一种分层负载固体复合碳源和悬浮填料的水质提升装置及其应用的制作方法

1.本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种分层负载固体复合碳源和悬浮填料的水质提升装置及其应用。


背景技术：

2.生物膜水处理技术是利用附着生长在某些固体表面的微生物膜进行水处理的方法，具有处理效率高、运行稳定、污泥产量小、无二次污染等优点。生物填料在生物膜水处理技术中发挥着重要作用，其能为微生物的附着和生长繁殖提供场所，提高微生物的生物量，丰富其种类，并提高水处理系统的耐冲击负荷能力；一些生物填料还能在使用期间缓释出营养物质，促进有益微生物生长繁殖。但传统散装的生物填料挂膜速度慢，用于水处理时前期调试时间长，且需要设置拦截系统，以防止其进入后续水处理程序中，造成微生物水处理效率以及后续水处理程序的效率下降。
3.申请号为cn202222250201.x的专利公开了一种用于一体化污水处理设备的生物填料，包括呈网状的上半球壳和下半球壳，两者之间可拆卸地连接，上半球壳和下半球壳上分别设有若干个透水网孔，上半球壳与下半球壳扣合连接后，在其内部形成有一球形空腔，球形空腔内设有活性炭填料。其中的活性炭填料既可为微生物挂膜提供基体，又可通过吸附作用提高废水污染物去除效率；球壳能够拦截活性炭填料，防止其进入后续水处理程序中，并且，上、下半球壳之间采用可拆卸的卡扣连接，使其中的活性炭填料能够更换，实现多次拆卸循环使用。但这种单层球装置虽然也能够同时装载固体复合碳源和悬浮填料，但难以使两者较好地配合，进而充分集成两者的功能，填料挂膜速度和水处理效率有限。


技术实现要素：

4.为了解决现有的水质提升装置挂膜速度和水处理效率有限的技术问题，本发明提供了一种分层负载固体复合碳源和悬浮填料的水质提升装置。该水质提升装置能够充分集成悬浮填料和固体复合碳源的功能，提高挂膜速度和水处理效率；并且，其中的固体复合碳源能够重复使用，且具有较好的营养缓释效果。
5.本发明的具体技术方案为：第一方面，本发明提供了一种分层负载固体复合碳源和悬浮填料的水质提升装置，包括内球笼和外球笼；所述内球笼设置在外球笼中，内球笼和外球笼上均分布有若干通孔，且内球笼和外球笼均为可开闭球体；所述内球笼中装载有固体复合碳源；所述内球笼与外球笼之间装载有悬浮填料；所述固体复合碳源包括多孔缓释载体、负载在多孔缓释载体内的营养物质和接枝在多孔缓释载体外的开关聚合物；所述开关聚合物的两端分别为自由端和固定端；所述固定端为聚n-异丙基丙烯酰胺，接枝在多孔缓释载体上。
6.在本发明的水质提升装置中，外层(装载在外球笼中)的悬浮填料能够为微生物的附着和生长繁殖提供场所，内层(装载在内球笼中)的固体复合碳源能够缓释出营养物质，
这些营养物质在向外扩散的过程中，与悬浮填料接触，促进有益微生物在其中生长繁殖，形成生物膜，并促进微生物代谢分解水中的污染物。通过上述方式，将悬浮填料和固体复合碳源集合到一起，并使其相对独立而又紧密结合，能够使两者在功能上能够更好地配合，进而提高挂膜速度和水处理效率。
7.本发明中采用了特殊的固体复合碳源，其具有较好的缓释效果，且其中的营养缓释载体能够重复使用，即在失效(其中负载的营养物质逐渐消耗后出现释放量不足的情况)后能够重新负载营养物质，并保持较好的缓释性能。具体机制如下：本发明在多孔缓释载体外接枝了开关聚合物，其中的聚n-异丙基丙烯酰胺链具有可逆的温度响应特性。在30℃及以下进行水处理时，聚n-异丙基丙烯酰胺链处于伸展状态，能够封闭多孔缓释载体上的孔道，使营养物质缓慢释放；在38℃及以上进行营养物质负载时，聚n-异丙基丙烯酰胺链收缩，开放多孔缓释载体上的孔道，使营养物质能够被吸附到多孔缓释载体中，完成营养物质的负载。
8.作为优选，所述开关聚合物的自由端为n-异丙基丙烯酰胺与4-乙烯基吡啶的共聚物。
9.通过在开关聚合物的自由端掺杂4-乙烯基吡啶，能够在不影响固体复合碳源的缓释性能的同时，促进营养物质在多孔缓释载体中的负载，具体而言：在ph≥5.0的环境中进行水处理时，吡啶基团中的氮原子不带电，不会在开关聚合物分子链之间产生静电排斥作用，因而不会对开关聚合物分子链之间的缠结产生过大影响，有利于开关聚合物封闭多孔缓释载体上孔道，实现营养物质的缓释；在ph≤4.2的环境中进行营养物质负载时，吡啶基团中的氮原子带正电，能够在开关聚合物分子链之间产生静电排斥力，促进开关聚合物分子链之间解缠，因而有利于营养物质的负载；此外，本发明将4-乙烯基吡啶掺杂在开关聚合物的自由端而非中间，能够避免在负载营养物质时，开关聚合物分子链内部存在静电排斥力而阻碍分子链收缩。
10.作为优选，所述固体复合碳源的制备方法包括以下步骤：(1)将-coc(ch3)2br基团接枝到多孔缓释载体的表面，获得溴化多孔缓释载体；(2)将溴化多孔缓释载体、聚合反应催化剂、配体和溶剂iii混合后，在惰性气体保护下，加入n-异丙基丙烯酰胺，在30～40℃下反应2～2.5h后，再加入4-乙烯基吡啶，继续在30～40℃下反应15～20min，分离出产物，获得营养缓释载体；(3)将营养物质配制成溶液后，调节ph至不高于4.2，升温至不低于38℃，将营养缓释载体加入到其中，将温度维持在不低于38℃进行浸渍，而后调节ph至不低于5.0，并降温至不高于30℃，分离出产物，获得固体复合碳源。
11.步骤(1)和(2)中，在将-coc(ch3)2br基团接枝到多孔缓释载体表面后，能够引发自由基聚合反应，在多孔缓释载体表面接枝上固定端为聚n-异丙基丙烯酰胺、自由端为异丙基丙烯酰胺-乙烯基吡啶共聚物的开关聚合物。
12.步骤(3)中，在ph≤4.2、温度≥38℃下，开关聚合物自由端的吡啶基团带正电，且聚n-异丙基丙烯酰胺分子链收缩，使多孔缓释载体上的孔道开放，营养物质能够较快地负载到多孔缓释载体内；完成负载后，将ph调节至不低于5.0，并降温至不高于30℃，此时吡啶基团不带电，聚n-异丙基丙烯酰胺分子链伸展，封闭多孔缓释载体上的孔道，从而使营养物质在水质提升装置使用时能够缓慢释放。
13.作为优选，步骤(2)中，所述溴化多孔缓释载体、n-异丙基丙烯酰胺和4-乙烯基吡啶的质量比为1:1.5～2.0:0.1～0.2。
14.作为优选，步骤(2)中，所述溴化多孔缓释载体、聚合反应催化剂和配体的质量比为1:0.3～0.5:0.6～0.8。
15.作为优选，步骤(1)的具体过程包括以下步骤：(1.1)利用多孔缓释载体表面的羟基，将氨基硅烷偶联剂接枝到多孔缓释载体表面；(1.2)以氨基化多孔缓释载体和2-溴异丁酰溴为原料，进行氨基与2-溴异丁酰溴之间的取代反应，获得溴化多孔缓释载体。
16.作为优选，步骤(1.1)的具体过程包括以下步骤：将氨基硅烷偶联剂与溶剂i混合后，进行水解，而后将多孔缓释载体加入到其中，在70～80℃下反应2～4h后，分离出产物，获得氨基化多孔缓释载体。
17.进一步地，步骤(1.1)中，所述多孔缓释载体、氨基硅烷偶联剂和溶剂i的质量比为1:0.7～1.4:3～10。
18.作为优选，步骤(1.2)的具体过程包括以下步骤：将2-溴异丁酰溴、缚酸剂和溶剂ii混合，将氨基化多孔缓释载体加入到其中，在0～5℃下反应4～6h，分离出产物，制得溴化多孔缓释载体。
19.进一步地，步骤(1.2)中，所述氨基化多孔缓释载体、2-溴异丁酰溴、缚酸剂和溶剂ii的质量比为1:0.8～2.0:1.6～4.0:5～10。
20.作为优选，所述多孔缓释载体的制备方法包括以下步骤：向填料混合物中加入水玻璃溶液，所述填料混合物包括粉煤灰、高岭土和沸石粉，混匀后，造粒成型，焙烧，获得多孔缓释载体。
21.通过上述方法制得的多孔缓释载体能够利用其中的多孔结构，负载较多的营养物质，并利用多孔缓释载体的吸附作用及其表面接枝的开关聚合物实现缓释，能够使固体复合碳源具有较长的有效期——经试验，本发明的水质提升装置一次投放有效期可达六个月。
22.进一步地，所述粉煤灰、高岭土、沸石粉和水玻璃的质量比为5～7:3～5:2～4:3～4。
23.进一步地，所述水玻璃溶液的质量分数为30～40％。
24.进一步地，所述焙烧的温度为400～500℃，时间为2～3h。
25.作为优选，所述营养物质按重量份计，包括以下组分：聚羟基丁酸戊酸酯(phbv)25～35份，醋酸酯淀粉65～75份，丁酸15～25份，mnso
4 4～8份，mgso
4 4～8份，znso
4 2～5份，cuso
4 0.01～0.05份，ki 0.2～0.4份，cacl
2 0.01～0.03份。
26.上述营养物质配方中含有不同释放速度的碳源、多种微量元素和微生物生长促进剂，能够促进硝化菌和反硝化菌的生长繁殖，实现同步硝化反硝化，提高总氮去除效果。
27.作为优选，所述内球笼是由内上球笼和内下球笼构成的可开闭球体，所述外球笼是由外上球笼和外下球笼构成的可开闭球体；所述外上球笼和外下球笼之间设有环状的上隔网和下隔网；所述上隔网的外环侧和内环侧分别与外上球笼内壁和内上球笼外壁相连；所述下隔网的外环侧和内环侧分别与外下球笼内壁和内下球笼外壁相连。
28.作为优选，所述悬浮填料为mbbr填料。
29.mbbr填料具有比表面积大、亲水性好、耐磨性强的优点，且具备较好的通透性，在曝气作用下能很好地保持流化状态，有利于污染物与微生物膜接触并被降解。
30.第二方面，基于相同的技术构思，本发明提供了所述水质提升装置在微生物水处理中的应用。
31.作为优选，所述应用包括以下步骤：将水质提升装置投入到水处理装置中，挂膜后，进行水处理，在所述挂膜和水处理过程中，控制温度不高于30℃，ph不低于5.0；当水处理效率下降时，取出水质提升装置内的固体复合碳源，按照步骤(3)(即前文所述固体复合碳源的制备方法中的步骤(3))重新负载营养物质，再装入水质提升装置中，再次投入到水处理装置中用于水处理。
32.与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明将固体复合碳源和悬浮填料分别装填在内层和外层，能够使两者在功能上较好地配合，加快填料挂膜速度，并提高水处理效率；(2)本发明中所采用的固体复合碳源通过在多孔缓释载体上接枝特制的开关聚合物，能够实现较好的缓释效果，且其在失效后可重新负载营养物质，实现营养缓释载体的重复利用。
附图说明
33.图1为本发明的水质提升装置的一种模型图(内、外球笼处于上下闭合状态)；图2为本发明的水质提升装置的一种模型图(内、外球笼处于上下打开状态)。
具体实施方式
34.下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
35.总实施例一种分层负载固体复合碳源和悬浮填料的水质提升装置，包括内球笼和外球笼；所述内球笼设置在外球笼中，内球笼和外球笼上均分布有若干通孔，且内球笼和外球笼均为可开闭球体；所述内球笼中装载有固体复合碳源；所述内球笼与外球笼之间装载有悬浮填料；所述固体复合碳源包括多孔缓释载体、负载在多孔缓释载体内的营养物质和接枝在多孔缓释载体外的开关聚合物；所述开关聚合物的两端分别为自由端和固定端；所述固定端为聚n-异丙基丙烯酰胺，接枝在多孔缓释载体上。
36.在一些具体实施方式中，所述开关聚合物的自由端为n-异丙基丙烯酰胺与4-乙烯基吡啶的共聚物。
37.在一些具体实施方式中，所述固体复合碳源的制备方法包括以下步骤：(1)将-coc(ch3)2br基团接枝到多孔缓释载体的表面，获得溴化多孔缓释载体；(2)将溴化多孔缓释载体、聚合反应催化剂、配体和溶剂iii混合后，在惰性气体保护下，加入n-异丙基丙烯酰胺，在30～40℃下反应2～2.5h后，再加入4-乙烯基吡啶，继续在30～40℃下反应15～20min，分离出产物，获得营养缓释载体；所述溴化多孔缓释载体、n-异丙基丙烯酰胺(nipaam)、4-乙烯基吡啶(4vp)、聚合反应催化剂和配体的质量比为1:1.5～2.0:0.1～0.2:0.3～0.5:0.6～0.8；
(3)将营养物质配制成溶液后，调节ph至不高于4.2，升温至不低于38℃，将营养缓释载体加入到其中，将温度维持在不低于38℃进行浸渍，而后调节ph至不低于5.0，并降温至不高于30℃，分离出产物，获得固体复合碳源。
38.在一些具体实施方式中，步骤(1)的具体过程包括以下步骤：(1.1)将氨基硅烷偶联剂与溶剂i混合后，在40～50℃下水解0.5～1.5h，而后将多孔缓释载体加入到其中，在70～80℃下反应2～4h后，分离出产物，获得氨基化多孔缓释载体；所述多孔缓释载体、氨基硅烷偶联剂和溶剂i的质量比为1:0.7～1.4:3～10；(1.2)将2-溴异丁酰溴、缚酸剂和溶剂ii混合，将氨基化多孔缓释载体加入到其中，在0～5℃下反应4～6h，分离出产物，制得溴化多孔缓释载体；所述氨基化多孔缓释载体、2-溴异丁酰溴、缚酸剂和溶剂ii的质量比为1:0.8～2.0:1.6～4.0:5～10。
39.在一些具体实施方式中，所述多孔缓释载体的制备方法包括以下步骤：向填料混合物中加入水玻璃溶液，所述填料混合物包括粉煤灰、高岭土和沸石粉，混匀后，造粒成型，在400～500℃下焙烧2～3h，获得多孔缓释载体；所述粉煤灰、高岭土、沸石粉和水玻璃的质量比为5～7:3～5:2～4:3～4；所述水玻璃溶液的质量分数为30～40％。
40.在一些具体实施方式中，所述营养物质按重量份计，包括以下组分：聚羟基丁酸戊酸酯(phbv)25～35份，醋酸酯淀粉65～75份，丁酸15～25份，mnso
4 4～8份，mgso
4 4～8份，znso
4 2～5份，cuso
4 0.01～0.05份，ki 0.2～0.4份，cacl
2 0.01～0.03份。
41.在一些具体实施方式中，所述内球笼是由内上球笼和内下球笼构成的可开闭球体，所述外球笼是由外上球笼和外下球笼构成的可开闭球体；所述外上球笼和外下球笼之间设有环状的上隔网和下隔网；所述上隔网的外环侧和内环侧分别与外上球笼内壁和内上球笼外壁相连；所述下隔网的外环侧和内环侧分别与外下球笼内壁和内下球笼外壁相连。
42.上述水质提升装置在微生物水处理中的应用，包括以下步骤：将水质提升装置投入到水处理装置中，挂膜后，进行水处理，在所述挂膜和水处理过程中，控制温度不高于30℃，ph不低于5.0；当水处理效率下降时，取出水质提升装置内的固体复合碳源，按照步骤(3)重新负载营养物质，再装入水质提升装置中，再次投入到水处理装置中用于水处理。
43.制备例1通过以下步骤，制备固体复合碳源：步骤1(制备多孔缓释载体)：按重量份称取以下原料：粉煤灰28份，高岭土20份，沸石粉15份，水玻璃16份；将水玻璃溶于水中，配制成35wt％水玻璃溶液，备用。将粉煤灰、高岭土、沸石粉加入混合机中，搅匀后，加入水玻璃溶液，搅匀，再制成直径约为2.5cm的球体，在室温下晾干后，在500℃下焙烧2h，获得多孔缓释载体。
44.步骤2(溴化)：将质量比为1:5的硅烷偶联剂kh550和90％vol乙醇水溶液混合后，在40℃下搅拌1h，获得水解液。称取质量与kh550相同的多孔缓释载体，加入到水解液中，在75℃下搅拌3h，过滤，将沉淀依次用乙醇和水洗涤，干燥，获得氨基化多孔缓释载体。
45.按照质量比1:1.5:2:5称取氨基化多孔缓释载体、2-溴异丁酰溴、缚酸剂和n,n-二甲基乙酰胺。将2-溴异丁酰溴、三乙胺加入n,n-二甲基乙酰胺中混匀后，加入氨基化多孔载体，在冰浴(0～2℃)下搅拌5h，过滤，制得溴化多孔载体。
46.步骤3(接枝开关聚合物)：按照质量比1:1.5:0.1:0.5:0.8称取溴化多孔缓释载体、nipaam、4vp、cubr和五甲基二亚乙基三胺(pmdeta)；以丙酮为溶剂，将nipaam和4vp分别配制成10wt％nipaam溶液和10wt％4vp溶液，备用。按照1:30的质量比将溴化多孔载体加入到丙酮中，而后加入cubr和pmdeta，混匀后，通入氮气10min以排出空气，加入nipaam溶液，在35℃下搅拌2h后，再加入4vp溶液，继续在35℃下搅拌15min，过滤，将沉淀用水清洗后，干燥，获得营养缓释载体。
47.步骤4(负载营养物质)：按重量份称取以下原料：phbv 32份，醋酸酯淀粉70份，丁酸20份，mnso
4 4份，mgso
4 5份，znso
4 3.5份，cuso
4 0.02份，ki 0.3份，cacl
2 0.02份，乙酸乙酯400份。将所有原料混合后，调节ph至3.5，升温至40℃，加入其质量15％的营养缓释载体，在40℃下静置12h后，调节ph至7.5，并自然冷却至室温(26℃)，过滤，干燥，获得固体复合碳源。
48.制备例2通过以下步骤，制备固体复合碳源：步骤1(制备多孔缓释载体)：按重量份称取以下原料：粉煤灰28份，高岭土20份，沸石粉15份，水玻璃16份；将水玻璃溶于水中，配制成35wt％水玻璃溶液，备用。将粉煤灰、高岭土、沸石粉加入混合机中，搅匀后，加入水玻璃溶液，搅匀，再制成直径约为2.5cm的球体，在室温下晾干后，在500℃下焙烧2h，获得多孔缓释载体。
49.步骤2(溴化)：将质量比为1:7.5的硅烷偶联剂kh550和90％vol乙醇水溶液混合后，在45℃下搅拌1.5h，获得水解液。称取质量为kh550的75％的多孔缓释载体，加入到水解液中，在80℃下搅拌2h，过滤，将沉淀依次用乙醇和水洗涤，干燥，获得氨基化多孔缓释载体。
50.按照质量比1:2:4:10称取氨基化多孔缓释载体、2-溴异丁酰溴、缚酸剂和n,n-二甲基乙酰胺。将2-溴异丁酰溴、三乙胺加入n,n-二甲基乙酰胺中混匀后，加入氨基化多孔载体，在冰浴(0～2℃)下搅拌6h，过滤，制得溴化多孔载体。
51.步骤3(接枝开关聚合物)：按照质量比1:2.0:0.1:0.5:0.8称取溴化多孔缓释载体、nipaam、4vp、cubr和pmdeta；以丙酮为溶剂，将nipaam和4vp分别配制成10wt％nipaam溶液和10wt％4vp溶液，备用。按照1:30的质量比将溴化多孔载体加入到丙酮中，而后加入cubr和pmdeta，混匀后，通入氮气10min以排出空气，加入nipaam溶液，在40℃下搅拌2h后，再加入4vp溶液，继续在40℃下搅拌15min，过滤，将沉淀用水清洗后，干燥，获得营养缓释载体。
52.步骤4(负载营养物质)：按重量份称取以下原料：phbv 32份，醋酸酯淀粉70份，丁酸20份，mnso
4 4份，mgso
4 5份，znso
4 3.5份，cuso
4 0.02份，ki 0.3份，cacl
2 0.02份，乙酸乙酯400份。将所有原料混合后，调节ph至4.2，升温至45℃，加入其质量15％的营养缓释载体，在45℃下静置10h后，调节ph至7.5，并自然冷却至室温(26℃)，过滤，干燥，获得固体复合碳源。
53.制备例3通过以下步骤，制备固体复合碳源：步骤1(制备多孔缓释载体)：
按重量份称取以下原料：粉煤灰28份，高岭土20份，沸石粉15份，水玻璃16份；将水玻璃溶于水中，配制成35wt％水玻璃溶液，备用。将粉煤灰、高岭土、沸石粉加入混合机中，搅匀后，加入水玻璃溶液，搅匀，再制成直径约为2.5cm的球体，在室温下晾干后，在500℃下焙烧2h，获得多孔缓释载体。
54.步骤2(溴化)：将质量比为1:4.5的硅烷偶联剂kh550和90％vol乙醇水溶液混合后，在50℃下搅拌0.5h，获得水解液。称取质量为kh550的1.4倍的多孔缓释载体，加入到水解液中，在70℃下搅拌4h，过滤，将沉淀依次用乙醇和水洗涤，干燥，获得氨基化多孔缓释载体。
55.按照质量比1:0.8:1.6:5称取氨基化多孔缓释载体、2-溴异丁酰溴、缚酸剂和n,n-二甲基乙酰胺。将2-溴异丁酰溴、三乙胺加入n,n-二甲基乙酰胺中混匀后，加入氨基化多孔载体，在冰浴(0～2℃)下搅拌4h，过滤，制得溴化多孔载体。
56.步骤3(接枝开关聚合物)：按照质量比1:2.0:0.2:0.3:0.6称取溴化多孔缓释载体、nipaam、4vp、cubr和pmdeta；以丙酮为溶剂，将nipaam和4vp分别配制成10wt％nipaam溶液和10wt％4vp溶液，备用。按照1:30的质量比将溴化多孔载体加入到丙酮中，而后加入cubr和pmdeta，混匀后，通入氮气10min以排出空气，加入nipaam溶液，在30℃下搅拌2.5h后，再加入4vp溶液，继续在30℃下搅拌20min，过滤，将沉淀用水清洗后，干燥，获得营养缓释载体。
57.步骤4(负载营养物质)：按重量份称取以下原料：phbv 32份，醋酸酯淀粉70份，丁酸20份，mnso
4 4份，mgso
4 5份，znso
4 3.5份，cuso
4 0.02份，ki 0.3份，cacl
2 0.02份，乙酸乙酯400份。将所有原料混合后，调节ph至3.0，升温至38℃，加入其质量15％的营养缓释载体，在38℃下静置14h后，调节ph至7.5，并自然冷却至室温(26℃)，过滤，干燥，获得固体复合碳源。
58.制备例4本制备例与制备例1的区别仅在于，将步骤4换成：按重量份称取以下原料：phbv 32份，醋酸酯淀粉70份，丁酸20份，mnso
4 4份，mgso
4 5份，znso
4 3.5份，cuso
4 0.02份，ki 0.3份，cacl
2 0.02份，乙酸乙酯400份。将所有原料混合后，调节ph至7.5，加入其质量15％的营养缓释载体，在40℃下静置12h后，过滤，干燥，获得固体复合碳源。
59.制备例5本制备例与制备例1的区别仅在于，将步骤3换成：按照质量比1:1.6:0.5:0.8称取溴化多孔缓释载体、nipaam、4vp、cubr和五甲基二亚乙基三胺(pmdeta)；以丙酮为溶剂，将nipaam配制成10wt％nipaam溶液，备用。按照1:30的质量比将溴化多孔载体加入到丙酮中，而后加入cubr和pmdeta，混匀后，通入氮气10min以排出空气，加入nipaam溶液，在35℃下搅拌135min，过滤，将沉淀用水清洗后，干燥，获得营养缓释载体。
60.制备例6本制备例与制备例1的区别仅在于，将步骤3换成：按照质量比1:1.5:0.1:0.5:0.8称取溴化多孔缓释载体、nipaam、4vp、cubr和五甲基二亚乙基三胺(pmdeta)；以丙酮为溶剂，将nipaam和4vp配制成单体溶液，其中nipaam的
质量分数为10wt％，备用。按照1:30的质量比将溴化多孔载体加入到丙酮中，而后加入cubr和pmdeta，混匀后，通入氮气10min以排出空气，加入单体溶液，在35℃下搅拌135min，过滤，将沉淀用水清洗后，干燥，获得营养缓释载体。
61.实施例1将制备例1获得的固体复合碳源装载到水质提升装置中，水质提升装置的结构如图1和2所示，具体如下：水质提升装置由内球笼和外球笼构成，外球笼套设在内球笼外，两者的球心位置重合；外球笼是由外上球笼和外下球笼构成的可开闭球体，内球笼是由内上球笼和内下球笼构成的可开闭球体；外上球笼的下边缘与外下球笼的上边缘之间设置有位置相对的一处铰接和一处卡扣连接。外上球笼与外下球笼之间设置有环状的上隔网和下隔网；上隔网的内环侧与内上球笼的外壁之间通过焊接固定，上隔网的外环侧与外上球笼的内壁之间为可拆装的卡接结构；与上隔网相似，下隔网的内环侧与内下球笼的外壁之间通过焊接固定，下隔网的外环侧与外下球笼的内壁之间为可拆装的卡接结构。内、外球笼的直径分别为15cm和50cm。内、外球笼和上、下隔网上均设置有呈蜂窝状分布的六边形通孔，边长均为1cm。将固体复合碳源装载到内球笼中，将mbbr填料装载到内球笼与外球笼之间。
62.采用本实施例的水质提升装置进行废水的同步硝化和反硝化脱氮处理，废水来源为某制药厂的生产废水，总氮含量(tn值)为128mg/l，具体步骤如下：(1)初次使用：按照每5m2一个的投放量，将水质提升装置投放到微生物处理池中，将待处理的废水通入微生物处理池，期间维持进水的ph为7.8～8.2，水温为24～26℃，溶解氧(do)含量为0.5～0.6mg/l，水力停留时间为5h，每天运行2个周期，监测出水tn值。从tn去除率稳定后1周开始计时，第一个月时tn去除率为87.7％～90.5％，第六个月时tn去除率为79.3～88.9％，表明该水质提升装置具有较长的有效期。
63.(2)再次使用：在6个月后，将水质提升装置打开，取出其中的固体复合碳源，清洗后按照制备例1中的步骤4重新负载营养物质，而后再装载到水质提升装置中，再次用于废水的同步硝化和反硝化脱氮处理(步骤同初次使用)。经测，第一个月时tn去除率为87.4～91.2％，第六个月时tn去除率为77.0～84.8％，表明固体复合碳源在重复使用时，仍能维持较好的功能。
64.实施例2将制备例2获得的固体复合碳源装载到水质提升装置中，水质提升装置的结构同实施例1。
65.采用本实施例的水质提升装置进行废水的同步硝化和反硝化脱氮处理，废水来源同实施例1，具体步骤如下：(1)初次使用：按照每5m2一个的投放量，将水质提升装置投放到微生物处理池中，将待处理的废水通入微生物处理池，期间维持进水的ph为7.8～8.2，水温为24～26℃，溶解氧(do)含量为0.5～0.6mg/l，水力停留时间为5h，每天运行2个周期，监测出水tn值。从tn去除率稳定后1周开始计时，第一个月时tn去除率为87.3～92.3％，第六个月时tn去除率为82.6～88.2％，表明该水质提升装置具有较长的有效期。
66.(2)再次使用：在6个月后，将水质提升装置打开，取出其中的固体复合碳源，清洗后按照制备例2中的步骤4重新负载营养物质，而后再装载到水质提升装置中，再次用于废
水的同步硝化和反硝化脱氮处理(步骤同初次使用)。经测，第一个月时tn去除率为84.8～90.7％，第六个月时tn去除率为80.3～85.9％，表明固体复合碳源在重复使用时，仍能维持较好的功能。
67.实施例3将制备例3获得的固体复合碳源装载到水质提升装置中，水质提升装置的结构同实施例1。
68.采用本实施例的水质提升装置进行废水的同步硝化和反硝化脱氮处理，废水来源同实施例1，具体步骤如下：(1)初次使用：按照每5m2一个的投放量，将水质提升装置投放到微生物处理池中，将待处理的废水通入微生物处理池，期间维持进水的ph为7.8～8.2，水温为24～26℃，溶解氧(do)含量为0.5～0.6mg/l，水力停留时间为5h，每天运行2个周期，监测出水tn值。从tn去除率稳定后1周开始计时，第一个月时tn去除率为86.0％～90.1％，第六个月时tn去除率为80.2～86.4％，表明该水质提升装置具有较长的有效期。
69.(2)再次使用：在6个月后，将水质提升装置打开，取出其中的固体复合碳源，清洗后按照制备例3中的步骤4重新负载营养物质，而后再装载到水质提升装置中，再次用于废水的同步硝化和反硝化脱氮处理(步骤同初次使用)。经测，第一个月时tn去除率为85.5～90.5％，第六个月时tn去除率为76.2～85.0％，表明固体复合碳源在重复使用时，仍能维持较好的功能。
70.对比例1将制备例4获得的固体复合碳源装载到水质提升装置中，水质提升装置的结构同实施例1。
71.采用本对比例的水质提升装置进行废水的同步硝化和反硝化脱氮处理，废水来源和具体步骤同实施例1。经测，在初次使用时，第一个月的tn去除率为68.0～74.9％，第六个月的tn去除率为24.6～27.8％。
72.相较于实施例1而言，对比例1的tn去除率明显降低，说明本发明所使用的固体复合碳源中，利用开关聚合物的温度和ph响应特性，能够提高营养物质的负载量，并实现较好的缓释效果。这是由于：在负载营养物质时的ph和温度下，开关聚合物自由端的吡啶基团带正电，且聚n-异丙基丙烯酰胺分子链收缩，使多孔缓释载体上的孔道开放，营养物质能够较快地负载到多孔缓释载体内；在进行水处理(同步硝化和反硝化脱氮)时的ph和温度下，吡啶基团不带电，聚n-异丙基丙烯酰胺分子链伸展，封闭多孔缓释载体上的孔道，从而使营养物质在水质提升装置使用时能够缓慢释放。
73.对比例2将制备例5获得的固体复合碳源装载到水质提升装置中，水质提升装置的结构同实施例1。
74.采用本对比例的水质提升装置进行废水的同步硝化和反硝化脱氮处理，废水来源和具体步骤同实施例1。经测，在初次使用时，第一个月的tn去除率为84.7～88.2％，第六个月的tn去除率为66.7～73.4％。
75.相较于实施例1而言，对比例2的tn去除率明显降低，说明在开关聚合物的自由端掺杂4-乙烯基吡啶，能够提高固体复合碳源使用时的水处理效率。这是由于：在负载营养物
质时的ph下，吡啶基团中的氮原子带正电，能够在开关聚合物分子链之间产生静电排斥力，促进开关聚合物分子链之间解缠，因而能够提高营养物质的负载量；并且，在水处理时的ph下，吡啶基团中的氮原子不带电，不会在开关聚合物分子链之间产生静电排斥作用，因而不会对营养物质的缓释效果产生过度影响。
76.对比例3将制备例6获得的固体复合碳源装载到水质提升装置中，水质提升装置的结构同实施例1。
77.采用本对比例的水质提升装置进行废水的同步硝化和反硝化脱氮处理，废水来源和具体步骤同实施例1。经测，在初次使用时，第一个月的tn去除率为76.0～78.6％，第六个月的tn去除率为37.9～44.3％。
78.相较于实施例1而言，对比例3的tn去除率明显降低，说明在固体复合碳源上，将4-乙烯基吡啶掺杂在开关聚合物的自由端而非中间，能够提高其使用时的水处理效率。这是由于：将4-乙烯基吡啶掺杂在开关聚合物的自由端，能够避免在负载营养物质时，开关聚合物分子链内部存在静电排斥力而阻碍分子链收缩，因而能提高营养物质的负载量。
79.本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
80.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种分层负载固体复合碳源和悬浮填料的水质提升装置，其特征在于，包括内球笼和外球笼；所述内球笼设置在外球笼中，内球笼和外球笼上均分布有若干通孔，且内球笼和外球笼均为可开闭球体；所述内球笼中装载有固体复合碳源；所述内球笼与外球笼之间装载有悬浮填料；所述固体复合碳源包括多孔缓释载体、负载在多孔缓释载体内的营养物质和接枝在多孔缓释载体外的开关聚合物；所述开关聚合物的两端分别为自由端和固定端；所述固定端为聚n-异丙基丙烯酰胺，接枝在多孔缓释载体上。2.如权利要求1所述的水质提升装置，其特征在于，所述开关聚合物的自由端为n-异丙基丙烯酰胺与4-乙烯基吡啶的共聚物。3.如权利要求2所述的水质提升装置，其特征在于，所述固体复合碳源的制备方法包括以下步骤：（1）将-coc(ch3)2br基团接枝到多孔缓释载体的表面，获得溴化多孔缓释载体；（2）将溴化多孔缓释载体、聚合反应催化剂、配体和溶剂iii混合后，在惰性气体保护下，加入n-异丙基丙烯酰胺，在30~40℃下反应2~2.5h后，再加入4-乙烯基吡啶，继续在30~40℃下反应15~20min，分离出产物，获得营养缓释载体；（3）将营养物质配制成溶液后，调节ph至不高于4.2，升温至不低于38℃，将营养缓释载体加入到其中，将温度维持在不低于38℃进行浸渍，而后调节ph至不低于5.0，并降温至不高于30℃，分离出产物，获得固体复合碳源。4.如权利要求3所述的水质提升装置，其特征在于，步骤（2）中，所述溴化多孔缓释载体、n-异丙基丙烯酰胺和4-乙烯基吡啶的质量比为1:1.5~2.0:0.1~0.2。5.如权利要求3所述的水质提升装置，其特征在于，步骤（1）的具体过程包括以下步骤：（1.1）利用多孔缓释载体表面的羟基，将氨基硅烷偶联剂接枝到多孔缓释载体表面；（1.2）以氨基化多孔缓释载体和2-溴异丁酰溴为原料，进行氨基与2-溴异丁酰溴之间的取代反应，获得溴化多孔缓释载体。6.如权利要求1所述的水质提升装置，其特征在于，所述多孔缓释载体的制备方法包括以下步骤：向填料混合物中加入水玻璃溶液，所述填料混合物包括粉煤灰、高岭土和沸石粉，混匀后，造粒成型，焙烧，获得多孔缓释载体。7.如权利要求1所述的水质提升装置，其特征在于，所述营养物质按重量份计，包括以下组分：聚羟基丁酸戊酸酯25~35份，醋酸酯淀粉65~75份，丁酸15~25份，mnso
4 4~8份，mgso
4 4~8份，znso
4 2~5份，cuso
4 0.01~0.05份， ki 0.2~0.4份，cacl
2 0.01~0.03份。8.如权利要求1所述的水质提升装置，其特征在于，所述内球笼是由内上球笼和内下球笼构成的可开闭球体，所述外球笼是由外上球笼和外下球笼构成的可开闭球体；所述外上球笼和外下球笼之间设有环状的上隔网和下隔网；所述上隔网的外环侧和内环侧分别与外上球笼内壁和内上球笼外壁相连；所述下隔网的外环侧和内环侧分别与外下球笼内壁和内下球笼外壁相连。9.如权利要求1~8之一所述水质提升装置在微生物水处理中的应用。10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：将水质提升装置投入到水处理装置中，挂膜后，进行水处理，在所述挂膜和水处理过程中，控制温度不高于30℃，ph不低于5.0；当水处理效率下降时，取出水质提升装置内的固体复合碳源，按照步骤（3）重新负载营养物质，再装入水质提升装置中，再次投入到水处理装置中用于水处理。

技术总结
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种分层负载固体复合碳源和悬浮填料的水质提升装置及其应用。该水质提升装置包括内球笼和外球笼；内球笼设在外球笼中，内、外球笼上均分布有若干通孔，且均为可开闭球体；内球笼中装载有固体复合碳源；所述内球笼与外球笼之间装载有悬浮填料；固体复合碳源包括多孔缓释载体、负载在多孔缓释载体内的营养物质和接枝在多孔缓释载体外的开关聚合物；开关聚合物的两端分别为自由端和固定端；固定端为聚N-异丙基丙烯酰胺，接枝在多孔缓释载体上。本发明的水质提升装置能够充分集成悬浮填料和固体复合碳源的功能，提高挂膜速度和水处理效率；并且，其中的固体复合碳源能够重复使用，且具有较好的营养缓释效果。营养缓释效果。营养缓释效果。


技术研发人员：邓美玲
受保护的技术使用者：亚汇水处理（重庆）有限责任公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/22