的導(dǎo)電層，可以直接參與微生物脫氮過程中電子的傳遞，促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化和去除，從而提高脫氮效率。

40、(3)適應(yīng)性強(qiáng)：適用于處理含有難降解有機(jī)物和毒性物質(zhì)的工業(yè)廢水，有效緩解這些物質(zhì)對脫氮過程的抑制作用。