一種促進活性汙泥顆粒化的方法與流程
2023-12-04 16:21:36 2
本發明屬於汙泥處理技術領域，尤其涉及一種促進活性汙泥顆粒化的方法。
背景技術：
顆粒汙泥法具有沉降性能良好、結構密實、生物量濃度高、抗衝擊能力強、可抵抗有毒有害物質等特性，是活性汙泥法工藝的核心技術。汙泥顆粒化不僅有助於微生物反應，有助於微生物積累，同時也是生物反應器高效運行的主要基礎條件。好氧工藝是處理城市汙水的主流工藝。然而，好氧顆粒汙泥成核條件苛刻、生長周期較長，限制了好氧顆粒汙泥在實際廢水處理工程中的應用。晶核假說是目前較為主流的顆粒汙泥成核原理。好氧汙泥顆粒汙泥的形成過程可以看成汙泥膠團結晶的過程，在晶核的基礎上，顆粒汙泥不斷的成長，直到最後形成成熟、穩定的顆粒汙泥。而傳統的晶核來源於接種汙泥或者在汙泥的生長發育過程中產生的無機鹽、有機物等胞外聚合物。故越來越多的研究者將各種具有優良性能的材料當作晶核投加到汙泥中。李冬、高陽等(中國環境科學，2016，36：25～28)發現在顆粒形成初期投加顆粒活性炭作為初始晶核，可以節省小顆粒形成的時間。國家發明專利(CN 103708688 A)公開了一種水晶微粉促進好氧汙泥顆粒化的方法。微晶粉的主要成分是微米級二氧化矽，然而二氧化矽是疏水材料，且對生物的親和性較弱，有必要對其進行改性，促使形成具有堅實三維立體結構的好氧顆粒汙泥。
綜上所述，現有的水晶微粉促進好氧汙泥顆粒化的方法存在對生物的親和性較弱，在一定程度上限制了微生物細胞在其上的粘附，也不利於形成堅實的顆粒汙泥。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種促進活性汙泥顆粒化的方法，旨在解決現有的水晶微粉促進好氧汙泥顆粒化的方法存在對生物的親和性較弱的問題。
本發明是這樣實現的，一種改性納米球，所述改性納米球按照摩爾比包括：表面活性劑：NaOH：水溶液：正矽酸乙酯：異矽源＝1：2.5：9500：7.4～7.8：0.2～0.6；
所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化胺、十二烷基胺三甲基溴化銨、十六烷基三甲基氯化銨、十二烷基三甲基氯化銨中的一種或幾種；
所述異矽源為3-氨丙基三甲氧基矽烷、3-氨丙基三乙氧基矽烷、N-氨乙基-γ-氨丙基三乙氧基矽烷、3-(2-氨乙基)-氨丙基甲基二甲氧基矽烷、N-[3-(2-氨基乙基氨基)丙基]三甲氧基矽烷中的一種或幾種。
進一步，所述改性納米球直徑為20～100nm、氨基改性的納米矽球。
本發明的另一目的在於提供一種所述改性納米球的製備方法，所述改性納米球的製備方法包括以下步驟：
步驟一，將表面活性劑、NaOH、水溶液、正矽酸乙酯、異矽源按照1：2.5：9500：7.4～7.8：0.2～0.6的摩爾比於60～80℃條件下混合攪拌12～48h；
步驟二，再於80～120℃下水熱處理24～48h，將懸濁液抽濾、洗滌後80～120℃下乾燥過夜，製得改性納米球。
本發明的另一目的在於提供一種應用所述改性納米球的間歇流活性汙泥系統。
本發明的另一目的在於提供一種應用所述改性納米球的連續流活性汙泥系統。
本發明提供的促進活性汙泥顆粒化的方法，改性納米矽球為直徑為20～100nm、氨基改性的納米矽球。好氧汙泥顆粒汙泥的形成過程可看成結晶的過程，以大比表面積的納米矽球作為顆粒汙泥附著的「核」，可加快顆粒化的進程，促進顆粒汙泥不斷成長，直到最後形成成熟、穩定的顆粒汙泥。好氧顆粒汙泥表面一般帶有電負性，這種帶電特性可以用Zeta點位來表示，Zeta電位越高，粒子間的靜電斥力就越大。在一般情況下，微生物膠團是帶負電荷的，能夠與水溶液中的陽離子產生電中和反應，由此微生物膠團不斷變大，同時結構也會變得更加緊湊。而胺改性材料給顆粒汙泥膠團提供了更多的正電荷位點，與微生物細菌自身所帶的負電荷相匹配，使改性材料與微生物菌膠團結合的更加緊密，從而促進顆粒化的進程。納米矽球在水中有良好的分散性，微生物膠團聚集在納米矽球上，可以使微生物系統的傳質過程更加穩定。在生物系統中，微生物在適宜的條件下，相互聚集後形成共生體顆粒，活性和傳質條件直接影響著顆粒的穩定性。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的促進活性汙泥顆粒化的方法流程圖。
圖2是本發明實施例提供的納米矽球(左)與改性納米矽球(右)的結構示意圖。
圖3是本發明實施例提供的納米矽球的TEM圖。
圖4是本發明實施例提供的#0、#3、#7、#none反應器內汙泥形態變化(×4倍)。
圖5是本發明實施例提供的#0、#3、#7、#none反應器內汙泥SVI變化情況。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。
本發明實施例提供的改性納米球為直徑為20～100nm、氨基改性的納米矽球。改性納米球按照摩爾比包括：表面活性劑：NaOH：水溶液：正矽酸乙酯(TEOS)：異矽源＝1：2.5：9500：(7.4～7.8)：(0.2～0.6)。
如圖1所示，本發明實施例提供的改性納米球的製備方法包括以下步驟：
S101：將表面活性劑、NaOH、水溶液、正矽酸乙酯(TEOS)、異矽源按照1：2.5：9500：(7.4～7.8)：(0.2～0.6)的摩爾比於60～80℃條件下混合攪拌12～48h；
S102：再於80～120℃下水熱處理24～48h，將懸濁液抽濾、洗滌後80～120℃下乾燥過夜，製得改性納米球。
所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化胺、十二烷基胺三甲基溴化銨、十六烷基三甲基氯化銨、十二烷基三甲基氯化銨中的一種或幾種。
所述異矽源為3-氨丙基三甲氧基矽烷、3-氨丙基三乙氧基矽烷、N-氨乙基-γ-氨丙基三乙氧基矽烷、3-(2-氨乙基)-氨丙基甲基二甲氧基矽烷、N-[3-(2-氨基乙基氨基)丙基]三甲氧基矽烷中的一種或幾種。
所述的活性汙泥系統為間歇或連續流活性汙泥系統。
下面結合實驗對本發明的應用效果作詳細的描述。
將1.02g CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)溶於480ml蒸餾水中，加入3.5ml NaOH溶液(2mol/L)，80℃油浴條件下攪拌0.5h後，滴加一定質量的TEOS(正矽酸乙酯)和一定質量的APTS(氨丙基三乙氧基矽烷)，80℃下繼續攪拌24h，後於100℃水熱處理48h，抽濾，洗滌，100℃乾燥過夜，樣品研磨備用。當APTS中矽的摩爾量佔體系總矽量的0％、3％、7％時可製得SiO2、A3SiO2、A7SiO2樣品。
本實驗採用平行試驗方案，建立四個構造相同的SBR反應器，控制反應器的運行控制參數(如表1)，按0.5g/L的比例分別向#0、#3、#7反應器中添加SiO2、A3SiO2、A7SiO2樣品，#none反應器不添加任何樣品。本實驗中所有的接種汙泥均採於四川省成都市雙流縣科雅汙水處理有限公司二沉池回流汙泥。汙泥培養的進水指標見表2。
表1反應器運行的控制參數
表2主要進水指標
實驗中採用透射電鏡(JEM-2010透射電子顯微鏡，日本電子JEOL公司，加速電壓為160KV)觀察納米矽球的微觀形貌，結果如圖2所示。採用水熱法製備的矽球粒徑大小約30～100nm，具有較好的單分散性。
本實驗採用光學顯微鏡觀察汙泥外表的形貌特徵。接種的汙泥外觀為褐色絮狀(以菌膠團為主)，呈較鬆散蓬鬆的狀態，絲狀菌含量較多，沉降性能不好。在接種初期，4個反應器依然呈現為褐色，在曝氣裝置的作用下，汙泥能夠均勻的分散在水體中。培養11天時，通過光學顯微鏡看到#none、#0、#7反應器中的汙泥無明顯變化，而#3反應器中的汙泥逐漸形成顆粒；培養24天時，#none、#0、#7反應器中有一些聚集態的汙泥，但是其粒徑還十分細小，仍然達不到顆粒汙泥的大小，而#3反應器中的汙泥粒徑變化明顯，估計最大粒徑達400-550μm。
實驗中採用重力沉降法測定汙泥的沉降速率。隨機地從反應器溶液中取出好氧汙泥，將其放入500ml量筒中，讓其自由沉降，記錄沉降時間和距離，從而計算得到汙泥的沉降速度。如附圖5所示，由於接種汙泥相同，初始的SVI值幾乎相等。隨著反應的進行，各試驗裝置的汙泥體積指數(SVI)逐漸減小並最終趨於穩定。但#3反應器的沉降性能最佳，沉降時間最短，沉降體積最小。這與反應器中快速形成的顆粒汙泥有直接關係。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。