公布日：2023.12.08
申请日：2023.09.05
分类号：C02F3/00(2023.01)I
摘要
本发明提供一种改善活性污泥沉降性的复合粉末载体、污水处理系统和工艺，涉及污水处理领域。该复合粉末载体的原料包括质量比为1：10～20的非金属矿物和改性粉末活性炭，改性粉末活性炭是由粉末活性炭依次经酸改性和碱改性得到的。将改性粉末活性炭与非金属矿物复配时，两者可以均匀吸附、紧密结合，同时比重较大的非金属矿物能够使得复合粉末载体在沉淀区较好地沉降，确保固液分离效果优良。两者复配同时保证了粉末活性炭在生物系统中的保留能力和与污泥絮凝体的结合能力，依靠复合粉末载体具有较大的孔隙率、比表面积和比重，以及较高的微生物亲和性，使其更易与活性污泥微生物絮体相结合，增加絮体的密度，实现对活性污泥沉降性能的改善。
权利要求书
1.一种改善活性污泥沉降性的复合粉末载体，其特征在于，原料包括质量比为1：10～20的非金属矿物和改性粉末活性炭，所述改性粉末活性炭是由粉末活性炭依次经酸改性和碱改性得到的。
2.根据权利要求1所述的改善活性污泥沉降性的复合粉末载体，其特征在于，所述复合粉末载体的粒径为30～75微米；所述非金属矿物包括硅藻土、膨润土、高岭土中的至少一种；所述非金属矿物和改性粉末活性炭的质量比为1：10。
3.根据权利要求1所述的改善活性污泥沉降性的复合粉末载体，其特征在于，所述改性粉末活性炭的制备方法包括以下步骤：将粉末活性炭和硝酸溶液混合，恒温振荡，过滤，洗涤沉淀至中性，烘干，得到酸改性粉末活性炭；将所述酸改性粉末活性炭和氨水溶液混合，恒温振荡，过滤，洗涤沉淀至中性，烘干，得到二次改性的粉末活性炭。
4.根据权利要求3所述的改善活性污泥沉降性的复合粉末载体，其特征在于，所述硝酸溶液的浓度为2.4mol/L；按照g/mL计，所述粉末活性炭和硝酸溶液的质量体积比为1：5；所述氨水溶液的浓度为2.5mol/L；按照g/mL计，所述酸改性粉末活性炭和氨水溶液的质量体积比为1：
5；所述恒温振荡的条件为：在23℃下振荡10～12h；所述烘干的条件为：在103～110℃下烘干20～24h。5.权利要求1～4任一项所述的改善活性污泥沉降性的复合粉末载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述非金属矿物和改性粉末活性炭按比例快速混合均匀，优选的，采用干式搅拌机进行快速搅拌，所述快速搅拌的条件为：搅拌速度50～100r/min，搅拌时间30～50min。
6.一种改善活性污泥性能的污水处理系统，其特征在于，包括：污水生化处理区，所述污水生化处理区设置复合粉末载体投加点，所述复合粉末载体投加点内设置权利要求1～4任一项所述的复合粉末载体或者权利要求5所述的制备方法得到的复合粉末载体。
7.根据权利要求6所述的改善活性污泥性能的污水处理系统，其特征在于，还包括：沉淀区，与所述污水生化处理区的出水端相连；污泥收集区，分别与所述沉淀区的排泥端和污水生化处理区相连；剩余污泥筛选设备，分别与所述污泥收集区和污水生化处理区相连；污泥沉降性在线监测设备，与所述污水生化处理区的出水端相连。
8.根据权利要求7所述的改善活性污泥性能的污水处理系统，其特征在于，所述污水生化处理区包括依次连接的厌氧区、缺氧区和好氧区，所述厌氧区、缺氧区和好氧区均设置所述复合粉末载体投加点，所述污泥收集区和剩余污泥筛选设备均与所述厌氧区相连，所述污泥沉降性在线监测设备与所述好氧区相连；所述剩余污泥筛选设备为一个旋流器或者至少两个并联的旋流器；所述污泥沉降性在线监测设备包括：黑箱，内部形成黑暗的容纳空间；沉降容器，设置于所述黑箱内，具有进样口和出样口；图像采集装置，设置于所述黑箱内；取样装置，包括与所述进样口连通的进样管路、与所述出样口连通的出样管路、设置在所述进样管路上的蠕动泵和进样电磁阀、设置在所述出样管路上的出样电磁阀，所述进样电磁阀位于所述蠕动泵与进样口之间；数据处理与控制装置，分别与所述图像采集装置、蠕动泵、进样电磁阀、出样电磁阀通信连接。
9.一种改善活性污泥性能的污水处理工艺，其特征在于，包括：向污水生化处理区投加权利要求1～4任一项所述的复合粉末载体或者权利要求5所述的制备方法得到的复合粉末载体。
10.根据权利要求9所述的改善活性污泥性能的污水处理工艺，其特征在于，采用权利要求7或8所述的系统，所述工艺包括以下步骤：将待处理污水通入所述污水生化处理区进行生化处理，通过所述复合粉末载体投加点向所述污水生化处理区内投加复合粉末载体，所述污泥沉降性在线监测设备对所述污水生化处理区内活性污泥的沉降性进行分析；所述污水生化处理区的出水进入所述沉淀区进行泥水分离，底部污泥进入所述污泥收集区；所述污泥收集区的部分污泥回流至所述污水生化处理区，部分作为剩余污泥外排，部分进入所述剩余污泥筛选设备；所述剩余污泥筛选设备对污泥进行筛选，筛选出的活性污泥回流至所述污水生化处理区，其余污泥作为剩余污泥外排，优选的，所述污泥收集区的污泥按照进水的5％～10％比例进入所述剩余污泥筛选设备；以所述污水生化处理区的污水处理量计，所述复合粉末载体的每次投加量为30～80mg/L，更优选的，在系统运行初期，待厌氧区、缺氧区、好氧区充满后，每天向厌氧区、缺氧区、好氧区投加复合粉末载体，投加量分别为30mg/L、20mg/L、20mg/L，连续投加至少一周。
发明内容
因此，本发明的目的在于同时保证粉末活性炭在生物系统中的保留能力和与污泥絮凝体的结合能力，提升粉末活性炭对活性污泥沉降性能的改善作用，从而提供一种改善活性污泥沉降性的复合粉末载体及其制备方法，还提供了利用该复合粉末载体的污水处理系统和工艺。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种改善活性污泥沉降性的复合粉末载体，原料包括质量比为1：10～20的非金属矿物和改性粉末活性炭，所述改性粉末活性炭是由粉末活性炭依次经酸改性和碱改性得到的。
进一步地，所述复合粉末载体的粒径为30～75微米；所述非金属矿物包括硅藻土、膨润土、高岭土中的至少一种；所述非金属矿物和改性粉末活性炭的质量比为1：10。
进一步地，所述改性粉末活性炭的制备方法包括以下步骤：
将粉末活性炭和硝酸溶液混合，恒温振荡，过滤，洗涤沉淀至中性，烘干，得到酸改性粉末活性炭；
将所述酸改性粉末活性炭和氨水溶液混合，恒温振荡，过滤，洗涤沉淀至中性，烘干，得到二次改性的粉末活性炭。
进一步地，所述硝酸溶液的浓度为2.4mol/L；按照g/mL计，所述粉末活性炭和硝酸溶液的质量体积比为1：5；
所述氨水溶液的浓度为2.5mol/L；按照g/mL计，所述酸改性粉末活性炭和氨水溶液的质量体积比为1：5；
所述恒温振荡的条件为：在23℃下振荡10～12h；所述烘干的条件为：在103～110℃下烘干20～24h。
第二方面，本发明提供所述的改善活性污泥沉降性的复合粉末载体的制备方法，包括以下步骤：将所述非金属矿物和改性粉末活性炭按比例快速混合均匀，优选的，采用干式搅拌机进行快速搅拌，所述快速搅拌的条件为：搅拌速度50～100r/min，搅拌时间30～50min。
第三方面，本发明提供一种改善活性污泥性能的污水处理系统，包括：污水生化处理区，所述污水生化处理区设置复合粉末载体投加点，所述复合粉末载体投加点内设置所述的复合粉末载体或者所述的制备方法得到的复合粉末载体。
进一步地，所述的改善活性污泥性能的污水处理系统还包括：
沉淀区，与所述污水生化处理区的出水端相连；
污泥收集区，分别与所述沉淀区的排泥端和污水生化处理区相连；
剩余污泥筛选设备，分别与所述污泥收集区和污水生化处理区相连；
污泥沉降性在线监测设备，与所述污水生化处理区的出水端相连。
进一步地，所述污水生化处理区包括依次连接的厌氧区、缺氧区和好氧区，所述厌氧区、缺氧区和好氧区均设置所述复合粉末载体投加点，所述污泥收集区和剩余污泥筛选设备均与所述厌氧区相连，所述污泥沉降性在线监测设备与所述好氧区相连。
进一步地，所述剩余污泥筛选设备为一个旋流器或者至少两个并联的旋流器。
进一步地，所述污泥沉降性在线监测设备包括：黑箱，内部形成黑暗的容纳空间；沉降容器，设置于所述黑箱内，具有进样口和出样口；图像采集装置，设置于所述黑箱内；取样装置，包括与所述进样口连通的进样管路、与所述出样口连通的出样管路、设置在所述进样管路上的蠕动泵和进样电磁阀、设置在所述出样管路上的出样电磁阀，所述进样电磁阀位于所述蠕动泵与进样口之间；数据处理与控制装置，分别与所述图像采集装置、蠕动泵、进样电磁阀、出样电磁阀通信连接。
进一步地，所述污泥沉降性在线监测设备中：所述沉降容器上开设有溢流口，所述沉降容器位于所述溢流口下方的体积等于其取样体积；所述溢流口连接有溢流管，所述溢流管延伸至所述黑箱外；所述沉降容器选择透明无刻度的量筒，其顶部敞开形成进样口，底部开设有出样口；所述图像采集装置的镜头中轴线与所述沉降容器取样容积的二分之一处位于同一水平面上；所述数据处理与控制装置为工业计算机；所述图像采集装置为摄像头；所述进样电磁阀和/或出样电磁阀包括依次连接的数据采集卡、电磁继电器和阀门，所述数据采集卡和所述数据处理与控制装置通信连接。
进一步地，所述污泥沉降性在线监测设备还包括：废水收集槽，与所述出样管路连通；照明装置，设置于所述黑箱内。
第四方面，本发明提供一种改善活性污泥性能的污水处理工艺，包括：向污水生化处理区投加所述的复合粉末载体或者所述的制备方法得到的复合粉末载体。
进一步地，所述的改善活性污泥性能的污水处理工艺，采用所述的系统，所述工艺包括以下步骤：
将待处理污水通入所述污水生化处理区进行生化处理，通过所述复合粉末载体投加点向所述污水生化处理区内投加复合粉末载体，所述污泥沉降性在线监测设备对所述污水生化处理区内活性污泥的沉降性进行分析；
所述污水生化处理区的出水进入所述沉淀区进行泥水分离，底部污泥进入所述污泥收集区；
所述污泥收集区的部分污泥回流至所述污水生化处理区，部分作为剩余污泥外排，部分进入所述剩余污泥筛选设备；
所述剩余污泥筛选设备对污泥进行筛选，筛选出的活性污泥回流至所述污水生化处理区，其余污泥作为剩余污泥外排，
优选的，所述污泥收集区的污泥按照进水的5％～10％比例进入所述剩余污泥筛选设备；以所述污水生化处理区的污水处理量计，所述复合粉末载体的每次投加量为30～80mg/L。
优选的，在系统运行初期，待厌氧区、缺氧区、好氧区充满后，每天向厌氧区、缺氧区、好氧区投加复合粉末载体，投加量分别为30mg/L、20mg/L、20mg/L，连续投加至少一周。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的改善活性污泥沉降性的复合粉末载体，原料包括非金属矿物和改性粉末活性炭，改性粉末活性炭是由粉末活性炭依次经酸改性和碱改性得到的。
粉末活性炭通过酸碱溶剂二次改性，可以改变其的孔道结构和表面化学性质：一方面，酸碱溶剂通过氧化和侵蚀作用去除活性炭灰分呈现更多孔道，到达造孔效果，进一步增大活性炭比表面积和吸附性能；另一方面，酸碱改性最主要目的是改变活性炭表面化学性质，先通过酸改性，改变活性炭表面官能团，增加含氧官能团，使其亲水性更好，能和生化处理区混合液更好地混合，再对酸改性后的粉末活性炭进行碱改性，目的是进一步丰富活性炭表面官能团，增加含氮官能团，使活性炭带正电荷，与带负电荷的微生物更好结合，同时碱改性可以弱化经过酸处理后的极性，与非极性的非金属矿物更易混合均匀。
改性粉末活性炭具有非常大的比表面积，赋予其强大的吸附性能，将改性粉末活性炭与非金属矿物复配时，两者可以均匀吸附、紧密结合，同时比重较大的非金属矿物能够使得复合粉末载体在沉淀区较好地沉降，确保固液分离效果优良。
也即，本发明采用非金属矿物和改性粉末活性炭复配，同时保证粉末活性炭在生物系统中的保留能力和与污泥絮凝体的结合能力，依靠复合粉末载体具有较大的孔隙率、比表面积和比重，以及较高的微生物亲和性，使其更易与活性污泥微生物絮体相结合，增加絮体的密度，进而实现其对活性污泥沉降性能的改善作用。
本发明提供的复合粉末载体原料易得，成本更低，且不产生二次污染，在污水厂运行初期应用，向含有泥和水的污水生化处理区内，间歇、少量、多次投加该复合粉末载体即可。并且该复合粉末载体回流性能好，可以随活性污泥一起回流到污水生化处理区继续发挥作用，无需设置单独的粉末载体回收设备。
2.本发明提供的改善活性污泥性能的污水处理系统/工艺，在污水生化处理区设置复合粉末载体投加点，在复合粉末载体投加点内设置本发明提供的复合粉末载体。相对于其他异位提标改造相关技术，复合粉末载体诱导改善活性污泥系统/工艺可以在不改变原有污水厂工艺的基础上进行，对污水厂的应用性较广，所有的城镇污水厂都适用。这也使得该系统/工艺对污水厂改造更小、成本更低，同时可以使水厂的污泥浓度增值、污水处理厂容积扩容处理，满足提标改造的需求。
3.本发明提供的改善活性污泥性能的污水处理系统/工艺，优选采用剩余污泥筛选设备(如旋流器)进一步强化污泥活性，使得活性较好的污泥回流至污水生化处理区，其余的作为剩余污泥外排。
4.本发明提供的改善活性污泥性能的污水处理系统/工艺，优选采用污泥沉降性在线监测设备实时自动化测量生物处理区的污泥沉降性，表征污泥沉降过程，反馈复合粉末载体的投加效果，指导复合粉末载体的投加操作。
（发明人：严夏;宋英豪;崔志峰;禹金玲;荣玉;王敏;张猛）
