[发明专利]一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺，其属于水处理技术领域。

技术背景

厌氧生物处理无需供氧、能耗较小、运行成本低，而且能将废水中的有机物转换为甲烷、氢气等生物能源，是实现废水能源回收的核心技术。厌氧发酵过程需要多种厌氧微生物协同作用，但是厌氧菌彼此间平衡脆弱，加上对环境条件(温度、pH、氧化还原电位、毒性物质等)敏感，一定的负荷冲击下以及有毒物质的影响下，厌氧体系容易出现COD去除率下降、有机酸积累、厌氧污泥上浮或洗出等现象，严重时甚至导致厌氧系统的崩溃瓦解。

强化厌氧生物处理工艺已成为国内外研究热点之一，许多研究者试图通过改善反应器构型或者通过工艺强化(例如，加电、投加药剂等)来加强厌氧体系的稳定性与高效性。但是由于操作水平的限制以及运行成本的制约，很多强化方法难以进行实际应用。因此，开发高效、简易、经济、安全的厌氧生物处理强化方法，对于难降解有机废水的处理以及废水能源回收具有较高的应用价值。

种间电子传递是微生物互营共生的限制性步骤。微生物种间直接电子转移的提出，颠覆了之前“氢/甲酸转移”在微生物种间电子传递占主导地位的观点。本发明中导电性材料磁铁矿材料的投加可以通过强化厌氧微生物种间电子传递，起到提高污染物去除效率和甲烷产率的作用。

发明内容

本发明的目的是在于解决厌氧生物处理系统处理难降解污染物性能差、容易出现不稳定以及体系酸化等问题。本发明通过制备纳米磁铁矿，并在厌氧生物体系中投加适量的自制纳米磁铁矿进行厌氧生物强化，据此提出了一种运行高效、操作简便、使用安全、成本低廉的高效厌氧生物强化处理耦合工艺。

本发明采用的技术原理概括如下：

纳米磁铁矿的添加能通过强化微生物间的电子传递实现高效厌氧生物处理，主要因为：(1)纳米磁铁矿是导体，具有良好的导电性能。(2)纳米磁铁矿粒径小，具有较大的比表面，可以实现与微生物的充分接触。(3)纳米磁铁矿具有吸附架桥作用，能将游离的微生物和有机物质富集在一起，缩短微生物之间的距离。(3)纳米磁铁矿具有还原性，能调节厌氧体系的氧化还原电位(ORP)和pH，加强功能菌群的富集。(4)纳米磁铁矿释放的Fe²⁺和Fe³⁺，是厌氧微生物合成电子传递相关辅酶所必需元素。(5)纳米磁铁矿具有一定磁性，可以改善生物磁场，促进厌氧功能菌的生长代谢。

本发明采用的具体技术方案如下：

强化厌氧微生物活性的纳米磁铁矿耦合废水处理工艺，步骤如下：

首先，向待接种的厌氧污泥中加入纳米磁铁矿，并通过磁力搅拌使纳米磁铁矿与厌氧污泥充分混合均匀，得到接种厌氧污泥；

然后，向厌氧反应器中接种混合有纳米磁铁矿的厌氧污泥，通入废水后进行氮吹处理，去除反应器中氧气残留的同时实现污泥和纳米磁铁矿的进一步均匀混合；

最后，调节废水的pH值和温度，保持反应器中的泥水均匀混合状态对废水进行处理。

所述的纳米磁铁矿的制备方法如下：

1)以去氧稀硫酸为溶剂配置铁离子混合溶液，溶液中Fe³⁺与Fe²⁺摩尔比为2:1；

2)在铁离子混合溶液中加入过量的去氧氢氧化钠溶液，并通过磁力搅拌实现溶液充分混合；

3)将制得的混合溶液置于磁铁上进行固液分离后，通过虹吸法将上清液去除，得到磁铁矿沉淀；

4)将去氧稀硫酸加入磁铁矿沉淀中，通过磁力搅拌充分混合；

5)重复步骤3)和4)若干次后，用去氧超纯水对分离所得磁铁矿进行洗涤，得到纳米磁铁矿。

上述方法中，可采用如下工艺参数：

所采用的纳米磁铁矿平均粒径小于100nm。废水处理过程中，pH值调节至6.8～7.2，温度保持在35℃，进水中C:N:P＝100:5:1。混合均匀的废水中，纳米磁铁矿的投加量为1.55g Fe/g MLVSS。待接种的厌氧污泥取自MLSS约为30g L^-1的上流式厌氧生物反应器。

本发明针对传统厌氧生物处理系统易酸化、性能不稳定等问题，通过铁盐溶解、沉淀、分离、洗涤等步骤制备了平均粒径小于100nm的纳米磁铁矿，以1.55gFe/g MLVSS的比例通过搅拌、氮吹等方法将其与厌氧污泥充分混合均匀，厌氧生物处理装置在35℃恒温条件下培养。利用该纳米磁铁矿良好的导电性以及高比表面积，明显强化了厌氧微生物种间电子传递，其活性得到大幅提高，最终使厌氧生物处理工艺性能得到提升。