一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑和製備方法與流程
2023-08-05 05:35:51 3
本發明屬於汙水生物處理技術領域，具體地說，涉及一種廣譜性生化汙泥膨脹控制藥劑和製備方法。
背景技術：
目前的廢水處理工藝多數採用活性汙泥處理工藝，在處理過程中最為關鍵的步驟是汙泥與已處理廢水分離，由於分離時主要通過重力沉降方式，汙泥沉降時間的快慢直接影響系統運行的穩定性，對處理效果也起到至關重要的作用。然而，在處理過程中如果發生汙泥沉降困難、汙泥膨脹現象，將會直接影響系統的正常運行。
汙泥膨脹具體表現為汙泥體積膨脹，含水率上升，不易沉降，一般表現有以下幾個特點：(1)發生率高。據統計，採用活性汙泥法處理系統的汙水處理廠，德國約50％、美國約60％發生汙泥膨脹現象，在我國也有不小的發生率；(2)危害性大。汙泥膨脹由於無法完全沉降而隨廢水流失，不僅影響生化系統的處理效果，而且導致出水懸浮物增加，影響出水水質，當汙泥膨脹嚴重時，將會導致生化系統癱瘓；(3)普遍性。不同的活性汙泥工藝、池型、水質類型、運行工況等都有可能發生汙泥膨脹現象；(4)突發性。汙水處理廠汙泥膨脹發生迅速，通過現有汙水廠的監測指標難以準確預測汙泥膨脹的發生。
汙泥膨脹主要分為兩大類，一種是由於絲狀菌過度增值引起的絲狀菌汙泥膨脹，另一種是高親水性粘性物質黏附於汙泥上引起的粘性汙泥膨脹，也稱非絲狀菌汙泥膨脹。目前針對於絲狀菌汙泥膨脹控制的研究非常廣泛，採用的方法包括：(1)在回流汙泥中加入氯氣、過氧化氫等殺菌劑對絲狀菌直接進行破壞；(2)去除曝氣池的有機酸抑制絲狀菌的生長。
經檢索，現有技術已有大量的技術方案，如中國專利申請號201310195768.4，該申請案公開了一種有效控制由抗氯性絲狀菌引起汙泥膨脹的方法，該方法中採用了十六烷基三甲基溴化銨(ctab)作為抗氯性絲狀菌殺菌劑，取得了較好的效果，然而該方法難以解決粘性汙泥膨脹，應用範圍較窄。其他的技術方案還包括中國專利申請號201510877306.x，該申請案公開了一種抑制活性汙泥膨脹的方法，其利用植物提取液加入硫酸銅、氯化鎂和氯化鈉來抑制細菌生長，提高了汙泥的壓密性，有效改善了汙泥的沉降性能，然而，該方法同樣存在缺陷，主要包括：(1)實施過程引入了cu2+，存在出水重金屬超標風險；(2)植物提取液中含天然抑菌成分，並非對絲狀菌具有專一性，因此存在抑制正常微生物的風險，進而影響生化系統的處理效果；(3)該方法主要抑制由絲狀菌引起的汙泥膨脹，對粘性汙泥引起的膨脹同樣難以適用。總之，在諸多公開報導的專利文獻中，現有的汙泥膨脹控制措施除了普遍存在見效慢、易反彈、產生二次危害等問題，還具有非廣譜性，只能針對於單一類型的汙泥膨脹，導致治理前需要對引起汙泥膨脹的類型進行鑑定，操作步驟較為繁瑣。
此外，粘性汙泥膨脹一旦發生，其汙泥胞外絮體蛋白質含量會減少，多糖含量會增加，表面負電荷數量將會減少，結合水將大量增加，最終導致汙泥沉澱壓實困難，嚴重影響泥水分離效果。
經檢索，現有技術對於粘性汙泥膨脹的控制也存在一些技術方案。如中國專利號cn201310359766.4，該申請案提出了一種快速解決粘性汙泥膨脹問題的方法，該方法採用稀釋進水供給並改變反應器的運行方式的手段，使系統在低進水有機負荷、高底物濃度梯度的條件下運行，且利用微生物的生理特性，使其在底物匱乏條件下分解其自身分泌的胞外聚合物，使菌膠團表面結合水明顯減少來解決汙泥沉降困難的問題。然而，實際的運行過程中對於不同類別的反應器需要採用不同的運行模式、設置不同參數，還需要監測胞外聚合物蛋白質和多糖的濃度等，整個操作過程較為複雜，在一定程度上增加了投入成本。
隨著研究的進一步深入，複合酶促活性汙泥法為本領域技術人員開拓了新的思路。複合酶促活性汙泥法是通過鐵離子介入微生物生化反應與能量代謝過程，強化鐵離子參與電子傳遞的作用與酶促反應激活劑作用，增強微生物代謝反應活性，改善微生物抵抗外界環境因素變化的能力，從而改善活性汙泥的絮體結構，達到對汙泥膨脹的治理。現有技術也已提供了相關的技術方案，如中國專利號cn201310137152.1，該申請案公開的一種離子交換樹脂脫附液的資源化利用的方法，該申請案將複合酶促活性汙泥法和膜分離技術有效結合，其製成的含鐵活性汙泥營養液對汙泥沉降性的改善起到了一定的作用，但對於嚴重化汙泥膨脹的處理能力還有待提高。
對於汙泥膨脹的治理，公開的方案還包括中國專利號201410413671.0，該申請案公開了一種汙泥的化學調理方法及調理劑，該調理劑包括無機調理劑和有機調理劑兩種，無機調理劑為質量濃度為36～40％的三氯化鐵水溶液，有機調理劑為濃度為4.2～6.1‰的液態陽離子聚丙烯醯胺水溶液，該申請案的化學調理方法利用鐵離子強大的水解能力，利用鐵離子在ph大於1的條件即可以生成單核羥基弱離子的特點，從而生成[fe(oh)]2+、[fe(oh)2]+、[fe3(oh)4]4+等帶電荷離子，利用上述帶電荷離子與菌膠團發生靜電中和作用形成絮體，該申請案的化學調理方法可改善汙泥的脫水性能，有效解決汙泥透水性差的問題，使汙水更易達到泥水分離，且在該方法實施過程中避免了殺滅正常菌種，然而，該方法僅僅利用了鐵離子生成的單核羥基弱離子與菌膠團靜電中和作用，對於嚴重的汙泥膨脹，其治理能力和治理速度還有待提高。
技術實現要素：
1.發明要解決的技術問題
針對現有生化系統中汙泥膨脹難題，傳統的加藥技術容易產生殺滅正常菌種，產生二次汙染、處理效果不佳的缺陷，且具有非廣譜性，在使用之前需要確定產生汙泥膨脹類型和環境，處理過程較為繁瑣。
本發明提供了一種廣譜性生化汙泥膨脹控制藥劑和製備方法，將石墨烯高效電子傳導功能、活性炭生物親和性、鐵離子的電中和和絮凝作用巧妙結合，此外，還利用了鐵氧化物磁力吸引、自身重力壓縮等功能，將多重作用應用於汙泥膨脹控制，具有見效快、無二次汙染、抑制作用持久、廣譜性等優點。
2.技術方案
為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：
本發明的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑為鐵氧化物、活性炭和石墨烯的混合物。
作為本發明更進一步的改進，所述藥劑由鐵離子鹽溶液、活性炭、石墨烯粉末混合，再與鹼溶液反應製備而成。
作為本發明更進一步的改進，所述藥劑有效成分的質量百分比分別為：鐵氧化物中的鐵元素為52％～63％，活性炭為4.6％～6.9％，石墨烯為0.46％～0.69％。
作為本發明更進一步的改進，所述鐵離子鹽溶液為含有fe2+和fe3+鹽溶液，所述鐵離子鹽溶液中fe2+含量不得低於鐵離子總含量的30％。
作為本發明更進一步的改進，所述鐵離子鹽溶液為feso4·7h2o與fecl3·6h2o溶於水製備而成，所述鹼溶液為氫氧化鈉溶液。
作為本發明更進一步的改進，所述活性炭經過了活化處理。
作為本發明更進一步的改進，所述活性炭活化步驟為：將活性炭粉末在氫氧化鈉溶液中浸泡、洗滌後，再在鹽酸溶液中浸泡、洗滌、烘乾、冷卻。
作為本發明更進一步的改進，所述藥劑的粒徑為150～250目。
作為本發明更進一步的改進，一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑的製備方法，其特徵在於依照下列步驟進行：
步驟(1)、鐵離子鹽溶液製備：分別取feso4·7h2o和fecl3·6h2o固體，溶於水中，得到鐵離子鹽溶液，所述鐵離子鹽溶液中fe2+不得低於鐵離子總含量的30％；
步驟(2)、活性炭活化：取活性炭粉末在氫氧化鈉溶液中浸泡、洗滌後，再在鹽酸溶液中浸泡、洗滌、烘乾、冷卻；
步驟(3)、取步驟(1)中的鐵離子鹽溶液，步驟(2)中的活性炭，以及石墨烯粉末混合，所述鐵離子鹽溶液中的鐵元素、活性炭和石墨烯粉末加入的質量比例分別為10：1：0.1，混合均勻後超聲、加熱，用氫氧化鈉溶液調節ph至10～11，繼續攪拌、升溫、陳化，冷卻、洗滌沉澱物至中性；
步驟(4)、將步驟(3)的沉澱物乾燥，研磨篩分出粒徑為150～250目的粉末顆粒。
3.有益效果
採用本發明提供的技術方案，與已有的公知技術相比，具有如下有益效果：
(1)本發明的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑，較好的解決了現有生化系統中汙泥膨脹難題，其使用可以不受汙泥膨脹類型及環境的影響，適用於各行業廢水生化處理過程中絲狀菌或非絲狀菌引起的各種汙泥膨脹問題，具有廣譜性的優點。
(2)本發明的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑，藥劑成分不會改變原有生化系統的菌群結構，因此不會對生化系統產生危害，具有安全性高的特點。
(3)本發明的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑，藥劑中的活性炭與活性汙泥有較強的親和性，能較好的被菌膠團包裹；同時藥劑中鐵氧化物為沉澱物的形式，與現有技術中在溶液中鐵元素以鐵離子形式存在的形式相比，鐵氧化物可以緩慢釋放的鐵離子和亞鐵離子。以此方式可以提高微生物酶活性，進而達到輔助調理生化系統的作用，改善汙泥沉降的效果持久穩定。
(4)本發明的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑，其將活性炭較好的生物親和性和石墨烯較高的電子傳導能力結合，可以將帶負電荷的菌膠團中含有的剩餘電子傳遞至鐵氧化物上，並被鐵氧化物緩釋的鐵離子中和，從而快速消除菌膠團表面的剩餘負電荷，使汙泥快速沉降；與現有技術中鐵離子單純發揮靜電中和作用相比，該藥劑中的鐵氧化物發揮了雙重作用，其釋放的鐵離子和亞鐵離子不僅具有電子中和作用，而且可以接收石墨烯傳遞的電子，因此在汙泥膨脹的治理效果上相對現有技術具有更加快速、高效的特點，對於汙泥發生嚴重膨脹的情況治理效果顯著。
(5)本發明的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑，其將藥劑含鐵氧化物成分，相互間具有磁力吸引的作用，使汙泥絮體間接觸更緊密，有利於汙泥間的縫隙水排出；同時鐵元素以鐵氧化物形式存在，鐵氧化物具有的自身重力可帶動汙泥絮體進一步相互壓縮，從而有效改善汙泥沉降性能，對汙泥膨脹的治理效果起到了進一步加強的作用，具有更加徹底有效、不易反彈的特點。
(6)本發明的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑，採用的原料來源廣泛，價格低廉，將絮凝、電中和、磁力增重及壓縮等多重作用應用於汙泥膨脹的控制，成本控制較低，效果優異，值得推廣。
(7)本發明的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑，藥劑固體運輸方便，藥劑投加無需溶解，可長效投加也可作為應急，靈活性較強。
附圖說明
圖1是fc-200型號藥劑1‰投加量下sv30隨反應時間的變化趨勢圖；
圖2是fc-250型號藥劑不同投加量下svi隨時間變化的趨勢圖；
圖3是fc-200型號藥劑不同投加量下svi隨時間變化的趨勢圖；
圖4是fc-150型號藥劑不同投加量下svi隨時間變化的趨勢圖。
具體實施方式
為進一步了解本發明的內容，結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。
實施例1
本實施例的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑由以下步驟製備而成：
a)鐵離子鹽溶液製備：將feso4·7h2o與fecl3·6h2o按摩爾比1:1溶於水中，配置成含鐵離子濃度為5mmol/l的溶液備用；
b)活性炭活化處理：將20μm的粉末活性炭浸泡於8％的氫氧化鈉溶液12小時，用蒸餾水反覆衝洗至中性後晾乾，再將其浸泡於8％的鹽酸溶液中12小時，用蒸餾水反覆衝洗至中性，自然晾乾後置於105℃烘箱10小時，自然冷卻備用；
c)混合反應及陳化：將步驟a)中得到的鐵離子溶液、步驟b)中得到的活性炭與石墨烯粉末混合，其中鐵離子鹽溶液中的鐵元素、活性炭和石墨烯粉末加入的質量比例分別為10：1：0.1，混合均勻後放在超聲儀超聲15分鐘，然後放置在水浴中加熱至70℃左右，在280r/min機械攪拌下緩慢勻速滴入濃度為10％的氫氧化鈉溶液，直至ph為11左右時停止滴加氫氧化鈉溶液，繼續攪拌30分鐘後停止攪拌，將溫度升至約95℃水浴中陳化10小時，冷卻至室溫，用乙二醇與去離子水反覆洗滌至沉澱物為中性；
d)乾燥：將步驟c)中得到的沉澱物置於105℃烘箱乾燥10小時；
e)研磨篩分：將步驟d)中乾燥後的沉澱物研磨均勻，篩分出不同粒徑的材料。
按粒徑分為fc-250、fc-200、fc-150三種型號；其中，fc-250為目數>250目的材料；fc-200為目數在250～200目之間的材料；fc-150為目數在200～150目之間的材料。
所述藥劑顆粒最終成分為鐵氧化物、活性炭和石墨烯的混合物，在製備過程中產生的微量損失可忽略不計，本實施例中得到藥劑顆粒有效成分中鐵元素、活性炭、石墨烯質量分別為總質量的63％、6.9％、0.69％。
採用本實施例藥劑對河南某印染廢水處理廠生化系統產生的絲狀菌汙泥膨脹進行治理，上述處理廠採用「水解酸化-生物選擇-好氧-二沉」處理工藝，處理量為3000噸/天，其在處理過程中發生汙泥膨脹較為頻繁，svi高達350ml/g左右，sv30高達90％以上，絲狀菌豐度為池e級，有時二沉池出水懸浮物嚴重超標(高達500mg/l以上)，經常有汙泥流失，svi代表汙泥體積指數，良好的活性汙泥svi常在50～120ml/g之間，sv30是指曝氣池混合液在量筒靜止沉降30min後汙泥所佔的體積百分比，由以上數據可知，該生化系統發生的汙泥膨脹較為嚴重。
平行取上述汙水廠好氧池中活性汙泥水樣100ml，平均分為3組，用多孔石曝氣頭曝氣，分別稱取一定質量的fc-150、fc-200、fc-250型號藥劑，按0g、0.005g、0.01g、0.05g、0.1g、0.5g的質量投加至好氧池。
按所處理汙水的質量投加藥劑，結合附圖1所示，投加汙水質量1‰的fc-200藥劑後，sv30數值在1min內急劇下降，1min後趨於平緩，表明本發明提供的藥劑具有見效快的特點。
結合附圖2、附圖3、附圖4所示，fc-200型號藥劑投加量為汙水質量的0.1％時，svi值在1min內可從474ml/g降至200ml/g以下，相比fc-250和fc-150型號藥劑，fc-200型號藥劑性能較佳。
上述結果表明，本發明的藥劑對於嚴重的汙泥膨脹治理效果優異，原因在於其治理過程將石墨烯高效電子傳導功能、活性炭生物親和性、鐵氧化物的電子接收和絮凝作用巧妙結合，此外，還利用了鐵氧化物磁力吸引、自身重力壓縮等功能，將多重作用應用於汙泥膨脹控制，因此該藥劑的治理過程可以不受汙泥膨脹嚴重程度的限制。
實施例2
本實施例的一種廣譜性控制生化汙泥膨脹藥劑由以下步驟製備而成：
a)鐵離子鹽溶液製備：將feso4·7h2o與fecl3·6h2o按摩爾比3:7溶於水中，配置成含鐵離子5mmol/l的溶液備用；
b)活性炭活化處理：將20μm的粉末活性炭浸泡於8％的氫氧化鈉溶液12小時，用蒸餾水反覆衝洗至中性後晾乾，再將其浸泡於8％的鹽酸溶液中12小時，用蒸餾水反覆衝洗至中性，自然晾乾後置於105℃烘箱10小時，自然冷卻備用；
c)混合反應及陳化：將步驟a)中得到的鐵離子溶液、步驟b)中得到的活性炭與石墨烯粉末混合，其中鐵離子鹽溶液中的鐵元素、活性炭和石墨烯粉末加入的質量比例分別為10：1：0.1，混合均勻後放在超聲儀超聲15分鐘，然後放置在水浴中加熱至70℃左右，在280r/min機械攪拌下緩慢勻速滴入濃度為10％的氫氧化鈉溶液，直至ph為10左右時停止滴加氫氧化鈉溶液，繼續攪拌30分鐘後停止攪拌，將溫度升至約95℃水浴中陳化10小時，冷卻至室溫，用乙二醇與去離子水反覆洗滌至沉澱物為中性；
d)乾燥：將步驟c)中得到的沉澱物置於105℃烘箱乾燥10小時；
e)研磨篩分：將步驟d)中乾燥後的沉澱物研磨均勻，篩分出型號為fc-200的藥劑材料待用。
在製備過程中產生的微量損失可忽略不計，本實施例中得到藥劑顆粒有效成分中鐵元素、活性炭、石墨烯質量分別為總質量的59％：6.1％：0.46％。
採用本實施例的藥劑對江蘇某混合型城鎮汙水處理廠生化系統產生的粘性汙泥膨脹進行治理，上述生化系統採用「a2/o」處理工藝，處理量為10000噸/天，夏季易發生粘性膨脹，sv30可達70％，svi達280ml/g，好氧池中有較多粘性泡沫，二沉池出水懸浮物經常超標。
取好氧池中活性汙泥1000ml，用多孔石曝氣頭曝氣，以充分攪動的方式調節合適曝氣量將本實施例製備的fc-200型號藥劑投加於好氧池中，投加量為汙水質量0.8‰，反應1min後，sv30降至28％，svi為112ml/g。持續曝氣模擬運行15天後，sv30仍保持23～36％之間。
上述結果表明，本發明的藥劑具有廣譜性，其旨在通過改變汙泥物理形態的變化，即改善汙泥壓縮性能達到汙泥快速沉降的目的，因此對粘性汙泥膨脹同樣具有較好的治理效果。
實施例3
本實施例藥劑的製備步驟基本同實施例1，不同之處在於：(1)本實施例中得到藥劑顆粒有效成分中鐵元素、活性炭、石墨烯質量分別為總質量的52％：4.6％：0.49％；(2)篩分出的藥劑材料型號為fc-200。
採用本實施例製備而成的藥劑對江蘇某工業園區汙水處理中試工程產生的汙泥膨脹進行治理，上述處理系統採用「水解酸化+好氧」工藝，處理量為10噸/天，經常發生汙泥膨脹，sv30最高為58％，svi約為250ml/g。
將本實施例中製備的fc-200型號藥劑直接投加於好氧池中，投加量為汙水質量的0.5‰，反應5min後，sv30降至21％，svi為92ml/g，15天後補投一次藥劑，投加量為汙水質量的0.3‰，連續運行30天，sv30保持在18～31％之間，svi保持在100ml/g左右水平。
以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構並不局限於此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬於本發明的保護範圍。