一种用于污水处理的空气自扩散微生物膜及其制备方法和应用

本发明属于生物膜的制备，涉及一种用于污水处理的空气自扩散微生物膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、曝气、泥水分离是污水处理工艺的两大核心。传统活性污泥工艺依赖鼓风曝气或机械曝气为微生物提供氧气。这种方式能耗极高，曝气能耗占污水处理厂总能耗的50％到70％。高能耗不仅导致运行成本上升，还对实现低碳环保带来压力。为实现污泥与水的分离，传统活性污泥工艺必须配备大型沉淀池和反应池，占据污水处理厂近一半的土地资源，显著增加投资建设成本；同时需要污泥回流，既消耗能量，也无法富集功能微生物，降低处理效率。尤其在城市污水处理中，土地资源紧张，这种占地面积大的工艺显著增加了基建和运营成本。

2、生物膜工艺虽然在污泥与水的分离方面有所改进，通过膜组件过滤有效减少了沉淀池的需求，但曝气仍然是其关键环节。曝气过程中能耗巨大，气泡溶解氧效率低，影响微生物的充分氧气供给，降低了污水处理效率。同时，膜组件面临严重的膜污染堵塞问题，需要定期返清洗，膜组件成本昂贵。膜曝气工艺主要采用商业化的中空纤维膜作为微生物附着载体，膜组件成本高、气体扩散阻力大，需要高压气源驱动氧气传输为微生物膜供氧。

3、因此，针对现有活性污泥工艺曝气能耗高、污泥流失严重且二沉池占地面积大等问题，以及现有膜工艺面临膜组件成本高、需要高压气源以及易堵塞等挑战，需要深入研究能够用于污水处理的空气自扩散微生物膜。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于污水处理的空气自扩散微生物膜；本发明的目的之二在于提供一种用于污水处理的空气自扩散微生物膜的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种用于污水处理的空气自扩散微生物膜在同步硝化-反硝化自适应脱氮方面的应用。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、1.一种用于污水处理的空气自扩散微生物膜，所述空气自扩散微生物膜从外到内依次包括疏水层、粘结层、亲水层和微生物层，

4、所述粘结层为具有支撑、连接防水层和亲水层、防水和透气的作用，所述空气自扩散微生物膜中通过调节所述粘结层厚度来调控空气扩散通量大小。

5、优选的，所述粘结层按照如下方法制备：

6、(1)浆液调制：将粒径大于等于200目的的疏水粉末作为浆液原料，依次加入乙醇和水进行分散得到浆液，所述浆液原料、乙醇和水的质量比为1:4～7:4，然后再加入ptfe乳液或nafion水溶液作为浆液粘结剂使浆液粘结，搅拌、揉搓成橡皮泥质感材料，按质量计，所述原料浆液和粘结剂的质量比为1:1.5～3；

7、(2)覆压成膜：将步骤(1)中所述橡皮泥质感材料置于不同厚度的模具中，擀压将其压平摊开使其成膜即可制得粘结层；所述模具是通过在硬质板块表面车铣出深度为0.2～1.3mm的凹槽后得到，其中所述硬质板块为不锈钢或有机玻璃；

8、所述疏水粉末包括炭黑、活性炭、硫粉或聚合高分子粉末材料中的任意一种或几种材料的组合，所述聚合高分子粉末材料为聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)、聚苯醚(ppo)、abs塑料或聚四氟乙烯(ptfe)中的任意一种。

9、优选的，所述疏水层的材料为由聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、超高分子量聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚丙烯中的任意一种或者几种复合形成的具有防水和透气的作用的薄膜。

10、优选的，所述亲水层为无纺布、碳布、或碳毡等材质。

11、2.上述空气自扩散微生物膜的制备方法，所述制备方法包括以下方法一或方法二中的任意一种，

12、方法一：将疏水层和亲水层材料分别压合到粘结层正反两面，通过冷裱机或者压片机压实，在140～220℃下烧制2～5h；将含有菌粉的粘稠浆液或含有从污水处理厂取得的活性污泥混合液的粘稠浆液涂刷或者喷涂至亲水层表面形成微生物层，即可制得空气自扩散微生物膜。

13、方法二：首先，选择两种以上任意疏水层的材料组成复合膜，通过高温热熔压合的方式，将两层复合膜或者三层复合膜压制为一层，实现厚度的控制和防水性能的提升；然后在压制好的膜任意一侧表面均匀涂刷上一层粘结剂，再将亲水层材料热压贴合；最后将含有菌粉的粘稠浆液或含有从污水处理厂取得的活性污泥混合液的粘稠浆液涂刷或者喷涂至亲水层表面形成微生物层，即可制得空气自扩散微生物膜。

14、优选的，所述制备方法还包括对亲水层进行亲水处理，具体方法为：将含氨基的硅烷偶联剂作为亲水试剂，用乙醇配置体积分数为2％～5％的亲水试剂稀溶液，将其喷淋至所述亲水层表面或将其对所述亲水层进行浸泡，然后在60～80℃烘干30～90min即可；

15、所述含氨基的硅烷偶联剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷、4-氨基-3,3-二甲基丁基三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的任意一种。

16、优选的，所述含有菌粉的粘稠浆液中菌粉、羧甲基纤维素钠和水的质量比为2～4:2:25～50；

17、所述含有从污水处理厂取得的活性污泥混合液的粘稠浆液的配制方法为：将从污水处理厂取得的活性污泥浓缩至mlss为1.5～3g/l到污泥浓缩液，按照每毫升污泥浓缩液添加0.05g纤维素钠的标准加入纤维素钠，调制成含有从污水处理厂取得的活性污泥混合液的粘稠浆液；

18、所述空气自扩散微生物膜中微生物层还可以通过悬浮接种的方式进行微生物接种或固定化的方法进行制备，悬浮接种具体操作为：将mlss为1.5～3g/l的含有菌粉的悬浮液或含有从污水处理厂取得的活性污泥悬浮液直接投加至反应器内，搅拌下使微生物自然附着于亲水层材质上即可形成微生物层。

19、3.上述空气自扩散微生物膜在同步硝化-反硝化自适应脱氮方面的应用。

20、优选的，所述同步硝化-反硝化自适应脱氮方面时的启动方式为：①分步启动：将空气自扩散微生物膜组装至反应装置上，先在含氨氮的进水条件下序批培养，实现硝化功能的启动且稳定，然后按照cod和nh4+的质量比为1～3:1在进水中加入碳源，所述碳源为乙酸钠、蔗糖、葡糖糖等，进行反硝化功能菌培养；②同步启动：按照cod和nh4+的质量比为1～3计，在进水条件中同时加入氨氮和碳源物质同步启动。。

21、本发明的有益效果在于：本发明公开了一种用于污水处理的空气自扩散微生物膜，从外到内依次包括疏水层、粘结层、亲水层和微生物层，其中粘结层为具有支撑、连接防水层和亲水层、防水和透气的作用，所述空气自扩散微生物膜中通过调节所述粘结层厚度来调控空气扩散通量大小。本发明通过构建空气自扩散微生物膜实现空气从疏水层一侧向亲水层一侧扩散，替代传统鼓风曝气或机械曝气供氧方式；同时本发明通过对亲水层材料进行改性处理，增强其亲水性及微生物挂膜性能，从而提升微生物的负载能力，本发明公开的用于污水处理的空气自扩散微生物膜制备成本低，用于污水处理时工艺的构筑简单，无需曝气、二沉池及土工建设等，能降低污水处理投资成本和运营成本。

22、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。