CN110510735B - 一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法，包括以下步骤：S1：反硝化微生物培养及扩增；S2：对铁质碎屑(铁粉、铁屑或者铁刨花等)进行预超声活化；S3：经超声的含铁质碎屑的混合液与含硝氮污水混合，并调控污水水质使之适于反硝化；S4：接种反硝化菌，开展反硝化实践；S5：剩余铁质碎屑的回收与重复利用。该方法所用材料易得、费用低廉、所用设备简单、反硝化效果好；铁粉及铁屑等为地表主要元素，不会产生二次污染；同时利用铁屑、铁刨花、铁粉等工业废料实现污水或废水中氮源污染的去除，剩余的铁屑、铁粉等可通过磁铁回收重复利用，具有显著的环境效应和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于环境污染物去除技术领域，具体涉及一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法。
背景技术
氮是水体的营养素，也是环境水体污染的一项重要指标。水体中氮元素含量过高，会导致水体富营养化，从而引起藻类和其它浮游生物迅速繁殖，水体溶氧量下降，使得水体发黑发臭、水质下降、引发鱼类及其它生物大量死亡等现象。另外，生活污水、部分工业废水(如养殖业、电镀业等废水)、部分地区的地下水等水中均含有大量的硝酸盐，如若处理不完全将会导致大量氮源进入环境，加重氮源污染形势，甚至引发人类的疾病，如蓝血症。
在目前氮源污染去除的众多方法中，微生物反硝化因运行费用低廉、操作维护方便等优点成为目前水体或污水中脱氮的重要方法之一。微生物反硝化过程利用反硝化细菌将水体中的化合态氮转化为氮气从水体中释放出去。同时，微生物反硝化是自然界氮循环和污水处理系统的重要组成部分，其原理为在缺氧或厌氧条件下，通过反硝化菌的反硝化作用将硝氮转化为氮气，释放到大气中参与自然界氮循环，水中含氮物质大量减少，降低水体富营养化及污水处理厂出水的潜在危险性，达到从自然水体和污水中脱氮的目的。微生物反硝化更是世界上目前污水处理厂以及工业废水脱氮的重要生物过程。然而，由于微生物的培养、驯化困难、微生物个体反硝化能力有限、容易受环境影响等缺点，导致实际使用过程中存在着微生物反硝化启动时间较长、反硝化速率较低、反硝化效率仍有待提高等一系列问题，亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于利用超声技术对铁质碎屑(铁粉或铁屑、铁刨花等工业废物)进行活化后，施用于微生物反硝化体系，加快反硝化速率，提高反硝化效果，提供了一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的技术方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1反硝化微生物的培养和扩增：将反硝化微生物的菌种接种到培养基中，然后置于恒温摇床中于28-35℃、150-180r/min的条件下扩大培养20-28h；
S2对铁质碎屑进行超声活化：称取一定质量的铁质碎屑浸没于装有适量水或者反硝化培养基的容器中，而后将该容器置于超声仪器中，室温条件下，超声5-15min；
S3将经超声的含铁质碎屑的混合液与含硝氮污水混合，并调控污水水质：将经过S2步骤获得的含铁质碎屑混合液按照一定比例加入到含硝氮的污水中，混合均匀，分析实际废水的水质，并依据反硝化条件进行水质调控，如补充反硝化碳源、加盖子隔绝空气、加酸或加碱等操作；
S4接种反硝化菌，开展反硝化实践：将S1步骤获得的反硝化微生物接种到经过S3步骤获得的水中进行培养，开展微生物反硝化，并定期检测反硝化效果；
S5剩余铁质碎屑的回收与重复利用：反硝化结束后将所剩余的铁质碎屑利用塑料薄膜包裹的永磁铁或电磁铁产生的磁场作用下进行收集，回收的铁质碎屑可以重新返回步骤S2，重复利用。
步骤S1中，所述反硝化微生物的菌种为购置的反硝化微生物、污水处理厂的活性污泥或者自然界的沉积物等；所述反硝化菌的培养基为LB培养基(成分为每升蒸馏水中含10g胰蛋白胨，10g NaCl和5g酵母提取物)或者反硝化培养基[由0.38g NH4Cl、2.17g KNO3、5.0g葡萄糖(也可以为乙酸钠、乙酸或者短链脂肪酸等有机碳源)、11.74g Na2HPO4·12H2O、1.46g KH2PO4、0.06g MgSO4和0.10mL的微量元素溶解于1L无菌水构成，其中微量元素构成(g/L):Na2-EDTA(7.30)、FeSO4·7H2O(2.50)、MnCl2·4H2O(0.02)、Na2MoO4·2H2O(0.242)、CuCl2·2H2O(0.135)和ZnCl2(0.34)]。
步骤S2中，所述铁质碎屑为购置的铁粉(包括不同粒径的铁粉，如常规铁粉、纳米铁粉等)、铁屑或者来自于铁器相关行业的铁刨花等铁质边角料，为提高反硝化效果可对较大粒径的边角料进行破碎后，再进行超声处理；如果部分含油的边角料应先进行除油处理再破碎和超声，以免带入新的污染物。
步骤S3中，所述经过S2步骤获得的含铁质碎屑混合液和含硝氮污水的质量比为1:(100-2000)。
步骤S4中，所述S1步骤获得的反硝化微生物接种到经过S3步骤获得的污水中进行培养，其接种比例为1:(200-500)。
按照步骤S3的质量比添加的铁质碎屑，如有过量，可通过永磁铁或电磁铁进行回收，再次超声重复利用，提高材料的利用效率，并能有效避免铁质碎屑添加过量带来的二次污染。
本方法还可适用于含有硝酸盐的污水、废水以及地下水等的脱氮以及污水处理设施组合工艺中的反硝化脱氮过程；由于实际污水中水质差异巨大，步骤S3中可通过补充反硝化碳源、加盖子隔绝空气、加酸或加碱等对污水水质进行调节，具体的操作方法有：控制碳氮比(COD/N)大于3，溶解氧DO<0.5mg/L，pH位于6-9，温度为15-35℃为宜，以保证最佳的反硝化效果。
本发明的有益效果为：该方法所用材料和设备简单，仅用到铁质碎屑和超声仪器；经超声活化后，铁质碎屑可显著加快反硝化速率和提高反硝化效果；本发明采用的铁质碎屑可为工业废物(如铁粉、铁屑、铁刨花等)，可实现工业废物的资源化利用，并且剩余铁粉可实现回收再利用，具有显著的环境效应和经济效益。
附图说明
图1A和图1B是实施例1反硝化效果图；其中，图1A为实施例1中总硝态氮(硝酸盐与亚硝酸盐之和)去除率的对比图；图1B为实施例1反硝化期间(24h)平均反硝化速率的关系图；
图2是实施例2反硝化效果图，即为实施例2总硝态氮(硝酸盐与亚硝酸盐之和)去除率的对比图；
图3是实施例3反硝化效果图，即为实施例3总硝态氮(硝酸盐与亚硝酸盐之和)去除率的对比图；
图4为本发明的超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法，包括以下步骤：
S1反硝化微生物的培养和扩增：将反硝化微生物的菌种接种到培养基中，然后置于恒温摇床中于28-35℃、150-180r/min的条件下扩大培养20-28h；
S2对铁质碎屑进行超声活化：称取一定质量的铁质碎屑(包括铁粉、铁屑或铁刨花等含铁类的物质或工业边角料等)浸没于装有适量水或者反硝化培养基的容器中，而后将烧杯置于超声仪器中，室温条件下，超声5-15min；
S3将经超声的含铁质碎屑的混合液与含硝氮污水混合，并调控污水水质：将经过S2步骤获得的含铁质碎屑混合液按照一定比例加入到含硝氮的污水中(铁质碎屑质量:污水质量＝1:2000–1:100)，混合均匀，分析实际废水的水质，可通过补充反硝化碳源、加盖、加酸或加碱等对污水水质进行调节，获得适宜于反硝化菌条件调控；
S4接种反硝化菌，开展反硝化实践：将S1步骤获得的反硝化微生物接种到经过S3步骤获得的污水中进行培养(接种比例为1:250)，开展微生物反硝化，并定期检测反硝化效果；
S5剩余铁质碎屑的回收与重复利用：反硝化结束后将所剩余的铁质碎屑利用塑料薄膜包裹的永磁铁或电磁铁产生的磁场作用下进行收集，回收的铁质碎屑可以重新返回步骤S2，重复利用。
本方法还可适用于含有硝酸盐的污水、废水以及地下水等的脱氮以及组合工艺中的反硝化脱氮过程；由于实际污水中水质差异巨大，步骤S3中可通过补充反硝化碳源、加盖、加酸或加碱等对污水水质进行调节，如具体的操作方法有：控制碳氮比(COD/N)大于3，溶解氧DO<0.5mg/L，pH位于6-9，温度为15-35℃为宜，以保证反硝化最佳的效果。
具体实施例如下：
实施例1
一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法，包括以下步骤：
S1反硝化微生物的培养和扩增：将购置的反硝化细菌(脱氮副球菌)的菌种接种到LB培养基中(每升蒸馏水中含10g胰蛋白胨，10g NaCl和5g酵母提取物)，然后置于恒温摇床中于28℃、150r/min的条件下扩大培养28h；
S2对铁质碎屑进行超声活化：称取100mg铁粉两份，分别浸没于装有20mL模拟废水(水质为NO3 ––N＝300mg/L，NH4 +–N＝100mg/L，COD＝3000mg/L，COD/N＝7.5，pH＝7.40)的烧杯中，其中一份置于超声仪中，室温条件下，超声活化10min，另一份作为对照，不做超声处理；
S3将经超声的含铁质碎屑的混合液与含硝氮污水混合，并调控污水水质：分别将经过S2步骤获得的含铁质碎屑混合液20mL按照铁质碎屑和废水的质量比为1:500加入到装有30mL模拟废水的两个烧杯中，混合均匀，分析实际废水的水质，并依据反硝化条件对水质进行调控，最终废水水质为NO3 ––N＝300mg/L，NH4 +–N＝100mg/L，COD＝3000mg/L，COD/N＝7.5，pH＝7.40(因本次用于浸泡铁粉进行超声活化时，所用的水为配置的模拟废水(与本部分水质相同)，故水质不需调节，实际操作过程中应根据工程实际废水水质进行调节)；
S4接种反硝化菌，开展反硝化实践：将S1步骤获得的反硝化微生物接种到经过S3步骤获得的污水中进行培养(接种比例为1:250)，开展微生物反硝化，并定期检测反硝化效果；
S5剩余铁质碎屑的回收与重复利用：反硝化结束后将所剩余的铁质碎屑利用塑料薄膜包裹的永磁铁或电磁铁产生的磁场作用下进行收集，回收的铁质碎屑可重新返回步骤S2，重复利用。
检测结果如图1A和1B所示，结果表明：在初始总硝态氮(硝酸盐与亚硝酸盐之和，下同)浓度为300mg/L、添加铁的含量100mg条件下，经24h反应，空白组总硝态氮的去除率仅为54％，添加未经过超声活化铁粉实验组总硝态氮的去除率有所提高到77％，而添加经超声活化的铁粉实验组总硝氮去除率达到97％(图1A所示)；除提高反硝化效率外，24h内的平均反硝化速率添加经超声活化实验组是空白组的1.8倍，在添加未经活化铁粉实验组反硝化速率的基础上进一步提高了1.3倍(图1B所示)。由此可知，铁粉经超声活化后，有利于明显加快反硝化速率，显著提高反硝化效果。
实施例2
一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法，包括以下步骤：
S1反硝化微生物的培养和扩增：将购置的反硝化细菌(脱氮副球菌)的菌种接种到LB培养基中(每升蒸馏水中含10g胰蛋白胨，10g NaCl和5g酵母提取物)，然后置于恒温摇床中于28℃、150r/min的条件下扩大培养28h；
S2对铁质碎屑进行超声活化：称取50mg铁粉两份，分别浸没于装有20mL模拟废水(废水水质为NO3 ––N＝300mg/L，NH4 +–N＝100mg/L，COD＝3000mg/L，COD/N＝7.5，pH＝7.40)的烧杯中，两份都置于超声仪中，室温条件下，其中一份超声活化5min，另一份超声时间为10min；
S3将经超声的含铁质碎屑的混合液与含硝氮污水混合，并调控污水水质：分别将经过S2步骤获得的含铁质碎屑混合液20mL按照铁质碎屑和废水的质量比为1:1000加入到装有30mL模拟废水的两个烧杯中，混合均匀，分析实际废水的水质，并依据反硝化条件对水质进行调控，最终废水水质为NO3 ––N＝300mg/L，NH4 +–N＝100mg/L，COD＝3000mg/L，COD/N＝7.5，pH＝7.40(因本次用于浸泡铁粉进行超声活化时，所用的水为配置的模拟废水(与本部分水质相同)，故水质不需调节，实际操作过程中应根据工程实际废水水质进行调节)；
S4接种反硝化菌，开展反硝化实践：将S1步骤获得的反硝化微生物接种到经过S3步骤获得的污水中进行培养(接种比例为1:250)，开展微生物反硝化，并定期检测反硝化效果；
S5剩余铁质碎屑的回收与重复利用：反硝化结束后将所剩余的铁质碎屑利用塑料薄膜包裹的永磁铁或电磁铁产生的磁场作用下进行收集，回收的铁质碎屑可以重新返回步骤S2，重复利用。
检测结果如图2所示，结果表明：在初始总硝态氮(硝酸盐与亚硝酸盐之和，下同)浓度为300mg/L、添加铁的含量50mg条件下，24h时刻空白组总硝态氮的去除率仅为53％，而超声时间由5min增加到10min时，总硝态氮去除率从86％增加到99.8％，本实施例证明合理的设置超声时间能够有利于活化铁单质，提高反硝化效率。
实施例3
一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法，包括以下步骤：
S1反硝化微生物的培养和扩增：将购置的反硝化细菌(脱氮副球菌)的菌种接种到LB培养基中(每升蒸馏水中含10g胰蛋白胨，10g NaCl和5g酵母提取物)，然后置于恒温摇床中于28℃、150r/min的条件下扩大培养28h；
S2对铁质碎屑进行超声活化：称取100mg铁粉两份，分别浸没于装有20mL模拟废水(废水水质为NO3 ––N＝100mg/L，NH4 +–N＝30mg/L，COD＝1000mg/L，COD/N＝7.5，pH＝7.40)的烧杯中，其中一份置于超声仪中，室温条件下，超声活化10min，另一份作为对照，不做超声处理；
S3将经超声的含铁质碎屑的混合液与含硝氮污水混合，并调控污水水质：分别将经过S2步骤获得的含铁质碎屑混合液20mL按照铁质碎屑和废水的质量比为1:500加入到装有30mL模拟废水的两个烧杯中，混合均匀，分析实际废水的水质，并依据反硝化条件对水质进行调控，最终废水水质为NO3 ––N＝100mg/L，NH4 +–N＝30mg/L，COD＝1000mg/L，COD/N＝7.5，pH＝7.40(因本次用于浸泡铁粉进行超声活化时，所用的水为配置的模拟废水(与本部分水质相同)，故水质不需调节，实际操作过程中应根据工程实际废水水质进行调节)；
S4接种反硝化菌，开展反硝化实践：将S1步骤获得的反硝化微生物接种到经过S3步骤获得的污水中进行培养(接种比例为1:500)，开展微生物反硝化，并定期检测反硝化效果；
S5剩余铁质碎屑的回收与重复利用：反硝化结束后将所剩余的铁质碎屑利用塑料薄膜包裹的永磁铁或电磁铁产生的磁场作用下进行收集，回收的铁质碎屑可以重新返回步骤S2，重复利用。
检测结果如图3所示，结果表明：在初始总硝态氮(硝酸盐与亚硝酸盐之和，下同)浓度为100mg/L、添加铁的含量100mg、超声活化时间为10min前提下，24h时刻空白组总硝态氮的最终浓度仍残留21.75mg/L；与空白组相比，投加未经过超声活化的铁实验组总硝态氮最终浓度有所下降为13.75mg/L，而铁单质经过超声活化后再添加，最终未检测到总硝态氮的存在，去除率达到100％。本实施例证明通过合理添加经过活化的铁单质来提高反硝化效果，经简单调节后，该方法可适应与不同的水质的反硝化脱氮过程。
本发明提供的技术方法可以通过对投加进入反硝化脱氮系统及相关过程的铁单质，进行简单的超声活化后，能够进一步显著提高体系的反硝化速率，提升反硝化效果，具有显著的环境效应和可观的经济效益。
本发明的有益效果在于：1)本发明采用的铁单质，可以是铁粉、铁屑、铁刨花等工业废物，价廉易得、可实现废物资源的综合利用；2)本发明涉及的铁单质活化工艺为超声，该技术可靠、操作简单易行、不会带入其他污染源；3)本发明在利用超声活化铁单质的基础上，适用于反硝化脱氮工艺以及组合工艺中的反硝化过程，能显著提高微生物反硝化速率和反硝化效率，具有良好的环境效应；4)实验完成后，多添加的铁粉可通过磁铁的磁场作用进行回收，不会造成资源的浪费和带来二次污染问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种超声活化铁单质强化微生物反硝化脱氮的方法，包括以下步骤：
S1反硝化微生物的培养和扩增：将购置的反硝化细菌脱氮副球菌的菌种接种到LB培养基中，其培养基中每升蒸馏水中含10 g胰蛋白胨，10 g NaCl和5 g 酵母提取物，然后置于恒温摇床中于28 ℃、150 r/min的条件下扩大培养28 h；
S2对铁质碎屑进行超声活化：称取100 mg铁粉两份，分别浸没于装有20 mL模拟废水，废水水质为NO3 ––N=100 mg/L，NH4 +–N=30 mg/L，COD=1000 mg/L，COD/N=7.5，pH=7.40的烧杯中，其中一份置于超声仪中，室温条件下，超声活化10 min，另一份作为对照，不做超声处理；
S3将经超声的含铁质碎屑的混合液与含硝氮污水混合，并调控污水水质：分别将经过S2步骤获得的含铁质碎屑混合液20 mL按照铁质碎屑和废水的质量比为1:500加入到装有30 mL模拟废水的两个烧杯中，混合均匀，分析实际废水的水质，并依据反硝化条件对水质进行调控，最终废水水质为NO3 ––N=100 mg/L，NH4 +–N=30 mg/L，COD=1000 mg/L，COD/N=7.5，pH=7.40，因本次用于浸泡铁粉进行超声活化时，所用的水为配置的模拟废水，故水质不需调节，实际操作过程中应根据工程实际废水水质进行调节；
S4接种反硝化菌，开展反硝化实践：将S1步骤获得的反硝化微生物接种到经过S3步骤获得的污水中进行培养，开展微生物反硝化，并定期检测反硝化效果，其接种比例为1:500；
S5剩余铁质碎屑的回收与重复利用：反硝化结束后将所剩余的铁质碎屑利用塑料薄膜包裹的永磁铁或电磁铁产生的磁场作用下进行收集，回收的铁质碎屑可以重新返回步骤S2，重复利用。
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