[发明专利]有机碳源和纳米二氧化锰在提高强化生物活性炭去除水中氨氮能力的应用

说明书

本发明提出了一种强化生物活性炭去除微污染水源水中氨氮的方法，本发明中有机碳源促进异养硝化菌的自然富集，加快生物活性炭生物膜的形成速度，进而强化生物膜的功能化和稳定性；同时，利用能够吸附氨氮的纳米二氧化锰对活性炭进行界面调控，提高氨氮在液‑固界面的传质效率，促使氨氮在载体界面形成“界面吸附‑微生物降解‑界面吸附”的循环去除过程；最终，通过对活性炭进行综合界面调控，实现生物活性炭对氨氮的高效、稳定去除。

技术领域

本发明涉及给水处理技术领域，更具体地，涉及一种有机碳源和纳米二氧化锰在提高强化生物活性炭去除水中氨氮能力的应用。

背景技术

饮用水水质安全作为最基本民生问题，其保障体系有待“从源头到龙头”全面提升。我国饮用水水源水质受到不同程度的污染，氨氮为主要超标指标之一。饮用水水源中氨氮超标引发的危害包括：(1)管网中微生物再生；(2)致癌的亚硝胺生成风险增加；(3)投氯量增加，消毒副产物产生风险增加。常规混凝-沉淀-砂滤工艺难以保证出水氨氮浓度低于限值0.5mg/L，这对饮用水安全保障提出了难题。国务院发布的《水污染防治行动计划》(“水十条”)明确指出氨氮作为影响人体健康的污染物，应采取针对性措施、加大整治力度，全力保障饮用水供水安全。因此，针对不同水源水质特点的高效而稳定的氨氮去除新技术被广泛研究。

目前，水源水中氨氮的处理技术主要分为物化法和生物法。其中，物化法主要包括沸石吸附法和折点加氯法，高效但却存在一定局限性：沸石吸附法存在改性成本高、交换容量有限、易受水体中其他阳离子影响等缺陷；折点氯化法会增加投氯量，进而增大传统卤代消毒副产物和新兴高毒性含氮消毒副产物的产生风险。传统生物法可通过生物活性炭(Biological Activated Carbon，BAC)中自养硝化作用去除氨氮，而且生物活性炭工艺还可同步去除微量有机污染物、预防消毒副产物产生、去除异臭味、改善口感，因而成为了净水厂的核心深度处理工艺。然而，传统生物活性炭工艺在氨氮去除方面仍然存在一些不足：(1)自养硝化作用在生物活性炭去除氨氮过程中起主导作用，而大量研究表明生物活性炭工艺启动时间较长，即使在常温条件下也需要至少2～6个月才能自然形成稳定、成熟的生物膜。(2)自养硝化菌生长速率缓慢，对生长环境(温度、有机物浓度、溶解氧等)非常敏感，同时其与体系中异养细菌存在竞争关系，所以传统生物活性炭工艺的氨氮去除效果易发生大幅波动。(3)活性炭对氨氮的吸附作用微弱，氨氮从水中(液相)转移到生物活性炭生物膜(固相)的传质过程是影响氨氮去除效能的控制步骤，一般通过延长空床停留时间(EBCT)来增强氨氮的传质效果以强化氨氮去除效能，但却会以牺牲生物活性炭产水率为代价。

现有的传统生物活性炭工艺的生物膜形成速度慢，进而导致污染物去除存在滞后性。针对此问题，国内外报道中关于通过加快BAC体系中生物膜的形成以强化污染物去除效能的方式，主要包括人工接种优势功能菌群和直接采用废炭作为滤料两种方式。人工接种优势功能菌群，虽然可针对水质特征，在载体上定向地实现微生物的功能化，高效去除目标污染物，但相对于连续进水中的土著细菌，人工合成的功能菌群(合成群落的菌种数量20)多样性较差，无法抵御进水中土著细菌的不断入侵，导致功能菌群和污染物去除效能均难以保持长期稳定性。另外，废炭表面虽然已形成广泛的生物膜，其对氨氮等污染物具有生物降解作用，但是废炭对有机物的吸附已达到饱和状态，甚至存在释放有毒有害物质的风险，因而无法保障工艺的稳定运行以及水质安全。

中国专利(CN102260017A)公开了一种有效去除受污染水体中氨氮的方法，将硝化菌固定在生物活性炭中用来去除氨氮，但是生物活性炭生物膜成型时间长，形成速度慢。

针对以上技术瓶颈，探索如何能够在缩短生物活性炭生物膜形成时间的同时，自然富集具有高效氨氮去除功能的异养硝化细菌，并且提高氨氮在液-固界面间的传质效率，是强化生物活性炭工艺稳定去除水源水中氨氮的关键。

发明内容

本发明为克服上述传统生物活性炭工艺中生物膜形成速度慢、自养硝化作用不稳定以及氨氮在液-固界面间传质效率低而导致的氨氮去除效能差的缺陷，提供有机碳源和纳米二氧化锰在提高强化生物活性炭去除水中氨氮能力的应用。