CN110606563B - 一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，所述缓释碳源填料包括表层填料、夹层碳源及填料外壳，所述表层填料包括填料基底和可生物降解碳源，可生物降解碳源覆盖在填料基底上；所述夹层碳源是缓释性可生物降解碳源；所述填料外壳为具有卡扣的可互相连接组合的塑料构件；所述表层填料装入所述填料外壳中，在表层填料上放置夹层碳源，两个填料外壳拼接固定，通过填料外壳将夹层碳源包夹在两条表层填料中间，为反硝化提供碳源，促进总氮脱除。以及提供一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料的制备方法。本发明提供一种释碳时间长、释碳效果稳定且能兼顾成本的强化反硝化脱氮的缓释碳源填料及其制备方法。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料及其制备方法。
背景技术
目前，我国环境污染越发严重，许多城市颁布了新的城镇污水处理厂尾水排放标准，对于脱氮的要求也更加严格。生物膜法作为一种高效的脱氮方法而得到越来越多的重视。微生物在生物膜反应器中以填料为载体固着，并逐渐形成稳定的生物膜结构。随着生物膜层的增厚，膜内溶解氧传质阻力增加，导致在生物膜中由外向内出现溶解氧梯度，形成了好氧-缺氧微环境。缺氧的反硝化菌在生物膜内部利用碳源，在生物膜外层好氧硝化的同时，在生物膜内层利用碳源进行反硝化。生物膜反应器中同步进行了硝化和反硝化作用，有效强化了污水的脱氮效果。
反硝化菌大多为异养菌，其新陈代谢需要碳源提供电子及能量。但目前我国城镇污水普遍存在碳源不足的问题，严重制约了反硝化过程及脱氮效率。现有污水处理中为了提高脱氮效率，往往采用投加液体碳源(甲醇或乙酸钠等)方式促进反硝化。液体碳源能迅速降解并被微生物吸收利用。但在生物膜反应器中，由于硝化和反硝化同步进行，投加的液体碳源更容易被生物膜外层的好氧菌群优先利用。当液体碳源投加量较低时，反硝化菌难以获得碳源，导致脱氮效果降低。另一方面，当液体碳源投加量满足反硝化需求时，又容易导致碳源超量。不仅增加了运行成本，也容易导致出水COD不达标。因此，开发一种能强化反硝化脱氮的碳源具有重要意义。
已有研究开始利用缓释碳源为反硝化菌提供碳源。通过缓慢释放碳源，降低好氧菌对碳源的竞争效应，同时避免出水COD不达标。目前采用的缓释碳源主要分三大类，以纤维素为主的天然材料、人工合成的可生物降解高分子材料和对天然材料进行改性得到的新型材料。其中天然材料如甘草、芦竹、玉米芯、稻草、木屑、稻壳等易于获得，价格低廉，但是释碳不稳定，且容易造成堵塞。人工合成的可生物降解高分子材料，包括聚酯类，聚烃类等，具有释碳稳定的优点，但其价格相对较高，增加了运行成本。对天然材料进行改性得到的新型材料，如对淀粉、甲壳素等天然高分子材料进行改性，可以合成无毒、生物亲和性好且易降解的碳源材料。但由于其自身水溶性较好，释碳速率高，因此释碳时间和使用寿命较短，限制了其应用。因此，研究一种释碳时间长、释碳效果稳定且能兼顾成本的缓释碳源具有重要意义。
已有研究表明，碳源不足是制约生物膜反应器反硝化作用的重要因素之一。现有工艺通常采用外加液体碳源(甲醇及醋酸钠水剂等)的形式提高脱氮效率。但在生物膜反应器其中，传统投加碳源存在利用率低，成本高的问题，且投加量不易控制，容易导致出水COD超标。
发明内容
为了克服已有碳源填料的释碳时间和使用寿命较短的不足，本发明提供一种释碳时间长、释碳效果稳定且能兼顾成本的强化反硝化脱氮的缓释碳源填料及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，所述缓释碳源填料包括表层填料、夹层碳源及填料外壳，所述表层填料包括填料基底和可生物降解碳源，可生物降解碳源覆盖在填料基底上；所述夹层碳源是缓释性可生物降解碳源；所述填料外壳为具有卡扣的可互相连接组合的塑料构件；所述表层填料装入所述填料外壳中，在表层填料上放置夹层碳源，两个填料外壳拼接固定，通过填料外壳将夹层碳源包夹在两条表层填料中间。
进一步，所述表层填料是微生物附着的主要载体，其包括填料基底、高凝胶强度琼脂粉、淀粉、乳化剂，酶促活性调节剂，通过高凝胶强度琼脂粉、淀粉、乳化剂，酶促活性调节剂将可生物降解碳源覆盖在填料基底上。
带状填料长度为50～80cm，宽度为3.0～6.0cm，厚度为2.0～4.0cm。高凝胶强度琼脂粉的凝胶强度为1000-1200g/cm2；淀粉可为普通淀粉，阳离子淀粉或醋酸酯淀粉；乳化剂为失水山梨糖醇脂肪酸酯；酶促活性调节剂为MgCl2。
再进一步，夹层碳源制备所需材料包括：高凝胶强度琼脂粉、淀粉、乳化剂及酶促活性调节剂。其中高凝胶强度琼脂粉的凝胶强度为1000-1200g/cm2；淀粉可为普通淀粉，阳离子淀粉或醋酸酯淀粉；乳化剂为失水山梨糖醇脂肪酸酯；酶促活性调节剂为MgCl2。
更进一步，所述填料外壳由3个矩形环和两条肋条组成，两条肋条从左、右两个方向将矩形环串联固定，每个矩形环左侧为卡钩，右侧为卡槽，两个填料外壳可通过各自的卡钩和卡槽互相连接固定。
矩形环外径与表层填料匹配，分别可为3.0～6.0cm和2.0～4.0cm，矩形环高度为2.0cm，填料外壳的矩形环和肋条厚度均为3mm，因此矩形环内径略小于表层填料，可以有效固定填料，填料外壳总高度与表层填料长度相同，视表层填料长度可为50～80cm。
进一步，2个填料外壳可通过卡钩和卡槽相互固定，其中卡钩位于各矩形环左侧居中，梁长、宽及厚度方向均为无锥度设计，梁长度为1.0～2.0cm，宽1.0cm，厚度0.15cm。插入面角度为30度，保持面深度0.15cm，保持面角度90度。卡槽尺寸与卡钩对应，位于各矩形环右侧居中向内1.0～2.0cm处，卡槽长宽为1.0cm*0.3cm。
一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)表层填料的制备步骤如下：1.1)配置2％乳化剂、1％酶促调节剂和3～5％琼脂粉水溶液，在100℃水浴中以40-60转/分钟搅拌30分钟，加入15～20％淀粉搅拌混合10分钟，制得碳源原液；1.2)将填料放入碳源原液中，在100℃水浴中以20转/分钟搅拌10分钟，使碳源原液渗入填料内部；1.3)将填料取出并冷却至室温备用；
2)夹层碳源制备步骤如下：2.1)将3-5％乳化剂和6-8％琼脂粉依次加入水中，在100℃水浴中以40-60转/分钟搅拌30分钟后，加入15-20％淀粉搅拌混合10min，制得夹层碳源原液；2.2)将制得的夹层碳源原液放入-18℃冰箱冷冻成型，取出切成22～40cm*1.5～3.0cm*1.0～1.5cm条状夹层碳源备用；
3)将一条制备完成的表层填料装入填料外壳中，在表层填料上放置夹层碳源，再将另一条表层填料装入填料外壳中，将两个填料外壳用卡扣拼接固定，将夹层碳源固定在两条表层填料中间，完成一条缓释碳源填料的装配。
进一步，所述填料外壳由3个矩形环和两条肋条组成，两条肋条从左、右两个方向将矩形环串联固定，每个矩形环左侧为卡钩，右侧为卡槽，两个填料外壳可通过各自的卡钩和卡槽互相连接固定；矩形环外径与表层填料匹配。
优选的，2个填料外壳可通过卡钩和卡槽相互固定，其中卡钩位于各矩形环左侧居中，梁长、宽及厚度方向均为无锥度设计。
本发明的技术构思为：目前我国城镇污水普遍存在进水碳源浓度低，严重制约了生物膜反应器中的反硝化效率。已有污水处理通常采用投加液体碳源的方式促进反硝化。但好氧菌群往往会优先获得液体碳源，导致反硝化菌碳源不足影响反硝化脱氮效率。另一方面，液体碳源投加过量不仅增加了运行成本，也容易导致出水COD不达标。
本发明采用了一种缓释碳源填料，通过缓慢释放碳源，降低好氧菌对碳源的竞争效应，促进生物膜内层反硝化菌的新陈代谢，强化生物膜反应器的总氮脱除效率。发明用琼脂包裹和疏水性乳化剂将可生物降解碳源固定在生物膜载体上，强化微生物附着，促进好氧污染物降解。同时通过包夹的方式，利用填料外壳将夹层碳源包裹在填料内层，为反硝化提供碳源，促进总氮脱除。本发明的外壳可拆卸，便于更换夹层碳源，促进循环利用，减少运行成本。
本发明的有益效果主要表现在：本发明制备了一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，其采用琼脂包裹和疏水性乳化剂，微生物亲和性好，物理强度高，微生物的毒性低。缓释碳源填料释碳时间长，释碳效果稳定，能有效强化脱氮效果。缓释碳源填料可悬挂固定在生物膜反应器中，表层填料中碳源用以强化微生物附着，促进好氧污染物降解，夹层碳源用以提供反硝化碳源，促进总氮脱除。同时缓释碳源填料外壳可拆解，通过补充夹层碳源的方式实现循环利用，进一步降低运行成本。
附图说明
图1是填料外壳的示意图。
图2是填料外壳的卡钩局部示意图，其中，梁宽为L1，梁长为L2，梁厚为H，保持面长度为L3，保持面高度为h，保持面角度为θ1，插入面角度为θ2。
图3是填料外壳的卡钩及卡槽侧视图，其中，梁长为L2，保持面长度为L3，卡槽宽度为L4，卡槽长度为L5。
图4是缓释碳源填料的装配示意图。
图5是缓释碳源填料组合后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，所述缓释碳源填料包括表层填料6、夹层碳源7及填料外壳1，所述表层填料包括填料基底和可生物降解碳源，可生物降解碳源覆盖在填料基底上；所述夹层碳源是缓释性可生物降解碳源；所述填料外壳为具有卡扣的可互相连接组合的塑料构件；所述表层填料装入所述填料外壳中，在表层填料上放置夹层碳源，两个填料外壳拼接固定，通过填料外壳将夹层碳源包夹在两条表层填料中间。
进一步，所述表层填料是微生物附着的主要载体，其包括填料基底、高凝胶强度琼脂粉、淀粉、乳化剂，酶促活性调节剂，通过高凝胶强度琼脂粉、淀粉、乳化剂，酶促活性调节剂将可生物降解碳源覆盖在填料基底上。
带状填料长度为50～80cm，宽度为3.0～6.0cm，厚度为2.0～4.0cm。高凝胶强度琼脂粉的凝胶强度为1000-1200g/cm2；淀粉可为普通淀粉，阳离子淀粉或醋酸酯淀粉；乳化剂为失水山梨糖醇脂肪酸酯；酶促活性调节剂为MgCl2。
再进一步，夹层碳源制备所需材料包括：高凝胶强度琼脂粉、淀粉、乳化剂及酶促活性调节剂。其中高凝胶强度琼脂粉的凝胶强度为1000-1200g/cm2；淀粉可为普通淀粉，阳离子淀粉或醋酸酯淀粉；乳化剂为失水山梨糖醇脂肪酸酯；酶促活性调节剂为MgCl2。
更进一步，所述填料外壳由3个矩形环和两条肋条组成，两条肋条从左、右两个方向将矩形环串联固定，每个矩形环左侧为卡钩，右侧为卡槽，两个填料外壳可通过各自的卡钩和卡槽互相连接固定。
矩形环外径与表层填料匹配，分别可为3.0～6.0cm和2.0～4.0cm，矩形环高度为2.0cm，填料外壳的矩形环和肋条厚度均为3mm，因此矩形环内径略小于表层填料，可以有效固定填料，填料外壳总高度与表层填料长度相同，视表层填料长度可为50～80cm。
进一步，2个填料外壳可通过卡钩和卡槽相互固定，其中卡钩位于各矩形环左侧居中，梁长、宽及厚度方向均为无锥度设计，梁长度为1.0～2.0cm，宽1.0cm，厚度0.15cm。插入面角度为30度，保持面深度0.15cm，保持面角度90度。卡槽尺寸与卡钩对应，位于各矩形环右侧居中向内1.0～2.0cm处，卡槽长宽为1.0cm*0.3cm。
一种强化反硝化脱氮的缓释碳源的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)表层填料的制备步骤如下：1.1)配置2％乳化剂、1％酶促调节剂和3～5％琼脂粉水溶液，在100℃水浴中以40-60转/分钟搅拌30分钟，加入15～20％淀粉搅拌混合10分钟，制得碳源原液；1.2)将填料放入碳源原液中，在100℃水浴中以20转/分钟搅拌10分钟，使碳源原液渗入填料内部；1.3)将填料取出并冷却至室温备用；
2)夹层碳源制备步骤如下：2.1)将3-5％乳化剂和6-8％琼脂粉依次加入水中，在100℃水浴中以40-60转/分钟搅拌30分钟后，加入15-20％淀粉搅拌混合10min，制得夹层碳源原液；2.2)将制得的夹层碳源原液放入-18℃冰箱冷冻成型，取出切成22～40cm*1.5～3.0cm*1.0～1.5cm条状夹层碳源备用；
3)将一条制备完成的表层填料装入填料外壳中，在表层填料上放置夹层碳源，再将另一条表层填料装入填料外壳中，将两个填料外壳用卡扣拼接固定，将夹层碳源固定在两条表层填料中间，完成一条缓释碳源填料的装配。
进一步，所述填料外壳由3个矩形环和两条肋条组成，两条肋条从左、右两个方向将矩形环串联固定，每个矩形环左侧为卡钩，右侧为卡槽，两个填料外壳可通过各自的卡钩和卡槽互相连接固定；矩形环外径与表层填料匹配。
优选的，2个填料外壳可通过卡钩和卡槽相互固定，其中卡钩位于各矩形环左侧居中，梁长、宽及厚度方向均为无锥度设计。
本实施例中，表层填料制备：将40g乳化剂、20g酶促调节剂和60g琼脂粉依次加入1580ml水中，在100℃水浴加热，并以40转/min搅拌30min，加入300g淀粉搅拌糊化共混10min，制得共混物。取20条长度50cm*3.0cm*2.0cm的聚乙烯醇缩甲醛(poly-vinyl-alcohol dimethyl-formal，PVF)高分子填料放入混合液中，同时利用搅拌器以20转/min搅拌10min，使混合液进入填料孔隙中，然后将填料取出，平整表面后冷却至室温，完成表层填料制备。
夹层碳源制备：将30g乳化剂和60g琼脂粉依次加入760ml水中，在100℃水浴加热，并以40转/min搅拌30min，加入150g淀粉搅拌糊化共混10min，制得共混物。将制得的共混物取出放入冰箱-18℃冷冻成型，取出切成22cm*1.5cm*1.0cm长条状，完成夹层碳源的制备。
缓释碳源填料装配：填料外壳1由矩形环2和肋条3组成(图1)。两条肋条从左、右两个方向将矩形环串联固定。每个矩形环左侧为卡钩4，右侧为卡槽5。两个填料外壳可通过各自的卡钩4和卡槽5互相连接固定。矩形环2长宽为3.0cm*2.0cm，高度为2.0cm。肋条长宽为22cm*2.0cm。填料外壳的矩形环和肋条厚度均为3mm。
填料外壳1的卡钩4位于各矩形环中部最外侧，梁长、宽及厚度方向均为无锥度设计(图2，3)，梁长度为1.0cm，宽1.0cm，厚度0.15cm。插入面角度为30度，保持面深度0.15cm，保持面角度90度。卡槽尺寸与卡钩对应，位于各矩形环中部向内1.0处，卡槽5的长宽为1.0cm*0.3cm。
装配时，将一条制备完成的表层填料6装入填料外壳1中，并在表层填料6上方放置两片夹层碳源7，再将另一条表层填料装入另一个填料外壳中，将两个填料外壳相对并用卡扣拼接固定，使夹层碳源固定在两条表层填料中间，完成一条缓释碳源填料的装配(图4,5)。
设置了2组反应器，其主体均为长方体反应器，长宽高分别为100cm、30cm、55cm，实际有效容积为150L。采用反应器底部曝气，曝气强度为2.0m3/(m3 h)。采用人工配水，进水COD浓度300mg/L，氨氮50mg/L，容积负荷0.9kg/COD·m3·d。一号反应器采用常规填料填充，二号反应器采用缓释碳源填料填充。将普通填料及缓释碳源填料分别均匀固定在一号和二号反应器中，并保证两组反应器填充比相同。
在运行过程中发现，二号反应器挂膜速率高于一号反应器。两反应器均具有良好的COD和NH4 +-N的降解效率，其去除率分别保持在95％和90％以上。但在运行29天后，一号反应器中存在较明显的NO3-N积累，其浓度为15.89±1.36mg/L，其同步硝化反硝化效果受到抑制。而在二号反应器中，NO3-N浓度仅为5.11±0.63mg/L，表明二号反应器中同步硝化反硝化效果良好。
实验同时对二号反应器填料上剩余碳源测定，以分析其缓释效果及稳定性。结果表明，缓释碳源填料中碳源含量随时间缓慢减少，运行初期，剩余碳源含量下降较快，23天后为剩余碳源量为初始状态的62％；此后碳源含量降低速率减缓，运行42天后，剩余碳源量为初始状态的43％；运行84天后，剩余碳源量仍为初始状态的29％，表明缓释碳源填料释碳时间长，释碳效果稳定。对出水COD检测发现，二号反应器出水COD始终低于50mg/L，表明缓释碳源填料不会对出水水质造成不利影响。
Claims (10)
1.一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，其特征在于，所述缓释碳源填料包括表层填料、夹层碳源及填料外壳，所述表层填料包括填料基底和可生物降解碳源，可生物降解碳源覆盖在填料基底上；所述夹层碳源是缓释性可生物降解碳源；所述填料外壳为具有卡扣的可互相连接组合的塑料构件；所述表层填料装入所述填料外壳中，在表层填料上放置夹层碳源，两个填料外壳拼接固定，通过填料外壳将夹层碳源包夹在两条表层填料中间。
2.如权利要求1所述的一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，其特征在于，所述表层填料是微生物附着的载体，所述表层填料包括填料基底、高凝胶强度琼脂粉、淀粉、乳化剂和酶促活性调节剂，通过高凝胶强度琼脂粉、淀粉、乳化剂，酶促活性调节剂将可生物降解碳源覆盖在填料基底上。
3.如权利要求2所述的一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，其特征在于，带状填料长度为50～80cm，宽度为3.0～6.0cm，厚度为2.0～4.0cm，高凝胶强度琼脂粉的凝胶强度为1000-1200g/cm2；淀粉可为普通淀粉，阳离子淀粉或醋酸酯淀粉；乳化剂为失水山梨糖醇脂肪酸酯；酶促活性调节剂为MgCl2。
4.如权利要求1～3之一所述的一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，其特征在于，所述夹层碳源制备所需材料包括：高凝胶强度琼脂粉、淀粉、乳化剂及酶促活性调节剂，其中高凝胶强度琼脂粉的凝胶强度为1000-1200g/cm2；淀粉为普通淀粉，阳离子淀粉或醋酸酯淀粉；乳化剂为失水山梨糖醇脂肪酸酯；酶促活性调节剂为MgCl2。
5.如权利要求1～3之一所述的一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，其特征在于，所述填料外壳由3个矩形环和两条肋条组成，两条肋条从左、右两个方向将矩形环串联固定，每个矩形环左侧为卡钩，右侧为卡槽，两个填料外壳可通过各自的卡钩和卡槽互相连接固定。
6.如权利要求5所述的一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，其特征在于，矩形环外径与表层填料匹配，分别为3.0～6.0cm和2.0～4.0cm，矩形环高度为2.0cm，填料外壳的矩形环和肋条厚度均为3mm，因此矩形环内径略小于表层填料，填料外壳总高度与表层填料长度相同，视表层填料长度为50～80cm。
7.如权利要求5所述的一种强化反硝化脱氮的缓释碳源填料，其特征在于，2个填料外壳可通过卡钩和卡槽相互固定，其中卡钩位于各矩形环左侧居中，梁长、宽及厚度方向均为无锥度设计，梁长度为1.0～2.0cm，宽1.0cm，厚度0.15cm；插入面角度为30度，保持面深度0.15cm，保持面角度90度；卡槽尺寸与卡钩对应，位于各矩形环右侧居中向内1.0～2.0cm处，卡槽长宽为1.0cm*0.3cm。
8.一种如权利要求1所述的强化反硝化脱氮的缓释碳源填料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)表层填料的制备步骤如下：1.1)配置2％乳化剂、1％酶促调节剂和3～5％琼脂粉水溶液，在100℃水浴中以40-60转/分钟搅拌30分钟，加入15～20％淀粉搅拌混合10分钟，制得碳源原液；1.2)将填料放入碳源原液中，在100℃水浴中以20转/分钟搅拌10分钟，使碳源原液渗入填料内部；1.3)将填料取出并冷却至室温备用；
2)夹层碳源制备步骤如下：2.1)将3-5％乳化剂和6-8％琼脂粉依次加入水中，在100℃水浴中以40-60转/分钟搅拌30分钟后，加入15-20％淀粉搅拌混合10min，制得夹层碳源原液；2.2)将制得的夹层碳源原液放入-18℃冰箱冷冻成型，取出切成22～40cm*1.5～3.0cm*1.0～1.5cm条状夹层碳源备用；
3)将一条制备完成的表层填料装入填料外壳中，在表层填料上放置夹层碳源，再将另一条表层填料装入填料外壳中，将两个填料外壳用卡扣拼接固定，将夹层碳源固定在两条表层填料中间，完成一条缓释碳源填料的装配。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述填料外壳由3个矩形环和两条肋条组成，两条肋条从左、右两个方向将矩形环串联固定，每个矩形环左侧为卡钩，右侧为卡槽，两个填料外壳可通过各自的卡钩和卡槽互相连接固定；矩形环外径与表层填料匹配。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，2个填料外壳可通过卡钩和卡槽相互固定，其中卡钩位于各矩形环左侧居中，梁长、宽及厚度方向均为无锥度设计。
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| 新型缓释碳源的制备及其性能;王润众;郝瑞霞;赵文莉;;环境工程学报(第01期);全文 * |
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