[发明专利]提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料、制备方法及其应用。本发明的复合填料以二甲胺基纳米孔聚苯乙烯微球为母体，通过“前驱体预富集‑原位还原”的工艺路线将纳米零价铁固载入母体孔道内，制备复合填料nZVI@DPM。本发明的复合填料nZVI@DPM有助于厌氧氨氧化菌的附着、增殖和活性提升，能有效加快厌氧氨氧化污水处理系统的启动速度，提高厌氧氨氧化工艺的运行性能。本发明的复合填料的机械强度高，稳定性强，且相比于传统塑料填料，启动时间缩短了4～6天，总氮去除率提高了约9％。

技术领域

本发明属于废水处理和环境功能材料领域，涉及一种提升厌氧氨氧化系统运行效能的复合填料、制备方法及其应用。

背景技术

厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation,Anammox)是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化菌(Anammox Bacteria，AnAOB)以亚硝态氮(NO₂^--N)为电子受体，将氨氮(NH₄⁺-N)氧化为氮气(N₂)的过程。该技术具备以下优点：①需氧量与传统脱氮工艺相比减少62.5％，可大幅降低电耗；②无需补充有机碳源，节省运行费用；③不涉及异养型的反硝化菌，可大幅减少剩余污泥产量。

虽然Anammox工艺具有上述诸多优点，但是AnAOB生长速率低、对外界环境变化极其敏感，致使Anammox系统启动缓慢、运行稳定性较低，已成为该工艺工程化应用的重要瓶颈。导致Anammox工艺启动缓慢的主要原因包括：(1)AnAOB易受环境因素干扰，过低的温度、过高的溶解氧浓度和亚硝酸盐浓度等都会抑制其生长及增殖；(2)在没有外界刺激和增益的情况下，AnAOB在反应器中与其它厌氧菌竞争时，往往处于劣势；(3)采用厌氧反应器(如UASB)启动Anammox，存在污泥上浮，造成生物量流失的问题。

AnAOB在生物量充足的情况下能有效抵抗不利环境，但由于AnAOB的生长速率缓慢，为保证反应器内有充足的AnAOB，就需要Anammox系统有相对较长的污泥停留时间。微生物固定化技术能有效提高微生物浓度，强化微生物对极端环境和负荷冲击的抵抗力，维持系统运行的稳定性。向Anammox反应器内添加生物载体填料(如：纤维球、聚丙烯空心球、玻璃钢斜管、塑料等)，可以增加反应器的内表面积，扩大微生物的生长空间，是防止AnAOB流失并维持系统生物量稳定的有效手段。但传统的生物载体填料多由聚氨酯、聚丙烯或聚乙烯等疏水性材料制备，表面缺乏化学基团修饰，疏水性较强，不利于微生物的粘附和挂膜，且对于提高AnAOB的反应活性、促进微生物增殖没有明显作用。

有研究证实，适量添加某些金属离子(如：Cu、Zn、Fe等)可提高微生物的活性和微生物多样性。铁元素能够参与AnAOB的代谢，向Anammox反应器内投加零价铁(Zero ValentIron,ZVI)可为AnAOB创造适宜的生长环境进而提高AnAOB的活性(雷欣,闫荣,慕玉洁,章院灿,付志敏.铁元素对厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响.化工进展.https://doi.org/10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1178.)。ZVI的作用机制包括以下几方面：(1)通过消耗溶解氧DO，降低系统内氧化还原电位，为AnAOB提供适宜的生存环境；(2)ZVI释放Fe²⁺，能够有效压缩污泥胶体的双电层，降低Zeta电位，有利于污泥形成凝聚颗粒；(3)ZVI有利于胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)的分泌，增强AnAOB的聚集，避免AnAOB被冲刷，有助于生长缓慢的AnAOB的固定化；(4)ZVI通过促进AnAOB增殖和生理活动强化，提高功能微生物的丰度，优化菌群结构，提升Anammox系统的脱氮性能。相较于普通ZVI，纳米零价铁(Nanoscale Zero-Valent Iron,nZVI)具有更大的比表面积和更多的活性位点，能在Anammox反应中表现出更强的活性。然而nZVI尺寸过小，直接用于水处理系统存在易团聚失活、难操作、易流失致潜在生态风险等问题。将nZVI负载至多孔载体材料内，能够在保留nZVI高反应活性的同时提高材料的稳定性与易操作性。