CN112723525A - 用于污水脱氮的生物活性碳源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种用于污水脱氮的生物活性碳源，还涉及该生物活性碳源的制备方法。本发明所提供的用于污水脱氮的生物活性碳源，其特征在于，所述的生物活性碳源包括以下重量份数的原料：小分子有机酸及其盐5~25、小分子醇5~10、小分子糖15~30、酶制剂0.5~5、生长因子0.5~1、微量元素0.01~0.03和水40~60。本发明的有益效果在于：本发明所提供的生物活性碳源成分丰富，维持了反硝化菌及活性污泥微生物菌群的生物多样性，提高了系统的稳定性和抗冲击能力；本发明的产品具有成分分子量低，生化性强的特点，因此适宜于反硝化菌吸收利用，能显著提高反硝化脱氮效率。

Description

用于污水脱氮的生物活性碳源及其制备方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种用于污水脱氮的生物活性碳源，还涉及该生物活性碳源的制备方法。
背景技术
目前污水处理厂中90％以上的厂家都会采用活性污泥法来处理污水，总氮的去除主要依靠硝化反硝化工艺。由于目前城市污水COD在100～300mg/L，总氮在50～70mg/L，碳氮比失衡，实际C/N较低，大部分污水处理厂BOD5/TN＜2.59，80％的污水处理厂BOD5/TN＜3.6，仅有10％的污水处理厂BOD5/TN＞4(基本满足脱氮要求)。在温度和碳氮比的双重作用下，总氮很难稳定达标。因此投加碳源成了去除总氮的主要途径。
现在常用的、应用较广、成分明确的碳源为乙酸钠、葡萄糖、淀粉、甲醇等。其中甲醇作为碳源时，COD当量高，价格便宜，脱氮效率高，为性价比最高的碳源，但由于其属于易燃易爆危险品，且具有生物毒性，在应用上有很大的局限性；葡萄糖等糖类产品，容易引起细菌的大量繁殖，导致污泥膨胀，处理系统产泥量大，污泥处置成本相应增加；淀粉作为大分子有机物，微生物在利用之前先要通过水解酸化过程，导致反硝化脱氮速率慢，极大地限制了其应用；乙酸钠作为小分子有机酸生成的盐，反硝化菌易于利用，脱氮效果是最好的，能立即响应反硝化过程，30min就能反应完全，低温下反硝化细菌仍然活跃，能用于水厂运行时的应急处理。但是由于价格昂贵，部分污水处理厂的乙酸钠成本已经占到污水处理总成本的40％以上。
活性污泥中的反硝化菌群具有生物多样性，能利用不同成分的碳源通过不同的代谢途径为反硝化过程提供电子，完成生物脱氮。而现行污水厂运营条件下，长期投加单一成分的碳源，会逐渐破坏反硝化甚至整个生化系统的生物多样性，影响总氮及其它污染物的去除效率，大大降低了生化系统的稳定性和抗冲击能力。
在活性污泥中承担脱氮任务的反硝化菌属于异养微生物，除碳源之外，关键生长因子和微量元素对其生长繁殖和生理代谢至关重要。污水中关键生长因子和微量元素的缺失或不足，不仅会影响反硝化菌在活性污泥中的丰度，而且限制了其反硝化活性，极大地降低了生化系统的脱氮负荷。
污水处理过程中一方面降解去除其中的有机污染物，而另一方面还需要外加碳源辅助完成脱氮过程。而生化系统出水中仍有部分由于分子量大，生化降解速率慢，未完全降解但可为脱氮提供碳源的污染物被排出系统，这即影响了出水水质，又极大地造成了碳源的浪费。
因此，需要发明一种用于污水脱氮的高效生物活性碳源，以提高污水中原有碳源的利用率，降低外加碳源的投加量。
发明内容
为了解决目前脱氮过程中常投加乙酸钠、葡萄糖、甲醇等成分单一碳源存在运行成本高、投加量大、存在安全隐患、影响系统微生物多样性、营养不均衡以及降低了污水中原有碳源的利用率等问题，本发明提供了一种以小分子有机酸及其盐、小分子醇、小分子糖、酶制剂、生长因子及微量元素为原料生产的高效生物活性碳源，该高效生物活性碳源具有成本低廉、能有效提高污水中原有碳源的利用率、降低外加碳源投加量的显著优点；
本发明还提供了上述的高效生物活性碳源的制备方法。
本发明所提供的用于污水脱氮的生物活性碳源，包括以下重量份数的原料：小分子有机酸及其盐5～25、小分子醇5～10、小分子糖15～30、酶制剂0.5～5、生长因子0.5～1、微量元素0.01～0.03和水40～60。
优选的，上述的小分子有机酸及其盐的混合物的制备方法为：将无机碱与过量的小分子的有机酸反应，获得小分子有机酸及其盐的混合物；所得小分子有机酸及其盐的混合物中，小分子有机酸为1～5份；所述的小分子有机酸为乙酸、丙酸、柠檬酸或苹果酸中的至少一种；所述的小分子有机酸及其盐的混合物中含有钠盐、钙盐或钾盐中的至少一种。
上述的小分子醇为甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇中的至少一种。
上述的小分子糖为葡萄糖、果糖、麦芽糖或蔗糖中的至少一种。
上述的酶制剂为淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶或纤维素酶中的至少一种。
上述的生长因子为维生素B1、维生素B6、亮氨酸、缬氨酸、瓜氨酸、谷氨酰胺、腺苷酸、腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶或胸腺嘧啶中的至少一种。
上述的微量元素为氯化钴、硫酸镁、氯化锰、硫酸锌中的至少一种。
优选的，上述的用于污水脱氮的生物活性碳源的制备方法，包括以下步骤：
(1)按如下重量份数准备各原料：小分子有机酸及其盐5～25、小分子醇5～10、小分子糖15～30、酶制剂0.5～5、生长因子0.5～1、微量元素0.01～0.03和水40～60；
(2)向反应器中加入小分子有机酸并加水稀释；
(3)向反应器中加入碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾、氢氧化钾或氢氧化钙中的一种或几种，调pH 5.0～8.0；
(4)依次向反应器中加入小分子醇、酶制剂、生长因子和微量元素，搅拌至完全溶解，并充分混合均匀；
(5)向反应器中加入小分子糖，搅拌至完全溶解；
(6)将(5)中的溶液过滤，获得生物活性碳源。
优选的，上述的(3)向反应器中加入碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾、氢氧化钾或氢氧化钙中的一种或几种，调pH 7.0。
(6)中，过滤时采用板框滤布过滤、转鼓过滤、中空纤维膜微滤、陶瓷膜微滤的任一种方式进行。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所提供的生物活性碳源成分丰富，维持了反硝化菌及活性污泥微生物菌群的生物多样性，提高了系统的稳定性和抗冲击能力；
(2)本发明的产品具有成分分子量低，生化性强的特点，因此适宜于反硝化菌吸收利用，能显著提高反硝化脱氮效率；
(3)本发明还采用了酶制剂，酶制剂能将难降解的大分子物质分解为降解速率快的小分子物质，即提高了污水中污染物的降解率，同时降解后的小分子成分为反硝化菌脱氮提供碳源，减少了外加碳源的使用量；
(4)生长因子和微量元素的添加为微生物生长代谢提供了更为全面均衡的营养，在辅助污水脱氮的同时起到了污泥调理的作用。
具体实施方式
为了能使本领域技术人员更好的理解本发明，现结合具体实施方式对本发明进行更进一步的阐述。
实施例1
用于污水脱氮的生物活性碳源的制备方法，包括以下步骤：
(1)向反应器中加入乙酸50g，加水450g稀释至10％；
(2)向反应器中加入质量比3:1的碳酸钠和氢氧化钙，搅拌至完全溶解，调pH 6.5-7.2；
(3)依次向反应器中加入乙二醇70g、葡萄糖200g、麦芽糖35g、淀粉酶13g、脂肪酶2g、维生素B63 g、亮氨酸1g、谷氨酰胺4g、硫酸镁0.3g，搅拌至完全溶解，并充分混合均匀；
(4)向反应器中加水至反应液终重量为1000g，搅拌混合均匀；
(5)将(4)中制备的溶液经陶瓷膜过滤后，制得生物活性碳源。
实施例2
以处理造纸废水为例，用于污水脱氮的生物活性碳源的制备方法，包括以下步骤：
(1)向反应器中加入乙酸100g，加水400g稀释至20％；
(2)向反应器中加入质量比1:1的氢氧化钠和氢氧化钾，搅拌至完全溶解，调pH6.8-7.5；
(3)依次向反应器中加入乙二醇50g、丙三醇20g、葡萄糖150g、纤维素酶5g、维生素B16 g、鸟嘌呤1g、硫酸镁0.3g，搅拌至完全溶解，并充分混合均匀；
(4)向反应器中加水至反应液终重量为1000g，搅拌混合均匀；
(5)将(4)中制备的溶液经陶瓷膜过滤后，制得生物活性碳源。
实施例3
以处理皮革废水为例，用于污水脱氮的生物活性碳源的制备方法，包括以下步骤：
(1)向反应器中加入乙酸50g、丙酸20g，加水280g稀释至20％；
(2)向反应器中加入质量比2:1的氢氧化钾和氢氧化钙，搅拌至完全溶解，调pH5.5-6.0；
(3)依次向反应器中加入乙醇80g、果糖250g、麦芽糖35g、脂肪酶13g、维生素B11g、维生素B6 1g、瓜氨酸2g、氯化钴0.1g、硫酸镁0.1g、硫酸锌0.1g，搅拌至完全溶解，并充分混合均匀；
(4)向反应器中加水至反应液终重量为1000g，搅拌混合均匀；
(5)将(4)中制备的溶液经陶瓷膜过滤后，制得生物活性碳源。
实施例4
以处理玉米淀粉糖生产过程中所产生的废水为例，用于污水脱氮的生物活性碳源的制备方法，包括以下步骤：
(1)向反应器中加入乙酸50g，加水450g稀释至10％；
(2)向反应器中加入质量比3:1的碳酸钠和碳酸钾，搅拌至完全溶解，调pH 6.0-7.5；
(3)依次向反应器中加入乙醇50g、乙二醇50g、葡萄糖50g、蔗糖70g、淀粉酶6g、维生素B6 3g、谷氨酰胺2g、氯化钴0.1g、氯化锰0.1g，搅拌至完全溶解，并充分混合均匀；
(4)向反应器中加水至反应液终重量为1000g，搅拌混合均匀；
(5)将(4)中制备的溶液经陶瓷膜过滤后，制得生物活性碳源。
应用例1
为了验证本发明的碳源效果，采用常规碳源葡萄糖、乙酸钠与实施例1～4中制备的高效生物活性碳源进行反硝化试验，具体试验情况如下：
1、取某市政污水处理厂缺氧池进水端泥水混合物，检测其COD和总氮数值；
2、将泥水混合物均匀分为6份，放入6个带有磁力搅拌的烧杯中；
3、根据葡萄糖、乙酸钠及各生物活性碳源的COD当量，取对应的体积，使反应体系初始COD增加200mg/L；
4、开搅拌和温控，控制DO<0.5mg/L，控制温度25～30℃；
5、从0h开始，每隔4h取样检测反应体系中总氮含量，至系统总氮含量<15mg/L止，计算总氮脱除率；
结果如下表1所示：
表1实施例1～4中的方法反硝化试验结果
Figure BDA0002895258690000071
从上表1可以看出，较常规碳源葡萄糖和乙酸钠，本发明高效生物活性碳源，反硝化脱氮速率快，总氮脱除率高，降低了对缺氧池池容和停留时间的要求；且碳源成分组成丰富，为微生物生长代谢提供了更为全面均衡的营养，在辅助污水脱氮的同时起到了污泥调理的作用，长期使用有利于提高系统的稳定性和抗冲击能力。
应用例2
本案例为规模化应用案例，将本发明的方法所制备的高效生物活性碳源在造纸厂污水处理中的应用，具体如下：
山东东营某造纸厂污水处理系统，处理工艺为废水→筛网→调节→气浮→厌氧→缺氧→好氧→二沉池→深度处理→排放，缺氧池进水端COD 260mg/L，总氮100-120mg/L，碳氮比严重失衡，不足以满足出水总氮<15mg/L的脱氮要求。长期靠投加葡萄糖补充进水COD完成生物脱氮过程。为优化碳源，更换实施例2中高效生物活性碳源进水生物脱氮，更换前后相关数据如下：
表2实施例2中的碳源在污水处理中的应用效果
Figure BDA0002895258690000081
从上表2可以看出，较常规碳源葡萄糖和乙酸钠，本发明高效生物活性碳源，总氮脱除率高，且高效生物活性碳源中酶制剂能将造纸废水中难降解的大分子物质分解为降解速率快的小分子物质，降解后的小分子成分为反硝化菌脱氮提供碳源，减少了外加碳源的使用量，同时降低了生化系统出水COD指标。
可见，本发明所制备的碳源，无论是实验室小试还是大规模的应用，其对于污水处理的效果都非常显著，将本发明的碳源应用于污水处理中之后，不仅对于总氮脱除率高，并且本发明所提供的碳源中的酶制剂能将污水中难以降解的大分子物质迅速的降解为小分子，降解之后的小分子又成为反硝化过程中的碳源，从而减少了外加碳源的使用量，减少了由于投入外加碳源的成本，并且经本发明的碳源处理之后，降低了生化系统出水COD指标，水质处理效果优异。

Claims (10)

1.用于污水脱氮的生物活性碳源，其特征在于，所述的生物活性碳源包括以下重量份数的原料：小分子有机酸及其盐的混合物5~25、小分子醇5~10、小分子糖15~30、酶制剂0.5~5、生长因子0.5~1、微量元素0.01~0.03和水40~60。
2.如权利要求1所述的用于污水脱氮的生物活性碳源，其特征在于，
所述的小分子有机酸及其盐的混合物的制备方法为：将无机碱与过量的小分子有机酸反应，获得小分子有机酸及其盐的混合物；所得小分子有机酸及其盐的混合物中，小分子有机酸为1~5份；所述的小分子有机酸为乙酸、丙酸、柠檬酸或苹果酸中的至少一种；所述的小分子有机酸及其盐的混合物中含有钠盐、钙盐或钾盐中的至少一种。
3.如权利要求1所述的用于污水脱氮的生物活性碳源，其特征在于，所述的小分子醇为甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇中的至少一种。
4.如权利要求1所述的用于污水脱氮的生物活性碳源，其特征在于，小分子糖为葡萄糖、果糖、麦芽糖或蔗糖中的至少一种。
5.如权利要求1所述的用于污水脱氮的生物活性碳源，其特征在于，所述的酶制剂为淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶或纤维素酶中的至少一种。
6.如权利要求1所述的用于污水脱氮的生物活性碳源，其特征在于，所述的生长因子为维生素B1、维生素B6、亮氨酸、缬氨酸、瓜氨酸、谷氨酰胺、腺苷酸、腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶或胸腺嘧啶中的至少一种。
7.如权利要求1所述的用于污水脱氮的生物活性碳源，其特征在于，所述的微量元素为氯化钴、硫酸镁、氯化锰、硫酸锌中的至少一种。
8.如权利要求1所述的用于污水脱氮的生物活性碳源的制备方法，包括以下步骤：
（1）按如下重量份数准备各原料：小分子有机酸及其盐5~25、小分子醇5~10、小分子糖15~30、酶制剂0.5~5、生长因子0.5~1、微量元素0.01~0.03和水40~60；
（2）向反应器中加入小分子有机酸并加水稀释；
（3）向反应器中加入碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾、氢氧化钾或氢氧化钙中的一种或几种，调pH 5.0~8.0；
（4）依次向反应器中加入小分子醇、酶制剂、生长因子和微量元素，搅拌至完全溶解，并充分混合均匀；
（5）向反应器中加入小分子糖，搅拌至完全溶解；
（6）将（5）中的溶液过滤，获得生物活性碳源。
9.如权利要求8所述的用于污水脱氮的生物活性碳源的制备方法，其特征在于，（3）向反应器中加入碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾、氢氧化钾或氢氧化钙中的一种或几种，调pH 7.0。
10.如权利要求8所述的用于污水脱氮的生物活性碳源的制备方法，其特征在于，（6）中，过滤时采用板框滤布过滤、转鼓过滤、中空纤维膜微滤、陶瓷膜微滤的任一种方式进行。
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