一种吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料的制备与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料的制备与应用，属于复合材料制备领域。本发明专利技术的提供的生物填料由表面负载有阴离子型层状镁铝化合物的碳微球和聚己内酯(PCL)有机结合制成，其中碳微球可以作为微生物载体和反硝化中电子传播的导体，其上负载的阴离子型镁铝化合物可以吸附硝态氮，PCL提供微生物反硝化所需的碳源，且由于碳微球具有疏水性，更有利于降低水分子对阴离子型镁铝化合物吸附硝态氮过程的干扰，对于水体中低浓度硝态氮的去除，同样效果良好。

Preparation and application of a biological packing for simultaneous denitrification and denitrification of adsorbed nitrate ions

【技术实现步骤摘要】
一种吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料的制备与应用
本专利技术属于复合材料制备领域，更具体地说，涉及一种吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料的制备与应用。
技术介绍
农村、城市的地下水都存在着不同程度的氮污染问题，农业化肥的过量使用，尤其足氮肥的过量使用和动物排泄物的处置不当，使世界许多地方地表水和地下水中硝态氮的含量在不断升高，已经危及土壤和地下水的质量安全，硝酸盐污染日趋严重。地下水是许多国家和地区的主要饮用水源。据统计，我国约一半以上的城市以地下水为主要水源。然而，地下水硝酸盐污染问题日益突出，有些地区地下水硝态氮的含量已高达40mg/L(以氮计)。硝酸盐摄入人体后可转化为亚硝酸盐、皿硝酸胺，甚至致癌。因此，水体中硝酸盐的去除是个亟待解决的问题。目前，去除水中硝态氮的方法主要有物理法、化学法以及生物脱硝法。物理法主要包括离子交换法、膜分离法以及纳米吸附材料，主要基于的原理还是物理吸附；化学法主要包括臭氧氧化法、次氯酸钠法以及电化学法，主要基于化学催化氧化；离子交换是指借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换，一般离子交换树脂填充在阴阳离子交换膜之间形成单个处理单元，离子交换速度随树脂交联度的增大而降低，随颗粒的减小而增大，但存在树脂再生及废液排放等问题。膜分离法是利用特殊薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法，常用的膜分离方法有渗析、电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术，近年来，膜分离技术发展很快，在废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到了大量的应用，但膜污染和反渗透浓水问题制约了其大规模的推广应用。纳米净水材料属于现阶段新型科学技术，纳米技术一经出现便迅速渗透到了各个行业当中，但吸附能力有限。化学法反应迅速，易于操作。比如申请号为CN201410225034.0，申请日为2014.05.24的中国专利申请文件，公开了一种去除水体中硝态氮的方法，该方法包括以下步骤：一、将七水硫酸亚铁、聚乙二醇和石墨烯加入脱氧蒸馏水中混合配制成悬浊液，然后向悬浊液中加入硼氢化钾溶液，经搅拌、过滤和洗涤后得到石墨烯负载纳米铁；二、将石墨烯负载纳米铁与待处理水体混合均匀后进行恒温振荡处理，使水体中硝态氮的去除率为85％以上。该方法采用石墨烯负载纳米铁去除水体中的硝态氮，工艺过程简单，生产成本低，易于推广应用，最大程度地保持了石墨烯和纳米铁的优良特性，能够高效、快速地去除水体中的硝态氮，使硝态氮的去除效果得到显著提高，具有广泛的应用价值。但该方案存在石墨烯昂贵、易失活，产生副产物和二次污染等问题。生物反硝化作用，是指在缺氧条件下微生物将硝酸盐及亚硝酸盐还原为气态氮化物和氮气的过程，发生反硝化作用包括以下几个先决条件：其一，培养出反硝化微生物；其二，含有电子供体，如有机碳化物、还原态硫化物；其三，硝酸盐的存在；其四，厌氧条件；上述几个先决条件缺一不可。比如申请号为CN201410012307.3，申请日为2014.01.10的中国专利申请文件，公开了一种去除水中硝态氮的方法，将厌氧流化床硫自养脱氮和膜分离两种过程结合和集成，利用搅拌作用使自养反硝化污泥与硫磺颗粒在厌氧条件下呈流化态，充分进行硫自养反硝化去除硝酸盐，同时将膜分离组件集成到厌氧流化床内，截留反应器内的微生物以提高反应器内的生物量，并实现固液分离，有效避免出水微生物污染。但是上述技术方案应用发生硫溶出的问题，对水体造成二次污染。又如申请号为CN201710414282.3，申请日为2017.06.05的中国专利申请文件，提供了一种混合营养型的反硝化生物填料及其制备和应用方法，以活性炭、硫磺及固体碳源为原料制成反硝化生物填料，并与阴离子粘土混合装填于适配反应器中；填料同时具有异养和自养反硝化效果，可有效避免液体碳源添加造成的二次污染问题。但该填料水处理效果人仍不理想，不利于微生物的挂膜及生长繁殖。相对于物理和化学方法(例如反渗透，离子交换等)，采用生物反硝化技术去除微污染水体中的硝态氮是最经济、对环境污染最小的方法。然而微污染水体中有机物浓度和硝态氮浓度都较低，微生物生长较慢且需要外加碳源，其中固体碳源可以避免有机物流失的弊端。但由于微污染水体中硝酸盐浓度低，微生物较为分散，没有固定的附着空间，故效率也不够高。因此，具有吸附富集硝酸盐、缓释碳源、同时可供微生物附着的反硝化填料有着很大的市场需求。综上所述，现有技术常用的填料用于含硝态氮污水处理时，对低浓度的硝态氮(NO3-)的去除效果不理想，因此开发一种可高效去除水中硝态氮的填料有着重要的意义。
技术实现思路
1.要解决的问题针对现有技术常用的填料用于含硝态氮污水处理时，对于低浓度硝态氮去除困难的问题，本专利技术提供一种吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料，将表面负载有阴离子型层状镁铝化合物碳微球以及聚己内酯(PCL)有机的结合在一起，可有效的对高、低浓度硝态氮污水中的硝态氮实现去除；同时，本专利技术还提供了该生物填料的制备方法。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料，所述生物填料由改性碳微球、聚己内酯以及粘结剂经捏合造粒而成；所述改性碳微球为表面负载有阴离子型层状镁铝化合物的碳微球。优选地，所述的粘结剂为羧甲基淀粉钠、硅酸盐、沥青以及膨润土中的一种或一种以上。优选地，所述改性碳微球、聚己内酯以及粘结剂三者质量比为10:(1～2):(3～4)。优选地，所述改性碳微球、聚己内酯以及粘结剂三者质量比为10:2:3。上述生物填料的制备步骤如下：将改性碳微球、聚己内酯以及粘结剂混合、搅匀、捏合造粒，随后烘干固化，烘干温度为100～110℃，控制烘干时间为1～2h，即得生物填料；优选地，所述烘干温度为105℃，烘干时间为2h。优选地，所述改性碳微球的制备包括如下步骤：(1)制备：利用棉纤维制备碳微球；(2)改性：将Mg(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O溶于去离子水中配置成硝酸盐溶液，同时配制碱溶液，将硝酸盐溶液、NaOH(1mol/L)碱溶液以及碳微球混合，利用碱液调节pH，搅拌，反应4h，完成对碳微球表面的改性。优选地，所述步骤(1)中对棉纤维进行漂洗、破碎成粉末，随后将粉末分散至水中得到分散液，分散液移入反应釜，反应釜填充度为10-60％，在300～400℃温度下进行水热反应制备得到碳微球。填充度的不同会造成反应釜内压力的不同，当填充度低于10％时，釜内压力达不到饱和压力，温度也不稳定，10-60％填充度是较为适中的填充度；水热温度低于300℃时形成的产物比表面积较小，碳化程度较低，而在水热温度高于400℃时，产物在反应釜壁上的附着越严重，因此选择300-400℃，形成的碳微球形貌较好，比表面积大，疏水性较强。优选地，所述步骤(1)中，反应釜填充度为30％，水热温度为360℃，恒温水热4h。优选地，步骤(2)中，所述Mg(NO3)2·6H2O的质量、Al(NO3)3·9H2O的质量与去离子水的体积之比为(5～8):4:10g/mL；所述pH值为至9～10。原料比例的改变是为了使得改性碳微球表面负载的镁铝层热稳定性增加，晶型结构较为完整，可以更好的吸附水体中的硝酸盐。优选地，所述改性碳微球的具体制备步骤如下：(1)制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料，其特征在于：所述生物填料由改性碳微球、聚己内酯以及粘结剂经捏合造粒而成；所述改性碳微球为表面负载有阴离子型层状镁铝化合物的碳微球。

【技术特征摘要】
1.一种吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料，其特征在于：所述生物填料由改性碳微球、聚己内酯以及粘结剂经捏合造粒而成；所述改性碳微球为表面负载有阴离子型层状镁铝化合物的碳微球。2.根据权利要求1所述的吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料，其特征在于：所述改性碳微球、聚己内酯以及粘结剂三者质量比为10:(1～2):(3～4)。3.根据权利要求2所述的吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料的制备方法，其特征在于：所述改性碳微球、聚己内酯以及粘结剂三者质量比为10:2:3。4.一种制备如权利要求1-3任一所述的吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料的制备方法，其特征在于：制备步骤如下。将改性碳微球、聚己内酯以及粘结剂混匀、捏合造粒，随后烘干固化，烘干温度为100～110℃，控制烘干时间为1～2h，即得生物填料；5.根据权利要求4所述的吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料的制备方法，其特征在于：所述改性碳微球的制备包括如下步骤：(1)制备：利用棉纤维制备碳微球；(2)改性：将Mg(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O溶于去离子水中配置成硝酸盐溶液，同时配制NaOH碱溶液，将硝酸盐溶液、碱溶液以及碳微球混合，调节pH，搅拌，反应4h，完成对碳微球表面的改性。6.根据权利要求5所述的吸附硝酸根离子同步反硝化脱氮生物填料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为，对棉纤维进行漂洗、破碎成粉末，随后将粉末分散至水中得到分散液，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，侯玉倩，程绍举，王梦良，张陈永，杜凌峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32