申请日2001.04.18
公开(公告)日2004.07.14
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明涉及一种使用纳米材料碳黑的废水生化处理方法。该法采用纳米材料碳黑，诱发微生物降解废水中通常不能被降解或难降解的有机污染物，大幅提高生物净化污水的效果。对于用常规方法难于生化处理的废水以及高浓度、高毒性的废水效果更为突出。本发明的方法可广泛适用于废水的好氧、兼氧或厌氧的生化处理系统中。
权利要求书
1、一种使用纳米材料碳黑的废水生化处理方法，所述的废水生化处理包括 好氧生化处理系统、兼氧生化处理系统或厌氧生化处理系统，所述的生化处理 包括连续的或间歇方式的生化处理流程，其特征在于，在生化处理反应中加入 纳米材料碳黑，并且纳米材料碳黑的加入方式包括连续的或间歇的方式，加入 形式包括湿的纳米材料碳黑浆液或干的纳米材料碳黑粉末。
2、如权利要求1所述的废水生化处理方法，其特征在于加入的碳黑的粒径 范围为9～90nm。
3、如权利要求1所述的废水生化处理方法，其特征在于碳黑的加入量为10～ 2000mg/L废水，或者按碳黑占活性污泥重量的5～50%量加入。
4、如权利要求1所述的废水生化处理方法，其特征在于碳黑的加入量为40～ 1000mg/L废水，或者按碳黑占活性污泥重量的10～15%量加入。
5、如权利要求1所述的废水生化处理方法，其特征在于加入碳黑的间隔周 期为15～60天。
6、如权利要求1～5之一所述的废水生化处理方法，其特征在于所述的废水 生化处理方法包括好氧的悬浮活性污泥法生化处理流程或膜法的生化处理流 程。
7、如权利要求6所述的废水生化处理方法，其特征在于生化处理过程控制 条件为：进水CODcr浓度：200～1500mg/L;
进水BOD5/CODcr：0.05～0.25;
进水pH： 6～9;
水温： 25～35℃。
说明书
一种使用纳米材料碳黑的废水生化处理方法
技术领域
本发明涉及一种废水或污水的处理方法，特别是涉及一种活性污泥法废水 生化处理的方法。
背景技术
在活性污泥法废水的生化处理过程中，向处理装置中投加诸如粉末或颗粒活 性炭、白漂土、粉煤灰等吸附剂可以改进污泥絮体的沉降性能、提高系统抗冲 击负荷能力以及提高系统的处理能力。这类方法在相关专利中已有公开，例如 US 3,904,518、CN 1092386、CN 1016462等。其中US3,904,518公开了 一种在废水处理区同时使用细菌(活性污泥)和粉末活性炭的混合物的方法， 该方法被称之为PACT(Powder Activated Carbon Treatment)处理系统。该方法 是将粉末活性炭连续或间歇地按比例加入曝气池，在曝气池内吸附过程与生物 降解过程同时进行，使其达到较高的处理效果。该方法可采用连续式，也可采 用间歇式的模式操作。在曝气池后接着有一个澄清器，活性污泥与粉末活性炭 沉降下来后再返回到曝气池。应用这种方法，虽然活性炭可以吸附废水中的污 染物，增加其在处理系统中的停留时间，缩短污染物与微生物的空间距离，使 生化降解反应易于进行，但该法的不足之处在于：1.由于活性炭表面的许多微 小孔隙不足以使微生物菌体或酶分子进入，因此吸附在这些孔隙中的有机物不 能与酶分子相结合，造成生物降解反应受空间位阻影响不能进行完全;2.废水 中的难降解物质除了被吸附外并不能真正被降解去除，这些有机物会积累在活 性炭孔隙内，越来越多地占据活性炭的吸附表面，最终导致活性炭丧失吸附能 力。由于曝气池中的活性炭含量通常要维持在总悬浮物的60～85%，同时随着新 生活性污泥的增加也需要不断地向曝气池中投加活性炭，因此在废水处理过程 中必须不断地以连续或间歇的方式向曝气池中投加活性炭。总体上说大约每增 加1Kg微生物就需投入2.5～6.7Kg粉末活性炭。由于活性炭价格昂贵，废水处 理的成本必然要大大提高。即使采用活性炭再生技术也因再生过程较为复杂， 仍然会大大增加废水的处理费用。由于上述的种种原因，使用现有吸附剂的废 水生化处理方法在应用和推广上都有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术的缺点，提出了一种使用纳米材料 碳黑替代现有吸附剂的废水生化处理方法。由于纳米材料碳黑本身独特的结构 物性特征及其对于废水生化处理微生物的特殊诱导作用，本方法有效地克服了 有机物在吸附剂孔隙内的积累问题，大幅度地提高了难生化降解有机物的生化 降解率，可以有效地应用于多种难降解废水的生化处理。
使用纳米材料碳黑作为废水生化处理的一种方法是本申请人首创。本发明 所述的纳米材料碳黑选自二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铁、氧化锌、羟基磷 酸钙、碳黑中的一种或几种。本发明的使用纳米材料碳黑的废水生化处理方法 是是基于下述的原理和推断：
如前所述，在活性污泥法废水的生化处理过程中，向处理装置中投加诸如粉 末或颗粒活性炭、白漂土、粉煤灰等吸附剂可以改进污泥絮体的沉降性能、提 高系统抗冲击负荷能力以及提高系统的处理能力。其中粉末活性炭是采用木材、 果壳、煤等含碳材料经炭化后制成，其产品是成千上万个碳原子聚集而成的、 具有多孔结构的颗粒。而本发明采用的是向废水生化处理装置中投加纳米材料 碳黑以改进微生物性能，使废水中难生物降解物质得到分解去除的方法。所述 的纳米材料碳黑选自二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铁、氧化锌、羟基磷酸钙、 碳黑中的一种或几种。以碳黑为例，碳黑为纯黑色的粉状物，其主要组成物是 碳元素，还含有少量的氢、氧、硫、灰分、焦油和水分。碳黑的主要制造方法 是将天然气、煤气或原料油在密闭炉内进行裂解，所得产品是由数个至数十个 碳原子组成的极微小的粉末颗粒。粉末活性炭与碳黑的根本区别是：(1)粉末 活性炭的粒径较大，一般为0.12～2.75mm;而碳黑的粒径很小，其粒径范围为 9～90nm，多数为20～40nm，因此碳黑是一种纳米级材料。粉末活性炭的粒径是 碳黑粒径的约10000倍。(2)粉末活性炭上的微小孔隙具有很大的内表面积， 使其具有很强的吸附能力;而碳黑颗粒粒径很小，不足以形成微孔结构，其吸 附能力大约是粉末活性炭的1%以下。
由于粉末活性炭与碳黑在粒径及结构上的巨大差异，因此对生化处理废水 的作用方式完全不同：
粉末活性炭主要是依靠吸附力将大量菌体及废水中的有机物吸附到炭表 面，由于活性炭表面的微孔孔径大多<4nm，而细菌直径通常>1000nm，少数为 500nm，因此微生物不能进入微孔内，只有微生物分泌的部分分子量较小的或形 状特异的胞外酶(直径≤1nm)才能够降解吸附在微孔内的有机物。这就造成生 物降解反应不能进行完全。此外活性炭不能改变微生物的生化特性，因此对于 废水中的难降解物质而言，它除了被吸附外并不能真正被降解去除。
而当碳黑加入废水生化处理装置后，由于其粒径极小，不能沉淀，在水中 悬浮一段时间后便附着在菌体上，同时废水中的部分有机物也会吸附在碳黑表 面上。废水中单个细菌体表面可以吸附许多碳黑颗粒。由于纳米材料碳黑的独 特性质，部分碳黑颗粒可以透过菌胶团内的细胞膜进入菌体内部，这样碳黑与 微生物菌体结合就会影响并改变细菌的遗传性状，诱变或诱导出高效分解有机 物的酶系统，使原本不能生物降解的有机物得以降解，使废水得到深度净化。 另一方面，由于碳黑颗粒的表面基本没有微孔结构，因此吸附在碳黑上的有机 物在生物降解过程中不受空间位阻的影响，使碳黑表面的有机物的生化降解进 行得比较完全，在碳黑与微生物的协同作用下，使废水、特别是高浓度废水及 难降解废水中的有机物通过生物降解作用去除，提高废水的生化处理效果。这 些，将在下面的叙述和实施例中进一步阐述。
本发明的使用纳米材料碳黑的废水生化处理方法是这样实现的：
本发明是一种使用纳米材料碳黑的废水生化处理方法，其中所述的废水生 化处理包括好氧生化处理系统、兼氧生化处理系统或厌氧生化处理系统。所述 的生化处理包括连续的或间歇方式的生化处理流程。本发明的主要特征是在生 化处理反应中加入纳米材料碳黑，并且纳米材料碳黑的加入方式包括连续的或 间歇的方式，加入形式包括湿的纳米材料碳黑水浆液或干的纳米材料碳黑粉末。
具体实施的时候，上述的纳米材料碳黑可以是二氧化钛、二氧化硅、三氧化 二铁、氧化锌、羟基磷酸钙、碳黑中的一种或几种。上述的纳米材料碳黑如果 选择碳黑，加入的碳黑的粒径范围为可以在9～90nm之间。
本发明的方法可以是连续操作，也可以是间歇操作。两种操作模式同等有效， 选择哪一种模式取决于被处理废水的水量、污染程度和处理水质要求达到的的 标准，以及运行费用、设备投资、可得到的资金、场地空间等各种因素。
碳黑可以以任何一种合适的方式加入到生化处理装置中，如：连续或间歇地 以水浆液的形式通过管道加入或固体直接加入。碳黑的投加量主要根据废水的 性质和对处理废水的要求程度的不同而变化，碳黑的加入量可以为0.01～2g/L 废水加入，最好为0.04～1g/L废水;也可以是活性污泥量的5～50%，最好为 10～15%。
随着新生活性污泥的生成，需要间断性的补加碳黑，加入碳黑的间隔周期为 1～100天，最好为15～60天，即可以每隔1～100天，最好为15～60天补加碳 黑。
生化处理装置中的生物活性体可以是悬浮体，也可以是由载体固定的膜状 体。
废水在进入生化处理装置前需要预先除去水中的悬浮颗粒物并调节pH至 3～12，最好为6～9。水温10～45℃，最好为25～35℃。
上述的废水生化处理方法包括好氧的悬浮活性污泥法生化处理流程或膜法 的生化处理流程。
上述的好氧的悬浮活性污泥法生化处理流程或膜法的生化处理的过程控制 条件可以为：
进水CODcr浓度： 200～5000mg/L;(CODcr表示化学耗氧量)
进水BOD5/CODcr： 0.01～0.25;(BOD5表示五天生化耗氧量)
进水pH： 3～12，最好6～9;
水温： 10～45℃，最好25～35℃;
停留时间： 2～72h。
具体实施方式
下面结合实施例进一步介绍和说明本发明的技术方案和技术效果。本发明 的保护范围以权利要求书的内容为准，不受下述实施例的限制。下述的实施例 中使用的碳黑牌号为N339.
