申请日2018.02.01
公开(公告)日2018.08.03
IPC分类号C02F3/28
摘要
本发明公开一种生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法，属于废水处理技术领域;本发明将城市污水处理厂的厌氧污泥接种至待处理含磷废水中，然后投加生物炭，搅拌混匀，调整废水pH值，通过外部稳压恒流电源控制反应体系的电流强度，在15~35℃下厌氧消化;含磷废水在生物炭耦合微电流作用下，厌氧微生物将磷酸盐转化为气态磷化氢而从水体中逸出，降低了进入后续生化单元的总磷含量，明显提升厌氧‑缺氧‑好氧生化处理系统的生物除磷效果，本发明工艺过程简单、周期短、除磷效果明显。
权利要求书
1.一种生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法，其特征在于，方法如下：
(1)将城市污水处理厂的厌氧池污泥接种至含有待处理含磷废水的厌氧反应器内，厌氧反应器中混合液污泥浓度为3000~7000mg/L，然后添加生物炭，搅拌使之混合均匀;
(2)调整步骤(1)厌氧反应器内混合物pH值为6.5~7.5，然后将惰性正电极板、惰性负电极板置于厌氧反应器内，通过外置稳压恒流电源控制电流强度为30~80mA;
(3)步骤(2)厌氧反应器中混合物在15~35℃下进行厌氧消化，同时从厌氧反应器底部持续通入氮气，厌氧微生物在生物炭耦合微电流的作用下释放磷化氢并随载气逸出，原废水中的总磷含量降低，实现废水除磷。
2.根据权利要求1所述的生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法，其特征在于：步骤(1)中生物炭为椰壳生物炭、玉米秸秆生物炭、竹屑生物炭中一种或任意比几种;生物炭是将生物质物料置于马弗炉内，在氮气条件下以15~25℃/min升温至500~700℃，炭化2~3h后冷却至近室温，然后用0.1~0.3mol/L HCl浸泡30min，再用去离子水洗涤至洗液为中性，于80℃条件下烘干至恒重制得。
3.根据权利要求1所述的生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法，其特征在于：步骤(1)中生物炭投加量为0.5~1.5kg/m3待处理含磷废水。
4.根据权利要求1所述的生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法，其特征在于：步骤(3)中厌氧消化时间为36~72h。
5.根据权利要求1所述的生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法，其特征在于：步骤(3)中通入氮气流速为2×10-3 ~4×10-3 m/s。
说明书
一种生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法
技术领域
本发明涉及一种生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法，属于废水处理技术领域。
背景技术
近些年来，我国化肥、农药、含磷洗涤剂的生产量和消费量迅猛增加，磷污染所致的水体富营养化日趋严重，湖泊“水华”及近海“赤潮”时有发生且愈演愈烈。水体富营养化已危害农业、渔业，同时也对饮水卫生和食品安全构成了巨大的威胁。对于磷污染的控制主要采用化学法和生物法。化学除磷法需投加化学药剂，将产生大量化学污泥，处理成本相当昂贵;相比而言，生物除磷工艺经济性更好。传统的生物除磷工艺基于聚磷菌厌氧释磷、好氧吸磷的原理，最终通过污泥排放而实现水体中磷的去除，该技术仅仅是对磷进行了物相的转换，将磷从液相转移至固相，污泥中磷还需后续进一步处理。
目前，除磷仍然是水处理行业的热点和难点，其新技术的开发备受关注，反硝化除磷、强化生物除磷等新技术不断涌现。已有专利申请CN 104828939 A公开了 “一种含磷有机废水多段除磷产磷化氢的方法”，所述方法包括配置厌氧反应器、微生物燃料电池以及微生物电解池，三者依次连接，通过厌氧发酵、微生物电解池这两个反应单元实现多段除磷产磷化氢，在提高除磷效率的同时，产生的磷化氢纯度较高，但工艺过程颇为复杂，系统参数的调控也较为困难。已有专利申请CN 106365309 A公开了“一种含磷污水厌氧生物除磷及磷回收的方法”，通过控制污水系统的有机负荷以及磷负荷富集磷酸盐还原菌，利用磷酸盐还原菌将废水中的磷酸盐转化为磷化氢而达到除磷的目的;磷化氢是磷循环的气态形式，通过气态磷化氢的释放而实现废水除磷，该类研究日益得到重视;目前还未见与本申请相关的除磷方法公开。
发明内容
本发明提供了一种生物炭耦合微电流强化废水厌氧生物除磷的方法，该方法基于微生物厌氧代谢的原理，采用生物炭耦合微电流的方式促使水体中磷酸盐更易得到电子从而转化为磷化氢，并从水体中逸出而提升废水生物除磷效果;本发明所述生物炭可由废弃生物质制备而成，在高效生物除磷的同时，也能实现生物质废料的资源化利用，环境、社会、经济效益明显。
本发明的技术内容如下：
(1)将城市污水处理厂的厌氧池污泥接种至含有待处理含磷废水的厌氧反应器内，厌氧反应器中混合液污泥浓度(MLSS)为3000~7000mg/L，然后添加生物炭，搅拌使之混合均匀;
(2)调整步骤(1)厌氧反应器内混合物pH值为6.5~7.5，然后将惰性正电极板、惰性负电极板置于厌氧反应器内，通过外置稳压恒流电源控制电流强度为30~80mA;
(3)步骤(2)厌氧反应器中混合物在15~35℃下进行厌氧消化，同时从厌氧反应器底部持续通入氮气，厌氧微生物在生物炭耦合微电流的作用下释放磷化氢并随载气逸出，原废水中的总磷含量降低，实现废水除磷。
步骤(1)中生物炭为椰壳生物炭、玉米秸秆生物炭、竹屑生物炭中一种或任意比几种;生物炭是将生物质物料置于马弗炉内，在氮气为保护气体条件下以15~25℃/min升温至500~700℃，炭化2~3h后冷却至近室温，然后用0.1~0.3mol/L HCl浸泡30min，再用去离子水洗涤至洗液为中性，于80℃条件下烘干至恒重制得。
所述步骤(1)中生物炭投加量为0.5~1.5kg/m3待处理含磷废水。
所述步骤(3)中厌氧消化时间为36~72h。
所述步骤(3)中通入氮气流速为2×10-3 ~4×10-3 m/s。
本发明具有如下优势：
1)本发明通过厌氧反应器释放磷化氢而使混合废液总磷明显下降，实现废水厌氧生物除磷的目的;相比厌氧释磷--好氧吸磷--污泥排放这一传统生物除磷工艺，本发明工艺过程简单、周期短、除磷效果明显;
2)利用椰壳、玉米秸秆等生物质废料制备的生物炭，具有比重适中、除臭效果好、电负性官能团多等特点，无生物毒副作用;
3)生物炭耦合微电流条件下，磷酸盐还原的电子供体更为充足，减少了碳源的消耗;生物炭的介导进一步增强化磷酸盐得电子的能力，废水厌氧生物除磷效果更为明显。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作详细说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例1
将城市污水处理厂的厌氧池污泥接种至含磷废水中，厌氧反应器中混合液污泥浓度为5060mg/L;混合物经超声破碎后，测定其总磷浓度为520mg/L;以椰壳为原料，在氮气为保护气体条件下，于马弗炉以15℃/min升温至700℃，炭化2h后冷却至近室温，所得炭基材料用0.3mol/L HCl浸泡2h，再用去离子水洗涤至洗液为中性，于80℃条件下烘干至恒重，即得椰壳生物炭，生物炭投加量为1.5kg/m3待处理含磷废水;
取椰壳生物炭投加至上述接种后的废水中，搅拌混匀后调节pH至7.0，随后将惰性正负电极板置于反应器内，调整外部稳压恒流电源的输出电压，使得反应器内的电流强度稳定维持在60mA水平;将厌氧反应器置于25℃恒温水浴摇床中，密封反应器，以流速为4×10-3 m/s将氮气经进气管从反应器底部持续吹入，产生的磷化氢随载气经出气管排出;厌氧消化72h后，测定消化液中的总磷含量。
同时设置不添加生物炭、无外加微电流的常规污泥厌氧消化空白对照，空白组与实验组工况条件一致;厌氧消化72h后，空白组与试验组总磷去除率分别为10.5%、28.6%，生物炭耦合微电流的厌氧生化反应体系除磷效果较好。
实施例2
将城市污水处理厂的厌氧池污泥接种至含磷废水，厌氧反应器中混合液污泥浓度为6960mg/L，总磷浓度为670mg/L;以竹屑为原料，在氮气为保护气体条件下，于马弗炉以20℃/min升温至600℃，炭化2.5h后冷却至近室温，所得炭基材料用0.2mol/L HCl浸泡2h，再用去离子水洗涤至洗液为中性，于80℃条件下烘干至恒重，即得竹屑生物炭，生物炭投加量为1.0kg/m3待处理含磷废水;
取竹屑生物炭投加至上述接种后的废水中，搅拌混匀后调节pH至7.5，反应器内的电流强度稳定维持在50mA;将反应器置于35℃恒温水浴摇床中，密封反应器，以流速为3×10-3 m/s将氮气经进气管从反应器底部持续吹入，产生的磷化氢随载气经出气管排出;厌氧消化60h后，测定消化液中的总磷含量。
设置不添加生物炭、无外加微电流的常规污泥厌氧消化空白对照，空白组与试验组工况条件一致;厌氧消化60h后，空白组与试验组总磷去除率分别为9.7%、25.2%，生物炭耦合微电流的厌氧生化反应体系除磷效果较好。
实施例3
将城市污水处理厂的厌氧池污泥接种至含磷废水，厌氧反应器中混合液污泥浓度为3120mg/L，总磷浓度为426mg/L;以竹屑、玉米秸秆(质量比1:1)混合物为原料，在氮气为保护气体条件下，于马弗炉以25℃/min升温至500℃，炭化3h后冷却至近室温，所得炭基材料用0.1mol/L HCl浸泡2h，再用去离子水洗涤至洗液为中性，于80℃条件下烘干至恒重，即得生物炭，生物炭投加量为0.5kg/m3待处理含磷废水;
取生物炭投加至上述接种后的废水中，搅拌混匀后调节pH至6.5，反应器内的电流强度稳定维持在30mA;将反应器置于15℃恒温水浴摇床中，密封反应器，以流速为2×10-3 m/s将氮气经进气管从反应器底部持续吹入，产生的磷化氢随载气经出气管排出;厌氧消化36h后，测定消化液中的总磷含量。
设置不添加生物炭、无外加微电流的常规污泥厌氧消化空白对照，空白组与试验组工况条件一致。厌氧消化36h后，空白组与试验组总磷去除率分别为4.2%、19.1%，生物炭耦合微电流的厌氧生化反应体系除磷效果较好。
实施例4
将城市污水处理厂的厌氧池污泥接种至含磷废水，厌氧反应器中混合液污泥浓度为4230mg/L，总磷浓度为487mg/L;以椰壳、竹屑(质量比1:2)混合物为原料，在氮气为保护气体条件下，于马弗炉以25℃/min升温至700℃，炭化2h后冷却至近室温，所得炭基材料用0.25mol/L HCl浸泡2h，再用去离子水洗涤至洗液为中性，于80℃条件下烘干至恒重，即得生物炭，生物炭投加量为1.5kg/m3待处理含磷废水;
取生物炭投加至上述接种后的废水中，搅拌混匀后调节pH至6.5，反应器内的电流强度稳定维持在80mA;将反应器置于30℃恒温水浴摇床中，密封反应器，以流速为3.5×10-3 m/s将氮气经进气管从反应器底部持续吹入，产生的磷化氢随载气经出气管排出;厌氧消化48h后，测定消化液中的总磷含量。
设置不添加生物炭、无外加微电流的常规污泥厌氧消化空白对照，空白组与试验组工况条件一致;厌氧消化48h后，空白组与试验组总磷去除率分别为11.9%、31.3%，生物炭耦合微电流的厌氧生化反应体系除磷效果较好。
实施例5
将城市污水处理厂的厌氧池污泥接种至含磷废水，厌氧反应器中混合液污泥浓度为6070mg/L，总磷浓度为568mg/L。以椰壳、玉米秸秆(质量比3:1)混合物为原料，在氮气为保护气体条件下，于马弗炉以18℃/min升温至600℃，炭化3h后冷却至近室温，所得炭基材料用0.15mol/L HCl浸泡2h，再用去离子水洗涤至洗液为中性，于80℃条件下烘干至恒重，即得生物炭，生物炭投加量为0.8kg/m3待处理含磷废水;
取生物炭投加至上述接种后的废水中，搅拌混匀后调节pH至6.8，反应器内的电流强度稳定维持在50mA;将反应器置于20℃恒温水浴摇床中，密封反应器，以流速为2.5×10-3 m/s将氮气经进气管从反应器底部持续吹入，产生的磷化氢随载气经出气管排出;厌氧消化60h后，测定消化液中的总磷含量。
设置不添加生物炭、无外加微电流的常规污泥厌氧消化空白对照，空白组与试验组工况条件一致;厌氧消化60h后，空白组与试验组总磷去除率分别为8.4%、23.8%，生物炭耦合微电流的厌氧生化反应体系除磷效果较好。
