CN103304042A - 一种利用木薯酒精废水制备快速外加碳源的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种利用木薯酒精废水制备快速外加碳源的方法。本发明的利用木薯酒精废水碳水化合物含量高，氮磷含量相对低的特性，通过控制木薯酒精废水的厌氧发酵关键因素，反应温度和pH，达到将有机质最大程度的转化为挥发性脂肪酸的目的，发酵液的挥发酸含量（以COD计）占SCOD比例达到70%~80%，主要组分为乙酸、丙酸和丁酸。与污泥水解酸化碳源相比，发酵液所含挥发性脂肪酸浓度高，且发酵液氮磷含量低，发酵液可以直接用作城市污水处理脱氮除磷的外加碳源。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种利用木薯酒精废水制备快速反硝化碳源的方法。
背景技术
目前，全球越来越多的国家地表及地下水体受到严重的硝酸盐污染，水体富营养化时常发生，而且人们的饮用水源多为地下水及地表水，因此这在很大程度上威胁了人们的饮水安全。人体长期摄入过量的硝酸盐会引起高铁血红蛋白症，甚至癌症。目前，去除水体中的硝态氮有很多种方法，例如：离子交换法、反渗透法及生物脱氮法等等。在众多脱氮方法中，生物脱氮因其安全、高效、低成本等优势最受关注。
生物脱氮是在反硝化微生物的作用下将硝酸根逐步还原为氮气的过程（NO3 -→NO2 -→NO→N2O→N2），该过程是在一系列的酶解反应下进行的（见文献Process Biochemistry , 2006, 41:1289–1295）。在整个脱氮过程中，硝态氮作为电子受体需要有机碳向其提供电子，但是由于碳源不足，造成反硝化效果不理想。长久以来，为了提高反硝化的效果，人们常添加甲醇、乙酸等液态碳源作为补充碳源。这些碳源具有快速释放且易于被微生物利用等优点，但它存在成本较高，有一定的毒性等问题。
挥发性脂肪酸（VFA）具有反硝化效率高，容易被微生物利用，且容易通过有机废水或污泥等有机质厌氧发酵获得等优点，更适合作为城市污水厂和工业废水脱氮除磷的外加碳源。最近几年，有报道表明剩余污泥酸化发酵液可以用作污水厂补充碳源，但是存在发酵液含有较高浓度的氨氮及磷需要进一步预处理，同时污泥酸化产生的碳源不足以供给污水厂所需的外碳源。直接利用工业废水提供碳源存在废水水质不稳定，容易导致出水COD偏高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用木薯酒精废水制备快速反硝化碳源的方法。本发明利用一种高碳氮比有机废水：木薯酒精废水作为优质快速反硝化碳源（主要成分是挥发性脂肪酸）的发酵基质，为反硝化外加碳源提供一种新类型，也为木薯酒精废水提供一条新的资源化利用途径。
本发明操作方便，在中温/高温条件下，只需将木薯酒糟废水调节至碱性，厌氧条件下发酵3d，即可得到含VFA含量约70%~80%的发酵液，作为脱氮除磷的高效外加碳源。
本发明提出的利用木薯酒精废水制备快速反硝化碳源的方法，具体步骤如下：
将木薯酒精废水与接种污泥按比例混合，在一定温度下，控制混合液的pH值为8-9，低速搅拌条件下厌氧发酵3天，即得到含VFA含量为70%~80%的发酵液，作为脱氮除磷的高效外加碳源，VFA的主要组成为乙酸、丙酸和正丁酸，其所占比例分别为36%、20%和40%；其中：木薯酒精废水与颗粒污泥体积比为9:1~6:1。
本发明中，所述木薯酒精废水采用酒精厂蒸馏出水分离的上清液，SCOD为36-44g/L，碳水化合物含量为,8-12g/L，蛋白质含量为4-5g/L，乳酸含量为7-9g/L。
本发明中，接种污泥采用颗粒污泥，颗粒污泥的TS为177g/L，VS为112g/L；接种污泥浓度VSS为10~13g/L；
本发明中，所述反应温度为中温30-40oC或高温52-60oC。
本发明中，每隔12h，用NaOH或其他碱性溶液调节混合液pH值为8-9。
本发明中，搅拌速度100~120r/min。
本发明提供的方法可以大大提高有机质转化为挥发酸的含量。发酵结束后，发酵液中VFA占SCOD的比例约为70%~80%，组分中以乙酸，丙酸和正丁酸为主要产物，其占VFA的比例分别约为36%，20%和40%。
本发明的有益效果是：
(1) 为生物法脱氮除磷处理城镇废水和工业废水提供了一种获得优质的快速外加碳源的工艺方法，此工艺方法产生的发酵液中VFA的含量可达到70%~80%。
(2) 提供了一条资源化利用木薯酒糟废水的新途径，避免了资源的浪费并减轻其对环境的污染。
附图说明
图1 不同发酵温度对挥发酸浓度的影响。
图2 不同pH控制方式对木薯酒精废水厌氧产酸的影响。
具体实施方式
下面结合一些发酵实例对此工艺方法进行说明。
实施例1
以木薯酒精废水为基质，取270mL上述基质，接种30mL颗粒污泥，调节初始pH为9，转速为120r/min的搅拌条件下，分别置于35oC和55oC条件下，厌氧发酵48h，静置半小时后倒出上层液体270mL，并加入等体积的新鲜木薯酒精废水，调节初始pH=9，其他发酵条件同上，继续发酵48h，按照如此操作重复进行五批实验。每批实验取样测定VFA浓度，SCOD等。结果显示，高温条件下比中温条件下VFA的总量稍有提高，并且高温条件下正丁酸和乙酸的含量较高。以木薯酒精废水为基质时，考虑到高温条件耗能和运行不稳定性，建议选择中温发酵条件。
实施例2
取木薯酒精废水360mL，接种40mL颗粒污泥，调节初始pH=8，置于转速为120r/min的水浴摇床中，保持中温条件下厌氧发酵3d，挥发酸的含量可达到9.5gCOD/L, 占SCOD的27%。挥发酸以正丁酸，乙酸和丙酸为主要组成，其中乙酸512mg/L,丙酸764mg/L，正丁酸7121mg/L，优质碳源含量（丙酸+乙酸含量）达到24%。
实施例3
按照实施例2相同的基质与接种污泥条件，调节初始发酵pH=9，（中温条件下35oC），厌氧发酵3d后，挥发酸的含量可达到12.2g/L，其中乙酸2084mg/L, 丙酸958mg/L，正丁酸7860mg/L，优质碳源量（丙酸+乙酸含量）达到46%。总挥发酸含量（以COD计）占SCOD的38%。
实施例4
以木薯酒精废水为基质，在和实施例2中的基质与颗粒污泥量相同的条件下，将pH的调整频率调整为每隔12h将pH调节至pH=8，保持转速和发酵温度与实例2一致，厌氧发酵3d后，挥发酸总量可达到18.6gCOD/L, 占SCOD的64%左右。挥发酸乙酸，正丁酸和丙酸为主要成分，其中乙酸7532mg/L，丙酸4980mg/L，正丁酸5502mg/L，并有少量的异丁酸和异戊酸，丙酸和乙酸的含量占总挥发酸的43%，挥发酸总量比实例2中仅调节初始pH提高了近1倍。
实施例5
以木薯酒精废水为基质，除了将pH调整策略改变为每隔12h将pH调节至pH=9外，其他条件保持与实例3相同，厌氧发酵3d后，挥发酸总量可以达到24.4g/L，占SCOD的72%。其中乙酸8902mg/L，丙酸4847 mg/L, 正丁酸9763 mg/L，乙酸和丙酸的含量占总挥发酸含量的56%。同样的，挥发酸总量相比实例3中近调节初始pH为9提高了1倍。
实施例6
以木薯酒精废水为基质，将实施例5中的发酵液作为外加碳源，投加量为300mgCOD/L，用于城市污水的脱氮除磷，并和乙酸钠作为碳源时进行对比，得到总氮去除率分别为73.2±2.6%和62.6±3.5%，总磷去除率分别为64.6±7.3%和58.3±8.1%；由此可见木薯酒精废水发酵液可以作为高效的外加碳源用于城市污水的脱氮除磷。
图1为实施例1中，木薯酒精废水在不同发酵温度下的VFA总量及组成图，由于污泥不断的驯化，两种发酵温度下VFA产量均有所上升，且高温条件要稍高于低温条件。两种条件下乙酸，丙酸和正丁酸为主要的VFA组成，不同的是高温条件下正丁酸和乙酸的含量较高。图2为不同的pH控制策略下，木薯酒精废水厌氧发酵3天的产酸结果，其中仅调节初始pH为8和9的结果对应实施例2和3，间隔调节pH至8和9的结果对应实施例4和5。从图中可以看出，无论调节pH为8或9，将pH调节方式由仅调节初始pH改为每隔12小时调回设定值，VFA的产量可以提高约1倍。VFA的组成由正丁酸为主转变为以乙酸，丙酸和正丁酸为主。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用木薯酒精废水制备快速反硝化碳源的方法，其特征在于具体步骤如下：
将木薯酒精废水与接种污泥按比例混合，在一定温度下，控制混合液的pH值为8-9，低速搅拌条件下厌氧发酵3天，即得到含VFA含量为70%~80%的发酵液，作为脱氮除磷的高效外加碳源，VFA的主要组成为乙酸、丙酸和正丁酸，其所占比例分别为36%、20%和40%；其中：木薯酒精废水与颗粒污泥体积比为9:1~6:1。
2.根据权利要求1所述的利用木薯酒精废水制备快速反硝化碳源的方法，其特征在于所述木薯酒精废水采用酒精厂蒸馏出水分离的上清液，SCOD为36-44g/L，碳水化合物含量为,8-12g/L，蛋白质含量为4-5g/L，乳酸含量为7-9g/L。
3.根据权利要求1所述的利用木薯酒精废水制备快速反硝化碳源的方法，其特征在于接种污泥采用颗粒污泥，颗粒污泥的TS为177g/L，VS为112g/L；接种污泥浓度VSS为10~13g/L。
4.根据权利要求1所述的利用木薯酒精废水制备快速反硝化碳源的方法，其特征在于所述反应温度为中温30-40oC或高温52-60oC。
5.根据权利要求1所述的利用木薯酒精废水制备快速反硝化碳源的方法，其特征在于每隔12h，用NaOH或其他碱性溶液调节混合液pH值为8-9。
6.根据权利要求1所述的利用木薯酒精废水制备快速反硝化碳源的方法，其特征在于搅拌速度100~120r/min。
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