CN109264866B

CN109264866B - 一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法及应用

Info

Publication number: CN109264866B
Application number: CN201811054308.9A
Authority: CN
Inventors: 陶敏; 吕继良; 刘浩; 廖泽远; 张丽莉; 肖文胜; 张家泉
Original assignee: Hubei Polytechnic University
Current assignee: Hubei Polytechnic University
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2038-09-11
Also published as: CN109264866A

Abstract

本发明属于污水处理技术领域。目前大部分人工湿地存在脱氮效率不高的问题，针对现有技术中的问题，本发明公开了一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法，以湿地丢弃的湿地植物为原料，将其粉碎后微球化得到多孔的湿生植物纤维填料，然后再通过挂膜培养将微生物负载于湿生植物纤维填料上。该制备方法简单，通过该制备方法制备的湿生植物纤维填料可以持续缓慢地释放出碳源，大大强化人工湿地的脱氮能力，提高人工湿地的脱氮效率，且不会存在出水SS超标或COD超标的问题。

Description

一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种湿生植物纤维填料的制备方法及应用，具体涉及一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法及应用，属于污水处理技术领域。

背景技术

人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种污水生态处理工艺，它是由人工建造和控制运行的，将污水有控制地投配到人工建造的湿地上，污水沿一定方向流动的过程中，依靠土壤或人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水进行处理的一种技术。人工湿地具有处理效果好、适用面广、投资省、运行管理费用低等优点，目前已广泛应用于生活污水、工业污水、面源污染、垃圾渗滤液等污水处理以及受污染湖泊水体修复。人工湿地的作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。人工湿地单元由植物、微生物、填料及动物组成，各组成成分分别起着不同的作用，并且相互协同作用，使得整个人工湿地生态系统平衡运转，发挥良好的净化功能。

然而，当前运行的大部分人工湿地，虽然对总悬浮物、有机物的去除率较高，但由于湿地后端反硝化脱氮时碳源不足，导致反硝化细菌活性低，人工湿地的脱氮效率不高。

人工湿地强化脱氮措施主要有：湿地结构改进、运行方式优化、建立湿地组合系统、基质优选、植物筛选、微生物调控等。由于复合材料技术的快速发展，基质优选已成为人工湿地强化脱氮的重要措施。传统基质材料如土壤、火山岩、煤渣、红壤、砖块、海蛎壳、沸石、陶粒、卵石等并无碳源补充功能。为了对人工湿地进行碳源补充，可以采用天然、富含纤维素类的固体物质作为基质材料，如木屑、稻壳、香蒲、芦苇竿等；公开号为CN101525184A的发明专利公开了一种人工湿地有机碳源的补充方法，通过将树枝、木屑或植物秸秆中的一种或几种切碎成填料粒大小后直接加入人工湿地以补充有机碳源，该方法虽然在一定程度上可以提高人工湿地的脱氮效率，但由于直接埋设在人工湿地中的植物纤维粉末会随水流出，一方面由于人工湿地补充的碳源流失而导致脱氮效率不佳，另一方面还会引起出水中SS超标，此外，直接埋设的植物纤维粉末在后期的集中降解还会造成出水中COD超标。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法，以湿地丢弃的湿地植物为原料，将其磨粉后微球化得到多孔的湿生植物纤维填料，然后再通过挂膜培养将微生物负载于其上。该制备方法简单，通过该制备方法制备的湿生植物纤维填料应用于人工湿地时可以持续缓慢地释放出碳源，大大强化人工湿地的脱氮能力，提高人工湿地的脱氮效率，且不会存在出水SS超标或COD超标的问题。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法，包括以下步骤：

(1)湿生植物纤维粉末的制备

将收割的湿地湿生植物洗净烘干，用粉碎机粉碎后过100～300目筛，得到湿生植物纤维粉末；

(2)多孔湿生植物纤维填料的制备

称取质量比为1∶(0.1～1)的湿生植物纤维粉末和海藻酸钠，按每克混合物加入0.01～0.1L的蒸馏水，然后在20～80℃水浴加热下均匀搅拌，形成含湿生植物纤维的海藻酸钠溶液；再将该溶液缓慢滴入质量分数为1％～6％的氯化钙溶液中制得含水纤维微球，冷冻干燥，得多孔湿生植物纤维填料；

(3)负载微生物的湿生植物纤维填料的制备

将制得的多孔湿生植物纤维填料放入新鲜的活性污泥混合液中，按C∶N∶P比值为(80～160)∶5∶1加入葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等营养物，在间歇曝气条件下挂膜培养5-30天，得到负载微生物的湿生植物纤维填料，即为最终强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料。

作为优选方案，步骤(2)中所述的含湿生植物纤维的海藻酸钠溶液的滴加速率为：20～30滴/min。

作为优选方案，步骤(2)中所述的间歇曝气条件为：曝气量为0.1～1m³空气/h·m³混合液、停曝时间比为(10～30)min∶15min。

作为优选方案，所述的湿生植物为美人蕉、芦苇、菖蒲中的任意一种。

一种采用上述制备方法制得的强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料。

一种采用上述湿生植物纤维填料在人工湿地上的应用。

一种采用上述湿生植物纤维填料在人工湿地上的应用，将制得的强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料直接埋入湿地中，其中，对水平流湿地采取纵向分层布置，湿生植物纤维填料埋入湿地后端，对垂直流湿地采取水平分层布置，湿生植物纤维填料埋入湿地中层。

作为优选方案，所述强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料与传统填料也可进行混合，然后在湿地特定位置进行布置。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

(1)本发明以湿地丢弃的湿地植物为原料，将其磨粉后微球化得到多孔的湿生植物纤维填料，然后再通过挂膜培养将微生物负载于多孔的湿生植物纤维填料，最终得到强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料，本发明制备方法简单，通过本发明制备方法不仅可以制得具有强化人工湿地脱氮作用的湿生植物纤维填料，可以对作为固体废弃物的湿生植物的实现循环再利用。

(2)本发明制备的强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料，通过对湿生植物纤维的化学胶凝作用和负载微生物的生物降解作用，一方面湿生植物纤维因化学胶凝作用被负载微生物持续缓慢地降解而释放出碳源，另一方面负载微生物以湿生植物纤维所含的有机物、氮、磷等营养元素而保持较高生物降解活性，湿生植物纤维填料和负载微生物之间形成了显著的协同效应；从而有效保证了人工湿地反硝化脱氮所需的碳源，大大提高了人工湿地的脱氮效率，同时克服了植物纤维粉末直接埋设而引起的出水中SS超标(植物纤维粉末随水流流出)或COD超标(植物纤维粉末后期的集中降解)等问题。

(3)本发明针对不同类型人工湿地，选取湿地“缺碳”区域(垂直流人工湿地为湿地中部，水平流人工湿地为湿地后端)进行湿生植物纤维填料的埋设，可以实现人工湿地反硝化脱氮的“靶向”调控。

具体实施方式

下面通过实施例子，进一步阐述本发明的特点，但不对本发明的权利要求做任何限定。

实施例1：

(1)取人工湿地收割的湿生植物美人蕉，洗净、60℃烘干，用粉碎机粉碎后过100目筛，得到美人蕉纤维粉末；

(2)将美人蕉纤维粉末、海藻酸钠按1∶0.5的质量比混合均匀后，按每克混合物加入0.05L的蒸馏水，然后在60℃下水浴加热并均匀搅拌，形成含美人蕉纤维的海藻酸钠溶液；再将该溶液以30滴/min的速度滴入质量分数为1％的氯化钙溶液中，制得的含水纤维微球经冷冻干燥后，得到干燥多孔的美人蕉纤维填料；

(3)将步骤(2)中制得的多孔美人蕉纤维填料放入新鲜的活性污泥混合液中，按C∶N∶P比值为100∶5∶1加入葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等营养物，在曝气量为0.5m³空气/h·m³混合液、停曝时间比为15min∶15min的间歇曝气条件下，挂膜培养15天，得到负载微生物的美人蕉纤维填料，即为最终强化人工湿地脱氮的美人蕉纤维填料。

将步骤(3)中制得的负载微生物的美人蕉纤维填料埋入垂直流湿地(L×B×H＝0.3m×0.4m×0.6m)的中层，美人蕉纤维填料层的高度约0.15m；将传统填料细沙埋入垂直流湿地(L×B×H＝0.3m×0.4m×0.6m)的上层，细沙层的高度约为0.25m；将传统填料砾石埋入垂直流湿地(L×B×H＝0.3m×0.4m×0.6m)的下层，砾石层的高度约为0.2m；在同等运行条件下该垂直流湿地较普通湿地脱氮效率提高了约22％，且该垂直流湿地出水中的SS及COD达标。

实施例2：

(1)取人工湿地收割的湿生植物芦苇，洗净、60℃烘干，用粉碎机粉碎后过100目筛，得到芦苇纤维粉末；

(2)将芦苇纤维粉末、海藻酸钠按1∶0.5的质量比混合均匀后，按每克混合物加入0.05L的蒸馏水，然后在60℃下水浴加热并均匀搅拌形成含芦苇纤维的海藻酸钠溶液；再将该溶液以30滴/min的速度滴入质量分数为1％的氯化钙溶液中，制得的含水纤维微球经冷冻干燥后，得到干燥多孔的芦苇纤维填料；

(3)将步骤(2)中制得的多孔芦苇纤维填料放入新鲜的活性污泥混合液中，按C∶N∶P比值为100∶5∶1加入葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等营养物，在曝气量为0.5m³空气/h·m³混合液、停曝时间比为15min∶15min的间歇曝气条件下，挂膜培养15天，得到负载微生物的芦苇纤维填料，即为最终强化人工湿地脱氮的芦苇纤维填料。

将步骤(3)中制得的负载微生物的芦苇纤维填料埋入垂直流湿地(L×B×H＝0.3m×0.4m×0.6m)的中层，芦苇纤维填料层的高度约0.15m；将传统填料细沙埋入垂直流湿地(L×B×H＝0.3m×0.4m×0.6m)的上层，细沙层的高度约为0.25m；将传统填料砾石埋入垂直流湿地(L×B×H＝0.3m×0.4m×0.6m)的下层，砾石层的高度约为0.2m；在同等运行条件下该垂直流湿地较普通湿地脱氮效率提高了约14％，且该垂直流湿地出水中的Ss及COD达标。

实施例3：

(1)取人工湿地收割的湿生植物菖蒲，洗净、60℃烘干，用粉碎机粉碎后过300目筛，得到菖蒲纤维粉末；

(2)将菖蒲纤维粉末、海藻酸钠按1∶0.1的质量比混合均匀后，按每克混合物加入0.1L的蒸馏水，然后在30℃下水浴加热并均匀搅拌形成含菖蒲纤维的海藻酸钠溶液；再将该溶液以25滴/min的速度滴入质量分数为3％的氯化钙溶液中，制得的含水纤维微球经冷冻干燥后，得到干燥多孔的菖蒲纤维填料；

(3)将步骤(2)中制得的多孔菖蒲纤维填料放入新鲜的活性污泥混合液中，按C∶N∶P比值为150∶5∶1加入葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等营养物，在曝气量为1m³空气m·m³混合液、停曝时间比为10min：15min的间歇曝气条件下，挂膜培养7天，得到负载微生物的菖蒲纤维填料，即为最终强化人工湿地脱氮的菖蒲纤维填料。

将步骤(3)中制得的负载微生物的菖蒲纤维填料埋入水平流湿地(L×B×H＝1m×0.5m×0.4m)的后端，菖蒲纤维填料层的长度约0.3m；将传统填料细沙埋入水平流湿地(L×B×H＝1m×0.5m×0.4m)的前端和中部，细沙层的长度约为0.6m；将传统填料砾石埋入水平流湿地(L×B×H＝1m×0.5m×0.4m)的出水口处，砾石层的长度约为0.1m；在同等运行条件下该水平流湿地较普通湿地脱氮效率提高了约17％，且该水平流湿地出水中的SS及COD达标。

实施例4：

(1)取人工湿地收割的湿生植物美人蕉，洗净、80℃烘干，用粉碎机粉碎后过300目筛，得到美人蕉纤维粉末；

(2)将美人蕉纤维粉末、海藻酸钠按1∶1的质量比混合均匀后，按每克混合物加入0.1L的蒸馏水，然后在60℃下水浴加热并均匀搅拌形成含美人蕉纤维的海藻酸钠溶液；再将该溶液以20滴/min的速度滴入质量分数为6％的氯化钙溶液中，制得的含水纤维微球经冷冻干燥后，得到干燥多孔的美人蕉纤维填料；

(3)将步骤(2)中制得的多孔美人蕉纤维填料放入新鲜的活性污泥混合液中，按C∶N∶P比值为80∶5∶1加入葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等营养物，在曝气量为0.1m³空气/h·m³混合液、停曝时间比为30min∶15min的间歇曝气条件下，挂膜培养30天，得到负载微生物的美人蕉纤维填料，即为最终强化人工湿地脱氮的美人蕉纤维填料。

将步骤(3)中制得的负载微生物的美人蕉纤维填料埋入水平流湿地(L×B×H＝1m×0.5m×0.4m)的后端，美人蕉纤维填料层的长度约0.3m；将传统填料细沙埋入水平流湿地(L×B×H＝1m×0.5m×0.4m)的前端和中部，细沙层的长度约为0.6m；将传统填料砾石埋入水平流湿地(L×B×H＝1m×0.5m×0.4m)的出水口处，砾石层的长度约为0.1m；在同等运行条件下该水平流湿地较普通湿地脱氮效率提高了约25％，且该垂直流湿地出水中的SS及COD达标。

实施例5：

(1)取人工湿地收割的湿生植物芦苇，洗净、80℃烘干，用粉碎机粉碎后过200目筛，得到芦苇纤维粉末；

(2)将芦苇纤维粉末、海藻酸钠按1∶0.3的质量比混合均匀后，按每克混合物加入0.01L的蒸馏水，然后在80℃下水浴加热并均匀搅拌形成含芦苇纤维的海藻酸钠溶液；再将该溶液以20滴/min的速度滴入质量分数为2％的氯化钙溶液中，制得的含水纤维微球经冷冻干燥后，得到干燥多孔的芦苇纤维填料；

(3)将步骤(2)中制得的多孔芦苇纤维填料放入新鲜的活性污泥混合液中，按C∶N∶P比值为160∶5∶1加入葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等营养物，在曝气量为1m³空气/h·m³混合液、停曝时间比为20min∶15min的间歇曝气条件下，挂膜培养10天，得到负载微生物的芦苇纤维填料，即为最终强化人工湿地脱氮的芦苇纤维填料。

将步骤(3)中制得的负载微生物的芦苇纤维填料和传统填料细沙进行混合，然后埋入垂直流湿地(L×B×H＝0.3m×0.4m×0.6m)的中层，混合填料层的高度约0.3m；将传统填料细沙埋入垂直流湿地(L×B×H＝0.3m×0.4m×0.6m)的表层，细沙层的高度约为0.1m；将传统填料砾石埋入垂直流湿地(L×B×H＝0.3m×0.4m×0.6m)的下层，砾石层的高度约为0.2m；在同等运行条件下该垂直流湿地较普通湿地脱氮效率提高了约16％，且该垂直流湿地出水中的SS及COD达标。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)湿生植物纤维粉末的制备

(2)多孔湿生植物纤维填料的制备

称取质量比为1:(0.1～1)的湿生植物纤维粉末和海藻酸钠，按每克混合物加入0.01～0.1L的蒸馏水，然后在20～80℃水浴加热下均匀搅拌，形成含湿生植物纤维的海藻酸钠溶液；再将该溶液缓慢滴入质量分数为1％～6％的氯化钙溶液中制得含水纤维微球，冷冻干燥，得多孔湿生植物纤维填料；

(3)负载微生物的湿生植物纤维填料的制备

将制得的多孔湿生植物纤维填料放入新鲜的活性污泥混合液中，按C:N:P比值为(80～160):5:1加入葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等营养物，在间歇曝气条件下挂膜培养5-30天，得到负载微生物的湿生植物纤维填料，即为最终强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料。

2.如权利要求1所述的一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的含湿生植物纤维的海藻酸钠溶液的滴加速率为：20～30滴/min。

3.如权利要求1所述的一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的间歇曝气条件为：曝气量为0 1～1m³空气/h·m³混合液、停曝时间比为(10～30)min:15min。

4.如权利要求1所述的一种强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料的制备方法，其特征在于，所述的湿生植物为美人蕉、芦苇、菖蒲中的任意一种。

5.一种采用权利要求1～4任一所述的制备方法制得的强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料。

6.一种采用权利要求5所述的湿生植物纤维填料在人工湿地上的应用。

7.一种采用权利要求5所述的湿生植物纤维填料在人工湿地上的应用，其特征在于，将制得的强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料直接埋入湿地中，其中，对水平流湿地采取纵向分层布置，湿生植物纤维填料埋入湿地后端，对垂直流湿地采取水平分层布置，湿生植物纤维填料埋入湿地中层。

8.如权利要求7所述的湿生植物纤维填料在人工湿地上的应用，其特征在于，所述强化人工湿地脱氮的湿生植物纤维填料与传统填料也可进行混合，然后在湿地特定位置进行布置。