CN109485148A - 一种生物质固体碳源及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环境保护领域，公开了一种生物质固体碳源及其制备方法和应用。该生物质固体碳源包括聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、玉米芯、水和硅烷偶联剂；所述PBS、玉米芯、水和硅烷偶联剂的质量比为（25‑50）:（35‑55）:（0.5‑13）:（0.5‑8）。本发明以包含PBS聚合物和玉米芯的共混物作为新型生物质固体碳源，有效解决了液体碳源容易投加过量的问题，并且固相碳源在使用过程中能够作为微生物的附着载体，提高了污水处理单元内的微生物密度。该生物质固体碳源能够有效缩短反硝化脱氮处理单元的启动时间，提高处理单元的反硝化脱氮效率。

Description

一种生物质固体碳源及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于环境保护领域，具体涉及一种生物质固体碳源及其制备方法和应用。
背景技术
目前，我国城镇污水处理厂排放的尾水要求达到城镇污水处理厂污染物排放一级A标准（即总氮低于15mg/L，氨氮低于5mg/L），这是其作为回用水的基本要求（GB18918-2002），但其中的氮素含量仍远远高于地表水环境质量V类标准（总氮低于2mg/L，GB3838-2002）。而目前我国仍有很多城市污水处理厂尾水难以达标，以其现有处理工艺无法满足排放标准中对氮素的排放要求。因此，当湖泊水库长期作为城镇污水处理厂尾水的受纳水体时，氮素将对湖泊（水库）构成潜在的富营养化威胁，对城市污水处理厂的尾水进行强化脱氮就变得十分必要。
污水处理厂的尾水具有低C/N比的特点，这样就造成尾水在进行反硝化脱氮时因碳源不足而无法满足反硝化细菌的需求。目前，污水处理厂主要通过投加液体碳源（如甲醇、乙醇）的方式保证反硝化过程的顺利进行。但是，由于液体碳源的投放量难以控制，在使用过程中存在投加过量的风险，从而容易导致出水中溶解有机物含量超标的问题。同时，这种技术还需要复杂的过程控制和连续监测此外，一些液体碳源，如甲醇和乙醇，由于其具有毒性和易燃性，在储存、运输和操作过程中存在安全隐患。近年来，固相反硝化已被证明为从水体和废水中去除硝酸盐的很有前途的替代方案，它以天然植物类材料和可生物降解聚合物等固体碳源作为反硝化过程的碳源和生物膜载体。固体碳源首先被附着在其表面的生物膜中的微生物分泌的脂肪酶等胞外酶水解成可溶性的小分子底物，大部分底物被反硝化微生物用作电子供体，将硝酸盐还原为亚硝酸盐，一氧化氮，氧化亚氮，最后还原为氮气。通过这种方式既避免了使用液体碳源可能造成的问题，又能够将水体中的氮素完全去除。
天然纤维素类固体碳源取材容易、价格低廉、可较快的启动反应器并达到较高的反硝化脱氮效率，将天然纤维素类固体碳源与可生物降解聚合物共混能够达到降低固相碳源的成本和延长碳源作用周期的效果。
2017年我国玉米播种面积为35445.2千公顷，总产量21589.2万吨，玉米收获后剩余的秸秆作为富含纤维素、半纤维素的农业废弃物，除了少量用于生产木糖醇、糠醛等外，绝大部分在田间放火燃烧，既浪费资源又污染环境。因此，如何充分利用玉米芯来生产生物质碳源，以缓解能源和资源危机，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种生物质固体碳源，其包括聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、玉米芯、水和硅烷偶联剂；所述PBS、玉米芯、水和硅烷偶联剂的质量比为（25-50）:（35-55）:（0.5-13）:（0.5-8）。优选地，质量比为（30-45）:（40-50）:（1-10）:（1-5）。
其中，上述生物质固体碳源中，所述PBS的分子量为20000-100000。优选地，所述PBS为白色结晶型聚合物，其密度为1.27 g/cm3，熔点为115 oC，结晶化度为30~60%，结晶化温度为75 oC。
其中，上述生物质固体碳源中，所述玉米芯为粒径为150-200μm的玉米芯颗粒粉。优选地，所述玉米芯选用优质玉米芯加工而成。优选地，所述玉米芯为米色或黄褐色，含水分5.0%、粗蛋白5.7%、粗纤维3.7%。
其中，上述生物质固体碳源中，所述硅烷偶联剂为KH-550、KH-560和KH-570中的一种、两种或三种的混合物。
玉米芯廉价易得，富含大量的纤维素物质，不溶于水，但可以被微生物利用，其表面粗糙适于微生物的附着生长。因此，通过将玉米芯与人工合成的可生物降解聚合物PBS共混，既降低了生物质固相碳源的生产成本，又对农业废物进行了合理的资源化利用。
本发明所要解决的第二个问题是提供上述生物质固体碳源的制备方法，该方法包括：将PBS、玉米芯、水和硅烷偶联剂搅拌均匀、密炼、共混，待将共混物冷却至室温，破碎造粒即可。
其中，上述生物质固体碳源的制备方法中，所述密炼的温度为160-180℃，时间为5-10min。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供上述生物质固体碳源在污水处理方面的应用，尤其是在低C/N比污水处理方面的应用。
本发明的有益效果：
1、本发明在PBS中加入玉米芯，降低了固体碳源的生产成本，促进了固相碳源脱氮技术的推广应用；
2、本发明的包含PBS聚合物和玉米芯的共混物作为新型生物质固体碳源，有效解决了液体碳源容易投加过量的问题，并且固相碳源在使用过程中能够作为微生物的附着载体，提高了污水处理单元内的微生物密度；
3、玉米芯富含丰富的植物纤维素，其生物降解性能优于PBS，因此，该新型生物质固体碳源能够有效缩短反硝化脱氮处理单元的启动时间，提高处理单元的反硝化脱氮效率；
4、玉米芯为农业废弃物，将其用于新型生物质固体碳源的制备实现了废物的资源化利用，避免了由废弃物焚烧所带来的资源浪费和大气污染，符合我国的可持续发展战略。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的生物质固体碳源应用于低C/N比污水处理的工艺流程示意图。
附图标记：1-进水箱、2-蠕动泵、3-填充床反应器、4-出水箱。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1
将30份PBS（分子量50000）、40份玉米芯（粒径150μm）、2份水和1 份KH-550放入反应釜中搅拌均匀，密炼温度为160℃，时间为5 min，共混结束后，将共混物冷却至室温，用破碎机破碎造粒。
实施例2
将45份PBS（分子量80000）、50份玉米芯（粒径180μm）、3份水和2 份KH-560放入反应釜中搅拌均匀，密炼温度为180℃，时间为10 min，共混结束后，将共混物冷却至室温，用破碎机破碎造粒。
实施例3
包含PBS聚合物和玉米芯的生物质碳源在低C/N比污水处理中的应用：
1、固相反硝化脱氮反应器：反应器采用填充床式的设计，将制备的生物质碳源填充至反应器容积的30-50%，其余部分以生物陶粒填充。进水箱1中的低C/N比污水经蠕动泵2抽入固相反硝化脱氮反应器3，污水自下而上流动，处理后的污水由反应器顶部溢流至出水箱4；
2、反应器挂膜及微生物驯化：将低C/N比污水与取自污水处理厂二沉池的活性污泥按1:1的体积比混合后投入反应器3中，静置挂膜，每两天定时取样检测出水中NO3 --N与NO2 --N的浓度，等两者浓度稳定后认为反应器中微生物驯化结束；
3、反应器运行：反应器驯化结束后，即开始正常运行。通过蠕动泵2可以控制进入反应器3的低C/N比污水的流量，可以通过调整污水的C/N比和流量使得反应器3达到最优的处理效果。
应用例1
反应器3由10×70 cm（直径×高）的有机玻璃制成，反应器3内填充实施例1中所制备的生物质固体碳源和生物陶粒。在进水箱1中加入NaNO3和NH4Cl，调节NH4 +-N浓度为5 mg/L，NO3 --N浓度为10 mg/L，停留时间为1h，污水处理前后的水质如表1中所示：
表1 反应器处理前后水质对比
应用例2
反应器3由10×70 cm（直径×高）的有机玻璃制成，反应器3内填充实施例2中所制备的生物质固体碳源和生物陶粒。在进水箱1中加入NaNO3，调节NO3 --N浓度为15 mg/L，停留时间为1h，污水处理前后的水质如表2中所示：
表2 反应器处理前后水质对比
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.生物质固体碳源，其特征在于，该生物质固体碳源包括聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、玉米芯、水和硅烷偶联剂；所述PBS、玉米芯、水和硅烷偶联剂的质量比为（25-50）:（35-55）:（0.5-13）:（0.5-8）。
2.根据权利要求1所述的生物质固体碳源，其特征在于，所述PBS、玉米芯、水和硅烷偶联剂的质量比为（30-45）:（40-50）:（1-10）:（1-5）。
3.根据权利要求1或2所述的生物质固体碳源，其特征在于，所述PBS的分子量为20000-100000。
4.根据权利要求1或2所述的生物质固体碳源，其特征在于，所述PBS为白色结晶型聚合物，其密度为1.27 g/cm3 ，熔点为115 oC，结晶化度为30~60%，结晶化温度为75 oC。
5.根据权利要求1或2所述的生物质固体碳源，其特征在于，所述玉米芯为粒径为150-200μm的玉米芯颗粒粉。
6.根据权利要求1或2所述的生物质固体碳源，其特征在于，所述硅烷偶联剂为KH-550、KH-560和KH-570中的一种、两种或三种的混合物。
7.权利要求1-6任一项所述生物质固体碳源的制备方法，其特征在于，该方法包括：将PBS、玉米芯、水和硅烷偶联剂搅拌均匀、密炼、共混，待将共混物冷却至室温，破碎造粒即可。
8.根据权利要求7所述生物质固体碳源的制备方法，其特征在于，所述密炼的温度为160-180℃，时间为5-10min。
9.权利要求1-6任一项所述生物质固体碳源在污水处理方面的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述生物质固体碳源在低C/N比污水处理方面的应用。
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