CN113697950B - 一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质及其应用方法 - Google Patents

一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质及其应用方法，属于生物技术与环境保护领域，本技术方案主要用于污水或地表水体脱氮。本发明中的硫基质配方能够同时触发硫自养反硝化、异养反硝化和亚铁反硝化等生物反应过程，提高污水或地表水脱氮效果，降低硫自养反硝化反应生成的硫酸盐浓度，并且本发明中的硫基质应用过程无需高温高压，可在室温下进行涂层操作，过程简便，加工成本低廉，有效解决了现有硫自养反硝化技术所存缺陷。

Description

一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质及其应用方法
技术领域
本发明属于生物技术与环境保护领域，本技术方案主要用于污水或地表水体脱氮，特别涉及一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质及其应用方法。
背景技术
在我国城市受纳水体、污水处理厂、工业企业纯水系统制备过程中均存在着大量氮污染严重的废水，使得水质呈现出低碳高氮的特点。为维持污染受纳水体的水生态环境，避免水质出现恶化，必须对低碳源废水进行脱氮处理，实现达标排放。
传统反硝化脱氮是利用异养微生物菌群以有机物碳源作为电子供体将硝态氮还原，反应过程需要消耗碳源。对于低碳高氮废水的处理，由于其有机物含量低，在传统脱氮处理过程中需额外添加有机碳源以满足异养反硝化对电子供体的需求。添加甲醇、乙酸钠、葡萄糖等碳源实现反硝化脱氮，一方面存在着碳源投加不足或过量影响出水水质且可能引起二次污染的问题，另一方面也增加了运行成本。硫自养反硝化技术是以S2-、S单质、S2O3 2-和SO3 2-等还原态硫为电子供体，以CO3 2-等无机碳作为碳源的生物反硝化，硫自养反硝化因其不需要投加有机碳源、运行费用低及污泥产率低等优势，已逐渐被应用于地下水、水产养殖尾水、市政污水及工业废水等低碳氮比的水质净化处理中。
目前用于生物脱氮的硫自养反硝化基质主要采用硫磺或硫化物。由于二者均呈水不溶性，生物脱氮硫自养反硝化时，一种技术是将硫磺或硫化物放置于固定床反应器的方式，但采用固定床反应器进行硫自养反硝化不可避免地存在床体易堵塞、水头损失大和脱氮效率低等问题；另一种技术是将硫磺高温熔融负载于污水或地表水净化所用的填料表面，但该技术需要专用的熔融设备在高温条件下完成涂层负载，且负载后形成的硫涂层松脆易裂，大大增加了该方法的操作难度和硫涂层制备成本。
因此如何解决现有技术所存的缺陷，是本领域技术人员亟需攻克的难题。
发明内容
针对现有技术所存在的不足，本发明目的在于研究一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质及其应用方法，实现低温条件下将用于硫自养反硝化的硫基质涂层在纤维填料表面，以有效避免高温熔融涂层的复杂操作。
为实现上述发明目的，本发明提供技术方案如下：
一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质，其特征在于，所述硫自养反硝化基质包含硫基质40～70份，引发剂30～50份，缓冲剂1～5份，增韧剂1～10份，还原剂1～15份，增效剂0.1～1份。
优选的，所述硫基质为硫磺或水不溶性的金属硫化物中的一种或二者混合。
优选的，所述引发剂为生石灰或熟石灰中的一种或二者混合。
优选的，所述缓冲剂为不溶或微溶于水的碳酸盐中的一种或几种混合。
优选的，所述缓冲剂为碳酸钙或碳酸镁中的一种或几种混合。
优选的，所述增韧剂为短切植物纤维、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、双酚A型环氧树脂、线性酚醛树脂和脂肪族环氧树脂中的一种或几种混合，
优选的，所述还原剂为硫化亚铁，所述增效剂为十二烷基磺酸钠、脂肪醇醚羧酸盐、拉开粉或脂肪酸甲酯磺酸盐中的一种或几种混合。
2.种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质的应用方法，包括以下步骤：
1)按比例称取硫基质、引发剂、缓冲剂、增韧剂、还原剂和增效剂，分别磨碎，过100～200目筛，将粉体备用；
2)将上述粉体混合用水调制成糊状；
3)将上述糊状物直接涂布于污水处理或地表水净化用的载体上形成硫基质涂层，涂层厚度不高于1cm，晾干成型；
4)将上述晾干后的硫涂层载体浸泡于浓度为5％～30％的碳酸钠溶液中1～5h，取出后充分晾干，得到最终的硫基质涂层填料。
优选的，所述步骤2)粉体与水的添加比例为1:0.5-5。
本发明的有益效果在于：
1、本发明中的硫基质配方能够同时触发硫自养反硝化、异养反硝化和亚铁反硝化等生物反应过程，提高污水或地表水脱氮效果，降低硫自养反硝化反应生成的硫酸盐浓度。
2、本发明中的硫基质应用过程无需高温高压，可在室温下进行涂层操作，过程简便，加工成本低廉。
3、本发明生产的硫基质涂层可完全生物降解，因此，使用后的填料可再次涂层，反复使用，节约成本。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1硫自养反硝化基质脱氮效果；
图2为实施例2硫自养反硝化基质脱氮效果；
图3为实施例3硫自养反硝化基质脱氮效果。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例中，一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质包括以下原料：硫磺粉60份，生石灰32.8份，碳酸钙0.5份，碳酸镁0.5份，短切棉纤维1份，硫化亚铁5份，十二烷基磺酸钠0.1份，脂肪醇醚羧酸钠0.1。
按比例称取硫磺粉、生石灰、碳酸钙、碳酸镁、短切棉纤维、硫化亚铁、十二烷基磺酸钠和脂肪醇醚羧酸钠0.1，分别磨碎，过150目筛后，将所有物料充分混合后备用。向上述粉料中加入等体积的水，将混合料调至粘稠状并混合均匀。将上述粘稠状物料直接涂布于污水处理用的弹性填料上形成硫基质涂层，晾干成型。将上述晾干后的硫涂层弹性填料浸泡于浓度为10％的碳酸钠溶液中2h，取出后充分晾干，得到最终的硫基质涂层弹性填料。
将制备的弹性填料按照10％的填充比悬挂到有效容积为2.7L的上流式厌氧污泥床反应器中，同时接种10％的污泥，设置停留时间为8h，室温下运行。反应器进水采用模拟废水，废水主要组成(g/L)：0.4KNO3，0.027KH2PO4，0.02MgCl2·6H2O，0.5NaHCO3。结果如图1，在连续流实验中，采用本发明制备的硫基质涂层填料能够快速启动硫自养反硝化工艺，3d时硝酸盐去除率可达到78.6％，7d时硝酸盐去除率即可达到98.3％，并在之后的运行中维持稳定的硝酸盐去除率。
实施例2
本实施例中，一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质包括以下原料：硫磺粉58.7份，生石灰20份，熟石灰6份，碳酸钙5份，短切棉纤维2份，聚乙烯醇5份，硫化亚铁3份，十二烷基磺酸钠0.1份，脂肪酸甲酯磺酸0.2份。
按比例称取硫磺粉、生石灰、熟石灰、碳酸钙、短切棉纤维、聚乙烯醇、硫化亚铁和十二烷基磺酸钠，分别磨碎，过100目筛后，将所有物料充分混合后备用。向上述粉料中加入3倍体积的水，将混合料调至粘稠状并混合均匀。将上述粘稠状物料直接涂布于污水处理用的中空圆筒形填料内表面上形成硫基质内涂层，晾干成型。将上述晾干后的硫涂层填料浸泡于浓度为20％的碳酸钠溶液中3h，取出后充分晾干，得到最终的硫基质涂层填料。
采用下述组分作为模拟废水(g/L)：1.0KNO3，0.2KH2PO4，0.2MgCl2·6H2O，0.5NaHCO3。将制备的硫涂层填料按照30g/L投加量投加到有效容积为500mL的厌氧瓶中，同时接种10％的脱氮硫杆菌菌液，该混合物在30℃下黑暗培养。设定每隔6h取样测定硝酸盐浓度，结果如图2，在批式实验中，硫基质涂层能够作为有效的硫源供脱氮硫杆菌使用，当培养至12h，硝酸盐的去除率即可达到98.9％。
实施例3
本实施例中，一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质包括以下原料：硫磺粉48.5份，生石灰40份，碳酸镁1份，碳酸钙3份，线性酚醛树脂2份，羟乙基纤维素3份，聚乙烯醇1份，硫化亚铁1份，拉开粉0.2份，十二烷基磺酸钠0.3份。
按比例称取上述物料，分别磨碎，过100目筛后，将所有物料充分混合后备用。向上述粉料中加入4倍体积的水，将混合料调至粘稠状并混合均匀。将上述粘稠状物料直接涂布于地表水净化用的生态基表面上，形成硫基质涂层，晾干成型。将上述晾干后的硫涂层填料浸泡于浓度为15％的碳酸钠溶液中2.5h，取出后充分晾干，得到最终的硫基质涂层填料。
采用池塘养殖水作为净化对象，原水水质：高锰酸盐指数12.25mg/L，硝酸盐氮2.2mg/L，亚硝酸盐氮0.5mg/L。将制备的硫涂层生态基按照0.8g/L投加量投加到有效容积为500mL的厌氧瓶中，同时接种0.1％的脱氮硫杆菌菌液，该混合物在30℃下黑暗培养。每隔0.5h取样测定硝酸盐和亚硝酸盐浓度。结果如图3，在池塘养殖水批式实验中，硫基质涂层能够作为有效的硫源供脱氮硫杆菌使用，当培养至1.5h，池塘养殖尾水中硝酸盐氮的去除率达到96.7％，亚硝酸盐氮的去除率达到99.7％。
因本发明中的硫基质配方能够同时触发硫自养反硝化、异养反硝化和亚铁反硝化等生物反应过程，通过上述实施例可充分说明本技术方案可有效提高污水或地表水脱氮效果，降低硫自养反硝化反应生成的硫酸盐浓度。并且本发明中的硫基质制备过程无需高温高压，可在室温下进行涂层操作，制备过程简便，加工成本低廉。另外本发明生产的硫基质涂层可完全生物降解，因此，使用后的填料可再次涂层，反复使用，节约成本。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质，其特征在于，按重量份数计，所述硫自养反硝化基质包含硫基质40～70份，引发剂30～50份，缓冲剂1～5份，增韧剂1～10份，还原剂1～15份，增效剂0.1～1份；所述引发剂为生石灰或熟石灰中的一种或二者混合；
所述用于生物脱氮的硫自养反硝化基质的应用方法，包括以下步骤：
1)按比例称取硫基质、引发剂、缓冲剂、增韧剂、还原剂和增效剂，分别磨碎，过100～200目筛，将粉体备用；
2)将上述粉体混合用水调制成糊状；
3)将上述糊状物直接涂布于污水处理或地表水净化用的载体上形成硫基质涂层，涂层厚度不高于1cm，晾干成型；
4)将上述晾干后的硫涂层载体浸泡于浓度为5％～30％的碳酸钠溶液中1～5h，取出后充分晾干，得到最终的硫基质涂层填料。
2.根据权利要求1所述一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质，其特征在于，所述硫基质为硫磺或水不溶性的金属硫化物中的一种或二者混合。
3.根据权利要求1所述一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质，其特征在于，所述缓冲剂为不溶或微溶于水的碳酸盐中的一种或几种混合。
4.根据权利要求1所述一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质，其特征在于，所述缓冲剂为碳酸钙或碳酸镁中的一种或几种混合。
5.根据权利要求1所述一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质，其特征在于，所述增韧剂为短切植物纤维、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、双酚A型环氧树脂、线性酚醛树脂和脂肪族环氧树脂中的一种或几种混合。
6.根据权利要求1所述一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质，其特征在于，所述还原剂为硫化亚铁，所述增效剂为十二烷基磺酸钠、脂肪醇醚羧酸盐、拉开粉或脂肪酸甲酯磺酸盐中的一种或几种混合。
7.权利要求1所述一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按比例称取硫基质、引发剂、缓冲剂、增韧剂、还原剂和增效剂，分别磨碎，过100～200目筛，将粉体备用；
2)将上述粉体混合用水调制成糊状；
3)将上述糊状物直接涂布于污水处理或地表水净化用的载体上形成硫基质涂层，涂层厚度不高于1cm，晾干成型；
4)将上述晾干后的硫涂层载体浸泡于浓度为5％～30％的碳酸钠溶液中1～5h，取出后充分晾干，得到最终的硫基质涂层填料。
8.根据权利要求7所述一种用于生物脱氮的硫自养反硝化基质的应用方法，其特征在于，所述步骤2)粉体与水的添加体积比例为1:0.5-5。
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