CN114790036A - 一种缓释型固态碳源及其应用和一种污水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及污水处理技术领域，具体涉及一种缓释型固态碳源及其应用和一种污水处理装置。所述缓释型固态碳源包括体积比为(4～50):1的玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯固态碳源；所述玉米芯固态碳源是由玉米芯依次经过酸处理、碱处理和紫外线处理得到；所述高分子改性聚氨酯固态碳源的制备方法包括以下步骤：S1：热塑性聚氨酯和改性剂经过熔体共混法反应，得到热塑性聚氨酯熔体；S2：所述热塑性聚氨酯熔体和碳源经过熔体共混法反应，得到共混物；S3：所述共混物经过浇注成型，得到所述高分子改性聚氨酯固态碳源；所述热塑性聚氨酯、改性剂和碳源的重量比为1:(0.5～2):(5～20)。本申请提高了污水处理的脱氮效果。
Description
技术领域
本申请涉及污水处理技术领域，具体涉及一种缓释型固态碳源及其应用和一种污水处理装置。
背景技术
传统的生物脱氮处理工艺主要是利用微生物在缺氧条件下进行反硝化脱氮，反硝化细菌利用碳源作为电子供体，将水中的硝态氮和亚硝态氮还原成氮气，达到脱氮的效果。水中的碳氮比(C/N)应该保持在5以上，方可达到显著的脱氮效率。但是在污水处理工程实际运行中，传统生物脱氮工艺存在诸多不足，如污水在C/N较低时，微生物因碳源不足而无法进行反硝化作用，为提高脱氮效果需要外加碳源等。
外加碳源包括液态碳源和固态碳源。
其中，液态碳源包括甲醇、葡萄糖、乙酸、乙酸钠等，具有易溶解、反应速度快等特点，但是投加溶解性碳源容易造成投加不足或者过量的问题，不仅增加了反硝化的成本，而且导致系统运行复杂及二次污染等比较突出的问题。
固态碳源可以分为三类：一类是由人工合成的可生物降解的高分子聚合物，如人工合成的聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)等材料，该材料的主要特点是价格相对较高、营养过于单一，应用受到限制；二类是以纤维素为主的天然材料，如甘草、芦苇、玉米芯、麦秆等，其机械强度较低，使用寿命短；三类是对天然材料进行添加合成的新型复合材料。固态碳源在物理、生物等协同作用下，可以缓慢释放碳源，解决了投加量不易控制或者初期释放量过高等诸多不利问题。
因此，选择高效稳定的缓释碳源材料以提高污水处理的脱氮效果具有重要的意义。
发明内容
为了提高污水处理的脱氮效果，本申请提供一种缓释型固态碳源及其应用和一种污水处理装置。
第一方面，本申请提供的一种缓释型固态碳源，采用如下技术方案：
一种缓释型固态碳源，包括体积比为(4～50):1(例如：4:1、20:1、50:1)的玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯固态碳源，所述玉米芯固态碳源的体积为40～80cm3，所述高分子改性聚氨酯固态碳源的体积为40～80cm3；
所述玉米芯固态碳源是由玉米芯依次经过酸处理、碱处理和紫外线处理得到；
所述高分子改性聚氨酯固态碳源的制备方法包括以下步骤：
S1：热塑性聚氨酯和改性剂经过熔体共混法反应，得到热塑性聚氨酯熔体；
S2：所述热塑性聚氨酯熔体和碳源经过熔体共混法反应，得到共混物；
S3：所述共混物经过浇注成型，得到所述高分子改性聚氨酯固态碳源；
所述热塑性聚氨酯、改性剂和碳源的重量比为1:(0.5～2):(5～20)(优选为1:(0.5～2):10，例如：1:0.5:10、1:1:10、1:2:10)；
所述改性剂选自二异氰酸酯基聚乙二醇、含有二异氰酸酯基聚乙二醇的预聚物中的至少一种。可选的，所述碳源选自淀粉基塑料、聚丙交酯中的至少一种。
可选的，步骤S1中，所述熔体共混法反应的反应温度为120～200℃(例如：160℃)、反应时间为1～2h(例如：1.5h)。
可选的，步骤S2中，所述熔体共混法反应的反应温度为180～210℃(例如：200℃)、反应时间为0.5～1h(例如：0.75h)。
可选的，所述高分子改性聚氨酯固态碳源的尺寸为(4～5)cm×(1～4)cm×(3～5)cm。
可选的，所述酸处理是所述玉米芯在酸处理液中浸泡10～20h(例如：12h)后沥干；所述酸处理液的溶质包括硫酸，所述酸处理液中所述硫酸的质量百分比浓度为0.5～10％(例如：5％)。
可选的，所述碱处理是所述玉米芯在碱处理液中浸泡10～20h(例如：12h)后沥干；所述碱处理液的溶质包括氢氧化钠和纤维素降解酶，所述碱处理液中所述氢氧化钠的质量百分比浓度为0.5～10％(例如：5％)、所述纤维素降解酶的质量百分比浓度为5～10％(例如：8％)。可选的，所述紫外线处理是所述玉米芯经紫外线照射1～5h(例如：2h)后，静置20～30h(例如：24h)。
可选的，所述紫外线的波长为180～270nm，例如：200nm。
可选的，所述玉米芯固态碳源的尺寸为(4～5)cm×(1～4)cm×(3～5)cm。
可选的，所述玉米芯在依次经过酸处理、碱处理和紫外线处理之前，依次经过洗净处理、切割处理和干燥处理。
可选的，所述干燥处理的温度为80～100℃，例如：90℃。
可选的，所述干燥处理的时间为20～30h，例如：24h。
第二方面，本申请提供的一种缓释型固态碳源在污水处理中的应用。
可选的，所述缓释型固态碳源应用在污水处理中的缺氧区。所述缓释型固态碳源在所述缺氧区中的填充率为45％～70％，例如：60％。
可选的，所述型固态碳源还可以应用在污水处理中的选择区。所述缓释型固态碳源在所述选择区中的填充率为45％～70％，例如：60％。
第三方面，本申请提供的一种污水处理装置，采用如下技术方案：
一种污水处理装置，包括所述缓释型固态碳源。
可选的，所述缓释型固态碳源应用在所述污水处理装置中的缺氧区。所述缓释型固态碳源在所述缺氧区中的填充率为45％～70％，例如：60％。
可选的，所述型固态碳源还可以应用在污水处理装置中的选择区。所述缓释型固态碳源在所述选择区中的填充率为45％～70％，例如：60％。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
第一、本申请通过采用玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯填料，协同提高了污水处理的脱氮效果；其中，TN去除率可达60.42％～83.56％、NH3-N去除率可达95.42％～96.87％。
第二、本申请中高分子改性聚氨酯固态碳源通过采用改性剂，可以显著提高缓释型固态碳源的污水处理的脱氮效果。
第三、为保障缓释型固态碳源的污水处理的脱氮效果，本申请中玉米芯固态碳源的酸处理步骤、碱处理步骤、紫外线处理，三者缺一不可。
附图说明
图1是本申请在性能检测试验中的污水处理装置的俯视图；
图2是本申请在性能检测试验中的污水处理装置的侧视图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
玉米芯固态碳源的制备
玉米芯固态碳源的制备例1
玉米芯固态碳源的制备方法，具体包括以下步骤：
玉米芯依次经过洗净处理、切割处理、干燥处理、酸处理、碱处理和紫外线处理，得到玉米芯固态碳源。
具体的，洗净处理是采用水对玉米芯进行洗净；
切割处理是采用切割机对玉米芯进行切割，切割后的玉米芯的尺寸为(4～5)cm×(1～4)cm×(3～5)cm、体积为40～80cm3；
干燥处理是将玉米芯放置于温度为90℃的干燥箱中干燥24h；
酸处理是玉米芯在酸处理液中浸泡12h后沥干；酸处理液的溶质为硫酸，且酸处理液中硫酸的质量百分比浓度为5％；
碱处理是玉米芯在碱处理液中浸泡12h后沥干；碱处理液的溶质为氢氧化钠和纤维素降解酶，碱处理液中氢氧化钠的质量百分比浓度为5％、纤维素降解酶的质量百分比浓度为8％；
紫外线处理是玉米芯经波长为200nm的紫外线照射2h后，静置24h。
玉米芯固态碳源的制备对比例1
与玉米芯固态碳源的制备例1相比，不同的是：玉米芯固态碳源的制备对比例1未经过酸处理。
玉米芯固态碳源的制备对比例2
与玉米芯固态碳源的制备例1相比，不同的是：玉米芯固态碳源的制备对比例2未经过碱处理。
玉米芯固态碳源的制备对比例3
与玉米芯固态碳源的制备例1相比，不同的是：玉米芯固态碳源的制备对比例3的碱处理步骤中的碱处理剂不同。具体的，玉米芯固态碳源的制备对比例3中碱处理液的溶质为氢氧化钠，且碱处理液中氢氧化钠的质量百分比浓度为5％。
玉米芯固态碳源的制备对比例4
与玉米芯固态碳源的制备例1相比，不同的是：玉米芯固态碳源的制备对比例4的碱处理步骤中的碱处理剂不同。具体的，玉米芯固态碳源的制备对比例4中碱处理液的溶质为纤维素降解酶，且纤维素降解酶的质量百分比浓度为8％。
玉米芯固态碳源的制备对比例5
与玉米芯固态碳源的制备例1相比，不同的是：玉米芯固态碳源的制备对比例5未经过紫外线处理。
高分子改性聚氨酯固态碳源的制备
高分子改性聚氨酯固态碳源的制备方法，包括以下步骤：
S1：热塑性聚氨酯和改性剂在反应温度为160℃的条件下进行熔体共混法反应1.5，得到热塑性聚氨酯熔体；
S2：热塑性聚氨酯熔体和碳源在反应温度为200℃的条件下进行熔体共混法反应0.75h，得到填料共混物；
S3：填料共混物经过浇注成型，再经过切割机切割，得到尺寸为(4～5)cm×(1～4)cm×(3～5)cm、体积为40～80cm3的高分子改性聚氨酯固态碳源。
高分子改性聚氨酯固态碳源的制备例1～4和制备对比例1
高分子改性聚氨酯固态碳源的制备例1～4和制备对比例1的原料配比如表1所示。
表1高分子改性聚氨酯固态碳源的制备例1～4和制备对比例1的原料配比
缓释型固态碳源的实施例
高分子改性聚氨酯固态碳源的制备方法，具体包括以下步骤：
采用铁丝或钢筋将玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯固态碳源进行串联固定，且玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯固态碳源分别均匀分布在铁丝或钢筋上。
实施例1～6和对比例1～8
实施例1～6和对比例1～8的原料配比如表2所示。
表2实施例1～6和对比例1～8的原料配比
性能检测试验
实施例1～6和对比例1～8的缓释型固态碳源和对照组采用相同的实验装置进行性能检测试验，结果如表3所示。
其中，实验装置为如图1-2所示的污水处理装置，以雨污混合污水为原水。处理工艺流程为：污水经由进水口进入设备，之后顺次流经选择区、缺氧区、好氧区、点解导流区和缓冲区，最后经由集水渠的排水口排出；选择区和缺氧区之间设有隔板，并且隔板上均布有过水孔；好氧区设有悬浮填料；集水渠在垂直于集水渠长度方向的截面上呈U型，且集水渠的开口位于集水渠的上侧，集水渠的侧壁在开口位置上呈锯齿型设置；风机通过管道分别联通于曝气盘、两个气提回流管。
其中，污水处理装置的尺寸为宽3m×长5.4m×高3m，处理能力为5m3/h，水力停留时间(HRT)为8h。选择区停留时间为0.7h，缺氧区停留时间为1.3h，好氧区停留时间5.4h，缓冲区停留时间0.6h。
其中，缓释型固态碳源悬挂在选择区和缺氧区，且缓释型固态碳源在选择区和缺氧区的填充率均为60％。
设备启动：运行初期，通过接种污水厂活性污泥。培养活性污泥周期约为2周，考虑到进水浓度较低，为快速挂膜培养，采用营养液调配污水浓度比例按C:N:P＝100:5:1进行调整，稳定挂膜，保证系统污泥浓度达到2000～3000mg/L时基本属于正常运行工况。挂膜正常后，按设计原水进水，充满设备，闷爆停留。当测得缺氧段的C:N＞5:1时，通过气提回流逐渐提升好氧区的污水回流量，按100～300％逐渐提升。最终测得好氧区的总氮去除率达到70％以上认为系统正常启动，开始稳定运行。
稳定运行：污水处理装置污泥浓度3000mg/L，污水经过选择区的停留时间为0.7h，缺氧区停留时间为1.3h，好氧区停留时间5.4h，缓冲区停留时间0.6h，按上述工况连续稳定运行。
在污水处理装置的进水口、选择区的中部、缺氧区的中部、好氧区的中部、排水口分别设置检测点，检测雨污混合污水的化学需氧量(COD)、总氮(TN)含量、氨氮(NH3-N)含量，根据检测结果计算雨污混合污水的COD去除率、TN去除率和NH3-N去除率。
COD的检测：根据GB/T 11914-1989《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》检测雨污混合污水的COD。
COD去除率的计算公式为：
TN的检测：根据GB/T 11894-1989《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》检测雨污混合污水的TN。
TN去除率的计算公式为：
NH3-N的检测：根据HJ 535-2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》检测雨污混合污水的NH3-N。
NH3-N去除率的计算公式为：
表3实施例1～6和对比例1～8缓释型固态碳源的性能检测试验结果
从表3可以看出，本申请的缓释型固态碳源提高了污水处理的脱氮效果。
通过比较实施例2～4可知，随着缓释型固态碳源中玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯填料的体积比的增大，TN去除效果越好。这是由于玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯填料的体积比越大，玉米芯固态碳源产生促降解酶越多，在缺氧段产生COD，COD可以配合降解去除总氮，并且COD和TN去除效果越好。但是，玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯填料的体积比超过一定限度以后，在处理容积一定时总氮无法继续降解，再增加玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯填料的体积比意义不大。
通过比较实施例3、对比例2和对比例8可知，就NH3-N去除率而言，实施例3略高于对比例2和对比例8；就TN去除率而言，实施例3显著高于对比例2和对比例8。实施例3、对比例2和对比例8缓释型固态碳源的区别仅在于，实施例3的缓释型固态碳源由玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯填料组成，对比例2的缓释型固态碳源仅由玉米芯固态碳源组成，对比例8的缓释型固态碳源仅由高分子改性聚氨酯固态碳源组成。由此可知，缓释型固态碳源中的玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯填料在提升污水处理的脱氮效果方面，两者缺一不可。
通过比较实施例3和对比例1可知，实施例3的NH3-N去除率和TN去除率均高于对比例1，尤其是实施例3的TN去除率显著高于对比例1。实施例3和对比例1的区别仅在于，实施例3中的高分子改性聚氨酯固态碳源加入了改性剂，对比例1中的高分子改性聚氨酯固态碳源没有加入改性剂。由此可知，高分子改性聚氨酯固态碳源中改性剂的加入可以显著影响缓释型固态碳源的污水处理的脱氮效果。
通过比较实施例3和对比例3可知，实施例3的NH3-N去除率和TN去除率均高于对比例3，尤其是实施例3的TN去除率显著高于对比例3。实施例3和对比例3的区别仅在于，实施例3中的玉米芯固态碳源经过了酸处理步骤，对比例3中的玉米芯固态碳源没有经过酸处理步骤。由此可知，玉米芯固态碳源中的酸处理步骤显著影响缓释型固态碳源的污水处理的脱氮效果。
通过比较实施例3和对比例4可知，实施例3的NH3-N去除率和TN去除率均高于对比例4，尤其是实施例3的TN去除率显著高于对比例4。实施例3和对比例4的区别仅在于，实施例3中的玉米芯固态碳源经过了碱处理步骤，对比例4中的玉米芯固态碳源没有经过碱处理步骤。由此可知，玉米芯固态碳源中的碱处理步骤显著影响缓释型固态碳源的污水处理的脱氮效果。
再进一步，通过比较实施例3和对比例5～6可知，实施例3的NH3-N去除率和TN去除率均高于对比例5～6，尤其是实施例3的TN去除率显著高于对比例5～6。实施例3和对比例5～6的区别仅在于，在玉米芯固态碳源的碱处理步骤中，实施例3和对比例5～6使用的碱处理剂不同；具体的，实施例3的碱处理剂包含纤维素降解酶和氢氧化钠，对比例5的碱处理剂仅包含氢氧化钠，对比例6的碱处理剂仅包含纤维素降解酶。由此可知，玉米芯固态碳源中碱处理步骤中的碱处理剂可以显著影响缓释型固态碳源的污水处理的脱氮效果。
通过比较实施例3和对比例7可知，实施例3的NH3-N去除率和TN去除率均高于对比例7，尤其是实施例3的TN去除率显著高于对比例7。实施例3和对比例7的区别仅在于，实施例3中的玉米芯固态碳源经过了紫外线处理步骤，对比例4中的玉米芯固态碳源没有经过紫外线处理步骤。由此可知，玉米芯固态碳源中的紫外线处理显著影响缓释型固态碳源的污水处理的脱氮效果。鉴于以上分析，玉米芯固态碳源中的酸处理步骤、碱处理步骤、紫外线处理步骤均显著影响缓释型固态碳源的污水处理的脱氮效果；为保障缓释型固态碳源的污水处理的脱氮效果，酸处理步骤、碱处理步骤、紫外线处理，三者缺一不可。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种缓释型固态碳源，其特征在于，包括体积比为(4～50):1的玉米芯固态碳源和高分子改性聚氨酯固态碳源，所述玉米芯固态碳源的体积为40～80cm3，所述高分子改性聚氨酯固态碳源的体积为40～80cm3；
所述玉米芯固态碳源是由玉米芯依次经过酸处理、碱处理和紫外线处理得到；
所述高分子改性聚氨酯固态碳源的制备方法包括以下步骤：
S1：热塑性聚氨酯和改性剂经过熔体共混法反应，得到热塑性聚氨酯熔体；
S2：所述热塑性聚氨酯熔体和碳源经过熔体共混法反应，得到共混物；
S3：所述共混物经过浇注成型，得到所述高分子改性聚氨酯固态碳源；
所述热塑性聚氨酯、改性剂和碳源的重量比为1:(0.5～2):(5～20)；
所述改性剂选自二异氰酸酯基聚乙二醇、含有二异氰酸酯基聚乙二醇的预聚物中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的缓释型固态碳源，其特征在于，所述碳源选自淀粉基塑料、聚丙交酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的缓释型固态碳源，其特征在于，步骤S1中，所述熔体共混法反应的反应温度为120～200℃、反应时间为1～2h。
4.根据权利要求1所述的缓释型固态碳源，其特征在于，步骤S2中，所述熔体共混法反应的反应温度为180～210℃、反应时间为0.5～1h。
5.根据权利要求1所述的缓释型固态碳源，其特征在于，所述酸处理是所述玉米芯在酸处理液中浸泡10～20h后沥干；所述酸处理液的溶质包括硫酸，所述酸处理液中所述硫酸的质量百分比浓度为0.5～10%。
6.根据权利要求1所述的缓释型固态碳源，其特征在于，所述碱处理是所述玉米芯在碱处理液中浸泡10～20h后沥干；所述碱处理液的溶质包括氢氧化钠和纤维素降解酶，所述碱处理液中所述氢氧化钠的质量百分比浓度为0.5～10%、所述纤维素降解酶的质量百分比浓度为5～10%。
7.根据权利要求1所述的缓释型固态碳源，其特征在于，所述紫外线处理是所述玉米芯经紫外线照射1～5h后，静置20～30h。
8.根据权利要求7所述的缓释型固态碳源，其特征在于，所述紫外线的波长为180～270nm。
9.一种如权利要求1至8中任意一项所述的缓释型固态碳源在污水处理中的应用。
10.一种污水处理装置，其特征在于，包括如权利要求1至8中任意一项所述的缓释型固态碳源。
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|---|---|---|---|---|
| CN115259369A (zh) * | 2022-08-05 | 2022-11-01 | 温州市工业科学研究院 | 一种利用菌糠固相反硝化的碳源制备工艺 |
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