CN108083452A - 一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体。系统分隔两区，一区布置固相载体，二区布置塑料载体，两区的体积比为6/4~8/2。其中，固相载体成分为：70~80%果皮材料和20~30%改性贻贝壳。果皮材料提供异养反硝化菌所需的碳源和硫自养反硝化所需的硫元素，采用异养与硫自养反硝化协同处理NO3‑‑N废水，弥补各自反应过程中存在的缺陷。有益效果为：系统基于固相载体缓释碳源和硫源，物理和化学吸附能力好，挂膜速度快，利用异养与硫自养反硝化协同处理NO3‑‑N废水，弥补各自反应过程中存在的缺陷，水力停留时间短，污泥产量少，硝酸盐的去除率高的异养与硫自养集成固相反硝化系统。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体是一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体。
背景技术
硫自养反硝化技术作为一种具有代表性的自养反硝化技术，最初因解决传统反硝化很难处理的污废水时而产生，随着技术的发展，硫自养反硝化技术特点日益得到展现。硫自养反硝化技术指某些微生物在缺氧或厌氧条件下利用还原态硫（H2S、S2-、S2O3 2-、S0）为自养反硝化提供电子的技术，该技术已逐渐被应用于处理低含氮的被污染水体，如地下水、市政污水、工业废水以及饮用水等。具体反应式为：
1.10S+NO3 -+0.76H2O+0.40CO2+0.08NH4 +→0.08C5H7O2N+0.50N2+1.10SO4 2-+1.28H+ （1）
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如上式所示，硫自养反硝化技术产酸量大，碱度消耗大，产生大量的硫酸盐，增加水体发生黑臭风险。同时，硫自养反硝化技术适用于低浓度硝酸盐水体，不适用于高浓度硝酸盐水体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于固相载体缓释碳源和硫源物理和化学吸附能力好，挂膜速度快，利用异养与硫自养反硝化协同处理NO3--N废水，弥补各自反应过程中存在的缺陷，水力停留时间短，污泥产量少，硝酸盐的去除率高的异养与硫自养集成固相反硝化系统。
本发明针对背景技术中提到的问题，采取的技术方案为：一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体。系统分隔两区，一区布置固相载体，二区布置塑料载体，两区的体积比为6/4~8/2，两区的底部均设置有曝气盘；
其中，固相载体成分为：70~80%硫含量大于1%，不可溶纤维素含量50%以上的果皮材料和20~30%改性贻贝壳。上述固相载体具有发达的孔隙结构，为异养反硝化菌和硫自养反硝化菌菌群提供避免流体剪切力的“居住区域”，快速形成一层凝胶状生物膜。果皮材料提供异养反硝化菌所需的碳源和硫自养反硝化所需的硫元素，采用异养与硫自养反硝化协同处理NO3--N废水，弥补各自反应过程中存在的缺陷。异养反硝化产生碱与硫自养反硝化产生的酸酸碱中和，降低污泥产量；硫自养反硝化产生的碳源可被异养反硝化利用，降低成本，提高工作效率，缩短水力停留时间，提高水体中硝酸盐的去除率。固体载体的物理化学吸附效果好，起到富集硝酸盐的作用，提高异养反硝化菌和硫自养反硝化菌对硝酸盐的吸收利用率，并且固体载体中的钙元素可去除水体中的硫酸根离子，提高水质。
一区溶解氧不高于1.5mg/L-2.0mg/L，二区溶解氧不低于2.0mg/L。通过控制溶解氧水平，驯化培养具有高效反硝化性能的异养与硫自养集成固相反硝化系统。
二区塑料载体为堆积型填料。一区固相载体的加入量为15~30g/L，在一区固相载体中投加功能性细菌，系统运行期间，脱氮效果低于50%，更换新鲜载体，更换比例为40~60%。上述系统稳定后进出水pH差异在±0.1以内，水体中硝氮的去除率达96%以上，出水有机物虽然起初在一区出水略高，但经二区控制后，出水有机物含量小于<1.0mg/L。通过分子生物技术可在一区固相载体生物膜鉴定出含量较高的异氧反硝化菌（如Bosea、Acidovorax、 Simplicispira、Dechloromonas等菌群）和硫自养反硝化菌（如Thiothrix）。
功能性细菌从城市生活污水中筛选得到，具体操作为：
1）将10ml城市生活污水加入到100ml SM富集培养液中，30℃, 130r/min培养，每天吸取10ml培养液加入到新鲜的SM富集培养液，连续培养7d。接种环沾取富集培养液于SM固体培养基上划线，30℃下培养3d。挑取培养基上菌落在SM固体培养基上多次划线培养，直至获得纯的单菌落；
2）将得到的纯培养物分别划线接种于BTB培养基，30℃培养24h挑取能使BTB培养基由绿变蓝的菌落得到反硝化细菌；
3）重复步骤1）的操作，获得纯的单菌落；
4）将纯化得到的菌株接种至含有100mL脱氮除硫培养基的灭菌锥形瓶中，同时以未接种培养基作为空白对照，30℃下培养2d测定培养前后培养液中的NO3 --N及S2-的含量，以空白对照的结果进行校正，然后计算NO3 --N及S2-的去除率，脱氮除硫率高的菌株即为硫自养反硝化菌。城市污水中的细菌已适应污水中的环境，对污水中的硝态氮的分解利用能力强。
果皮材料的制备步骤为：将硫含量大于1%，不可溶纤维素含量50%以上的果皮粉碎，过50~200目筛后于0.5~2.0mol/L氢氧化钠溶液中浸泡12~48h，洗涤至中性，干燥后加入改性贻贝壳粉末，混合均匀后机械加工成固定形状。采用低浓度氢氧化钠溶液浸泡果皮，可除去一部分可溶性有机物并能提高异养反硝化细菌对碳源的利用率和硫自养反硝化菌对硫源的利用率。
改性贻贝壳的制备方法为：
1）将贻贝壳清洗干净，于0.1~0.3mol/L的 NaOH溶液中静置10~12 h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，再浸没在2~5%的稀H2SO4溶液中10~12 h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，于120℃下烘干2~3 h，得干燥贻贝壳，备用；
2）将步骤1）制得的贻贝壳置于盐度为20~30‰的盐溶液中，经超声波震荡2~4h后，于120℃下烘干2~3 h，得干燥贻贝壳，备用；
3）将步骤2）制得的贻贝壳高温焙烧，高温焙烧为：100~120℃煅烧5~10min；400~500℃煅烧10~15min；1000~1200℃煅烧30~40min；700~750℃煅烧10~20min；600~650℃煅烧10~20min；400~450℃煅烧10~20min；200~250℃煅烧10~20min。焙烧结束后于干燥环境中冷却至室温，得到改性贻贝壳。相对于未改性之前，改性贻贝壳的比表面积呈指数倍增长，物理吸附和化学吸附功能均明显提高，机械强度较好的碳骨架起到支撑的作用。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：在高温焙烧前，将贻贝壳研磨粉碎，过20~50目筛，加入0.1~0.4%的硅酸盐类物质和0.0002~0.0007%苯胺-2,4-双磺酸，高温焙烧，焙烧结束后于干燥环境中冷却至室温，得到改性贻贝壳。高温焙烧为：100℃煅烧10min；450℃煅烧15min；1000℃煅烧40min；700℃煅烧15min；650℃煅烧15min；400℃煅烧10min；200℃煅烧20min。硅酸盐类物质和苯胺-2,4-双磺酸的添加可提高贻贝壳的孔隙率，提高贻贝壳的物理和化学吸附能力和提高生物膜的比表面积。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明固相载体具有发达的孔隙结构，挂膜速度快。果皮材料提供异养反硝化菌所需的碳源和硫自养反硝化所需的硫元素，采用异养与硫自养反硝化协同处理NO3--N废水，弥补各自反应过程中存在的缺陷。异养反硝化产生碱与硫自养反硝化产生的酸酸碱中和，降低污泥产量；硫自养反硝化产生的碳源可被异养反硝化利用，降低成本，提高工作效率，缩短水力停留时间，提高水体中硝酸盐的去除率。固体载体的物理化学吸附效果好，起到富集硝酸盐的作用，提高异养反硝化菌和硫自养反硝化菌对硝酸盐的吸收利用率，并且固体载体中的钙元素可去除水体中的硫酸根离子，提高水质。系统稳定后进出水pH差异在±0.1以内，水体中硝氮的去除率达96%以上。
附图说明
图1为本发明实施例3异养与硫自养集成固相反硝化系统图。
附图标记说明：1一区曝气池；2固相载体；3一区曝气盘；4泵一；5泵二；6二区曝气池；7塑料填料；8二区曝气盘；→水流方向。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明方案作进一步说明：
实施例1：
一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体，系统分隔两区，一区布置固相载体，二区布置塑料载体，两区的体积比为6/4，两区的底部均设置有曝气盘，一区溶解氧为1.0mg/L，二区溶解氧为2.8mg/L，通过控制溶解氧水平，驯化培养具有高效反硝化性能的异养与硫自养集成固相反硝化系统。固相载体成分为：80%榴莲果皮和20%改性贻贝壳。
二区塑料载体为堆积型填料。一区固相载体的加入量为25g/L，在一区固相载体中投加功能性细菌，系统运行期间，脱氮效果低于50%，更换新鲜载体，更换比例为50%。
果皮材料的制备步骤为：将榴莲果皮粉碎，过100目筛后于1.0mol/L氢氧化钠溶液中浸泡24h，洗涤至中性，干燥后加入改性贻贝壳粉末，混合均匀后机械加工成固定形状。
改性贻贝壳的制备方法为：
1）将贻贝壳清洗干净，于0.2mol/L的 NaOH溶液中静置12 h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，再浸没在4%的稀H2SO4溶液中10h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，于120℃下烘干2.5 h，得干燥贻贝壳，备用；
2）将步骤1）制得的贻贝壳置于盐度为25‰的盐溶液中，经超声波震荡3h后，于120℃下烘干2.5 h，得干燥贻贝壳，备用；
3）将步骤2）制得的贻贝壳研磨粉碎，过230目筛，高温焙烧，焙烧结束后于干燥环境中冷却至室温，得到改性贻贝壳。高温焙烧为：100℃煅烧10min；400℃煅烧15min；1200℃煅烧30min；700℃煅烧20min；650℃煅烧15min；400℃煅烧10min；250℃煅烧10min。
实施例2：
一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体。系统分隔两区，一区布置固相载体，二区布置塑料载体，两区的体积比为6/4，两区的底部均设置有曝气盘，一区溶解氧为1.2mg/L，二区溶解氧为2.5mg/L，通过控制溶解氧水平，驯化培养具有高效反硝化性能的异养与硫自养集成固相反硝化系统。固相载体成分为：80%榴莲果皮和20%改性贻贝壳。
二区塑料载体为堆积型填料。一区固相载体的加入量为25g/L，在一区固相载体中投加功能性细菌，系统运行期间，脱氮效果低于50%，更换新鲜载体，更换比例为50%。
果皮材料的制备步骤为：将榴莲果皮粉碎，过100目筛后于1.0mol/L氢氧化钠溶液中浸泡24h，洗涤至中性，干燥后加入改性贻贝壳粉末，混合均匀后机械加工成固定形状。
改性贻贝壳的制备方法为：
1）将贻贝壳清洗干净，于0.2mol/L的 NaOH溶液中静置12 h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，再浸没在4%的稀H2SO4溶液中10h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，于120℃下烘干2.5 h，得干燥贻贝壳，备用；
2）将步骤1）制得的贻贝壳置于盐度为25‰的盐溶液中，经超声波震荡3h后，于120℃下烘干2.5 h，得干燥贻贝壳，备用；
3）将步骤2）制得的贻贝壳研磨粉碎，过230目筛，加入0.3%的硅酸盐类物质和0.0005%苯胺-2,4-双磺酸，高温焙烧，焙烧结束后于干燥环境中冷却至室温，得到改性贻贝壳。高温焙烧为：100℃煅烧10min；450℃煅烧15min；1000℃煅烧40min；700℃煅烧15min；650℃煅烧15min；400℃煅烧10min；200℃煅烧20min。
实施例3：
一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体。系统分隔两区，一区布置固相载体，二区布置塑料载体，两区的体积比为8/2，两区的底部均设置有曝气盘，一区溶解氧为1.2mg/L，二区溶解氧为2.5mg/L，通过控制溶解氧水平，驯化培养具有高效反硝化性能的异养与硫自养集成固相反硝化系统。固相载体成分为：70%榴莲果皮和30%改性贻贝壳。
二区塑料载体为堆积型填料。一区固相载体的加入量为25g/L，在一区固相载体中投加功能性细菌，系统运行期间，脱氮效果低于50%，更换新鲜载体，更换比例为50%。
果皮材料的制备步骤为：将榴莲果皮粉碎，过100目筛后于1.0mol/L氢氧化钠溶液中浸泡24h，洗涤至中性，干燥后加入改性贻贝壳粉末，混合均匀后机械加工成固定形状。
改性贻贝壳的制备方法为：
1）将贻贝壳清洗干净，于0.2mol/L的 NaOH溶液中静置12 h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，再浸没在4%的稀H2SO4溶液中10h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，于120℃下烘干2.5 h，得干燥贻贝壳，备用；
2）将步骤1）制得的贻贝壳置于盐度为25‰的盐溶液中，经超声波震荡3h后，于120℃下烘干2.5 h，得干燥贻贝壳，备用；
3）将步骤2）制得的贻贝壳研磨粉碎，过230目筛，加入0.3%的硅酸盐类物质和0.0005%苯胺-2,4-双磺酸，高温焙烧，焙烧结束后于干燥环境中冷却至室温，得到改性贻贝壳。高温焙烧为：100℃煅烧10min；450℃煅烧15min；1000℃煅烧40min；700℃煅烧15min；650℃煅烧15min；400℃煅烧10min；200℃煅烧20min。
实施例4：
如图1所示，本发明装置包括一区曝气池1，设置在一区曝气池1底部的一区曝气盘3和位于曝气盘3之上的固相载体2；二区曝气池6，设置在二区曝气池6底部的二区曝气盘8和位于二区曝气盘8之上的塑料填料7。污水通过泵一4自下而上进入一区曝气池1，固相载体2对水体进行物理、化学和生物净化。净化后的水通过泵二5自下而上进入二区曝气池6，塑料填料7对水体进一步净化后从上部流出二区曝气池6。
实施例5：
参照国家标准《水质.亚硝氮和硝态氮以及通过通量分析(CFA和FIA)的测定.光谱测定》（NF T90-012-1996（R2002）），测定实施例1、2和3异养与硫自养集成固相反硝化系统处理前后受氮污染水体中硝态氮含量，测定结果如表1所示：
表1
| 处理前水体中硝态氮含量/mg/L | 处理前水体中硝态氮含量/mg/L | 除硝态氮率/% | |
| 实施例1 | 15.0 | 1.32 | 91.20 |
| 实施例2 | 15.0 | 0.25 | 98.33 |
| 实施例3 | 15.0 | 0.53 | 96.47 |
由表1可知，本发明异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体的效果好，对系统硝氮去除率均达90%以上。特别是“在高温焙烧前，将贻贝壳研磨粉碎，过20~50目筛，加入0.1~0.4%的硅酸盐类物质和0.0002~0.0007%苯胺-2,4-双磺酸，高温焙烧，焙烧结束后于干燥环境中冷却至室温，得到改性贻贝壳。高温焙烧为：100℃煅烧10min；450℃煅烧15min；1000℃煅烧40min；700℃煅烧15min；650℃煅烧15min；400℃煅烧10min；200℃煅烧20min。”统硝氮去除率高达98%以上，具有较好的市场前景。
本发明的操作步骤中的常规操作为本领域技术人员所熟知，在此对不进行赘述。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体，其特征在于：所述的系统分隔两区，一区布置固相载体，二区布置塑料载体，两区的体积比为6/4~8/2，两区的底部均设置有曝气盘；
其中，固相载体成分为：70~80%硫含量大于1%，不可溶纤维素含量50%以上的果皮材料和20~30%改性贻贝壳。
2.根据权利要求1所述的一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体，其特征在于：所述的一区溶解氧不高于1.5mg/L-2.0mg/L，二区溶解氧不低于2.0mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体，其特征在于：所述的二区塑料载体为堆积型填料。
4.根据权利要求1所述的一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体，其特征在于：所述的一区固相载体的加入量为15~30g/L，在所述一区固相载体中投加功能性细菌，系统运行期间，脱氮效果低于50%，更换新鲜载体，更换比例为40~60%。
5.根据权利要求1所述的一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体，其特征在于：所述的果皮材料的制备步骤为：将硫含量大于1%，不可溶纤维素含量50%以上的果皮粉碎，过50~200目筛后于0.5~2.0mol/L氢氧化钠溶液中浸泡12~48h，洗涤至中性，干燥后加入改性贻贝壳粉末，混合均匀后机械加工成固定形状。
6.根据权利要求1所述的一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体，其特征在于：所述的改性贻贝壳的制备方法为：
1）将贻贝壳清洗干净，于NaOH溶液中静置10~12h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，再浸没在稀H2SO4溶液中10~12h，取出，用蒸馏水洗涤至中性，于120℃下烘干2~3h，得干燥贻贝壳，备用；
2）将步骤1）制得的贻贝壳置于盐溶液中，经超声波震荡后，于120℃下烘干2~3h，得干燥贻贝壳，备用；
3）将步骤2）制得的贻贝壳高温焙烧，焙烧结束后于干燥环境中冷却至室温，得到改性贻贝壳。
7.根据权利要求6所述的一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体，其特征在于：所述的NaOH溶液浓度为0.1~0.3mol/L，稀H2SO4溶液浓度为2~5%，盐溶液盐度为20~30‰，超声波振荡时间为2~4h。
8.根据权利要求6所述的一种异养与硫自养集成固相反硝化系统处理高硝酸盐水体，其特征在于：所述的高温焙烧为：100~120℃煅烧5~10min；400~500℃煅烧10~15min；1000~1200℃煅烧30~40min；700~750℃煅烧10~20min；600~650℃煅烧10~20min；400~450℃煅烧10~20min；200~250℃煅烧10~20min。
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