CN115583724A - 一种反硝化复合碳源及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种反硝化复合碳源及其制备方法和应用，复合碳源原料包括乙醇废水、醇类、糖类、醋酸钠、无机盐和生长因子，其中，所述乙醇废水占所述复合碳源的质量分数为40％～60％，所述醇类占所述复合碳源的质量分数为10％～15％，所述糖类占所述复合碳源的质量分数为12％～30％，所述醋酸钠占所述复合碳源的质量分数为10％～15％，所述无机盐占所述复合碳源的质量分数为2％～3％，所述生长因子占所述复合碳源的质量分数为1％～2％。本发明提供的反硝化复合碳源在有效降低污水中的总氮的同时，又具有经济安全、高效环保等优势。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种反硝化复合碳源及其制备方法和应用。
背景技术
在污水处理过程中，对于氮元素的去除，目前国内外的城市污水处理厂多采用生物法进行脱氮处理，此方法的原理主要分为以下几个步骤：(1)生活污水中的氮元素大多数是以有机氮和氨态氮的形式存在，如蛋白质、氨基酸、胺类化合物、硝基化合物、NH3和NH4 +等，有机氮化合物在氨化菌的作用下转化为氨态氮；(2)氨态氮在好氧环境下在硝化菌的作用下转化为硝态氮，及NO2 -和NO3 -；(3)在缺氧环境下硝态氮在反硝化细菌的作用下转化为氮气，即N2，并从水体中排出，在反硝化阶段需要消耗碳源，但是污水本身的碳源并不充足，其C/N值很低，因此严重制约了硝态氮转化为氮气的能力，进而影响脱氮效果，使总氮难以达到排放标准，因此需要外加碳源作为还原剂，辅助反硝化过程的进行。
按照碳源对反硝化速率的影响，碳源通常可以分为以下三种类型：第一类是易于生物降解的有机物，如甲醇、葡萄糖、蔗糖等；第二类为可慢速生物降解的有机物，如淀粉、蛋白质等；第三类为细胞物质，细菌会利用细胞成分进行内源反硝化。
在实际的废水处理过程中，由于废水量过大，往往需要投加大量碳源，造成运行成本的提高，寻找其他能够被微生物利用的廉价的碳源是一种有效降低成本的方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种反硝化复合碳源、制备方法及应用。本发明在有效降低污水中的总氮的同时，又具有经济安全、高效环保等优势。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
酒精废水，即非食用级工业酒精生产过程中产生的废水，是高浓度、高温度、高悬浮物的有机废水，酒精工业的污染以水的污染最为严重。酒精废水主要包括自蒸馏发酵成熟醪后排出的酒精糟，生产设备的洗涤水、冲洗水，以及蒸煮、糖化、发酵、蒸馏工艺的冷却水等。其主要含乙醇、淀粉、乙酸、甲醇、纤维素、蛋白质等，排放会产生大量污染。
白酒废水是窖内酒醅向下层渗漏的黄色淋浆水，它含有1％～2％的残余淀粉，0.3％～0.7％的残糖，4％～5％(V/V)的酒精，以及醋酸、腐植质和酵母菌体的自溶物等。白酒废水较酸，酸度高达5度左右，而且还有一些经过驯化的己酸菌和白酒香味的前体物质。一般情况下每生产1000kg大曲酒会产生300kg～400kg白酒废水。据测定，白酒废水的pH值为3.0～3.5、COD为25000mg/L～40000mg/L、BOD5为25000mg/L～30000mg/L，超过了国家允许的排放标准。
本发明一方面提供一种反硝化复合碳源，所述的复合碳源的原料包括乙醇废水、醇类、糖类、醋酸钠、无机盐、生长因子，其中，所述乙醇废水占所述复合碳源的质量分数为40％～60％，所述醇类占所述复合碳源的质量分数为10％～15％，所述糖类占所述复合碳源的质量分数为12％～30％，所述醋酸钠占所述复合碳源的质量分数为10％～15％，所述无机盐占所述复合碳源的质量分数为2％～3％，所述生长因子占所述复合碳源的质量分数为1％～2％。
优选地，所述乙醇废水占所述复合碳源的质量分数为40％～55％，例如，42％、44％、46％、48％、52％、54％。
优选地，所述醇类占所述复合碳源的质量分数为12％～15％，例如，13％、14％。
优选地，所述糖类占所述复合碳源的质量分数为12％～20％，例如，14％、16％、18％。
优选地，所述醋酸钠占所述复合碳源的质量分数为10％～13％，例如，11％、12％。
优选地，所述的无机盐占所述复合碳源的质量分数为2％～2.5％，例如，2.1％、2.2％、2.3％、2.4％。
优选地，所述生长因子占所述复合碳源的质量分数为1％～1.5％，例如，1.1％、1.2％、1.3％、1.4％。
优选地，所述的乙醇废水经过滤膜过滤，所述过滤膜的孔径为0.30μm～0.65μm。
优选地，所述的乙醇废水的COD当量250kg/t～500kg/t，例如，280kg/t、300kg/t、350kg/t、420kg/t、460kg/t。
进一步优选地，所述的乙醇废水的COD当量为320kg/t～450kg/t。
优选地，所述的乙醇废水为白酒废水和/或酒精废水。
进一步优选地，所述的白酒废水为生产食用酒精过程中产生的废水，所述的酒精废水为非食用级工业酒精生产过程中产生的废水。
进一步优选地，所述的白酒废水来源于浓香型白酒反应釜的釜底。
优选地，所述的醇类为乙醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇中的一种或多种。
进一步优选地，所述的醇类为乙醇。
优选地，所述的醇类的COD当量为1260kg/t～2540kg/t，例如，1300kg/t、1500kg/t、1800kg/t、2000kg/t、2400kg/t。
进一步优选地，所述的醇类的COD当量为1500kg/t～2200kg/t。
优选地，所述的糖类为葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖中的一种或多种。
优选地，所述的糖类的COD当量为60kg/t～130kg/t，例如，70kg/t、80kg/t、90kg/t、100kg/t、120kg/t。
进一步优选地，所述的糖类的COD当量为60kg/t～100kg/t。
优选地，所述的糖类为葡萄糖、果糖和蔗糖。
优选地，所述葡萄糖、所述果糖、所述蔗糖的投料质量比为(2～4.5)：(2～4.5)：1，例如：2.5：2.5：1、3：3：1。
进一步优选地，所述葡萄糖、所述果糖、所述蔗糖的投料质量比为(3～4.5)：(3～4.5)：1。
优选地，所述的醋酸钠为固体醋酸钠颗粒。
优选地，所述的醋酸钠的COD当量为450kg/t～500kg/t，例如，460kg/t、470kg/t、490kg/t。
进一步优选地，所述的醋酸钠的COD当量为455kg/t～485kg/t。
优选地，所述的无机盐包括但不限于钾盐、钠盐、钙盐、镁盐、铁盐、磷酸盐、锰盐、氯化物中的一种或多种，本发明中常用的无机盐均可以使用。
进一步优选地，所述的无机盐为钾盐、钠盐、氯化物中的一种或多种。
优选地，所述的生长因子包括但不限于氨基酸、嘌呤、嘧啶、B族维生素中的一种或多种，本发明中常用的生长因子均可以使用。
其中所述氨基酸例如为甘氨酸、亮氨酸、精氨酸、谷氨酸、天冬氨酸等天然或非天然氨基酸中的一种或多种。
优选地，所述B族维生素为维生素B1、维生素B2、维生素B3、维生素B5、维生素B6、维生素B7、维生素B9、维生素B12等中的一种或多种。
优选地，所述的复合碳源的COD当量为450kg/t～550kg/t，例如，460kg/t、470kg/t、490kg/t、500kg/t、520kg/t。
进一步优选地，所述的复合碳源的COD当量为480kg/t～530kg/t。
本发明中的COD的值是指在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂的量。
本发明第二方面提供一种上述反硝化复合碳源的制备方法，包括如下步骤：
(1)将所述的乙醇废水进行过滤；
(2)将过滤后的乙醇废水、所述的糖类、所述的醇类投入反应釜中，搅拌均匀；
(3)将所述的醋酸钠、所述的无机盐、所述的生长因子投入反应釜中，搅拌均匀，得到所述复合碳源。
本发明第三方面提供一种上述反硝化复合碳源在水处理中的应用。
优选地，根据待处理废水的总氮浓度，按照特定C/N对所述的复合碳源进行适当稀释，将稀释后的复合碳源投入厌氧池中进行反应。
进一步优选地，所述特定C/N＝4～6。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明提供的反硝化复合碳源，减少了糖类、醋酸钠、无机盐等营养物质的投加，节省了污水处理运行成本。
(2)本发明提供的反硝化复合碳源，有效解决了乙醇废水的排放及处理问题，避免了污染的风险。
(3)本发明提供的反硝化复合碳源的制备方法，操作简单，易于处理。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供一种反硝化复合碳源，其原料包括乙醇废水、醇类、糖类、醋酸钠、无机盐、生长因子。所述乙醇废水占所述复合碳源的质量分数为40％～60％，所述醇类占所述复合碳源的质量分数为10％～15％，所述糖类占所述复合碳源的质量分数为12％～30％，所述醋酸钠占所述复合碳源的质量分数为10％～15％，所述无机盐占所述复合碳源的质量分数为2％～3％，所述生长因子占所述复合碳源的质量分数为1％～2％。本发明提供的反硝化复合碳源能有效降低污水中的总氮的同时，又具有经济安全、高效环保等优势。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述。本文中若未特殊说明，“％”代表质量百分比。
实施例1
一种反硝化复合碳源A，由以下质量百分比的原料组成：白酒废水60％，乙醇10％，糖类混合物17％，醋酸钠10％，无机盐2％，生长因子1％。
其中糖类混合物是由葡萄糖、果糖和蔗糖组成，其中三者质量比为4.5：4.5：1。上述无机盐是钠盐、磷酸盐、锰盐、氯化物(质量比1：1：1：1)，上述生长因子为氨基酸、嘌呤、嘧啶、B族维生素(质量比1：1：1：1)。反硝化复合碳源A中白酒废水的COD当量为400kg/t，乙醇的COD当量为2028kg/t，糖类复合物的COD当量为63.3kg/t，醋酸钠的COD当量为480kg/t。
先将白酒废水经过0.45μm的过滤膜过滤，将上述原料分别按照上述比例称重，先在反应釜内加入过滤后的白酒废水、糖类物质和乙醇，搅拌半小时，混合均匀后，再加入醋酸钠、生长因子和无机盐，继续搅拌至搅拌均匀，即得到了反硝化复合碳源A，其COD当量为501.56kg/t。
在容积为6.5L的SBR反应器中进行模拟反硝化实验，取污水处理厂剩余污泥，维持系统内污泥浓度(MLVSS)在1000mg/L左右，原水为硝酸钠溶液，浓度为40mg/L，分别投加醋酸钠、乙醇、糖类混合物(葡萄糖、果糖和蔗糖，三者质量比为4.5：4.5：1)、复合碳源A分别作为反硝化的碳源，其中将复合碳源A进行稀释以维持系统内C/N＝5，开启搅拌，反应时间2h，通过检测不同时间的硝态氮和COD浓度对各碳源的利用效果进行检测，实验结果见表1。
实验结果显示，除糖类混合物外其他碳源的硝态氮去除效果均达到95％以上，其中与醋酸钠、乙醇相比，复合碳源A的反硝化速率略低，但市场成本低于醋酸钠、乙醇，且乙醇具有可燃性存在一定的危险。复合碳源A的反硝化速率高于糖类混合物的反硝化速率，且市场成本也低于糖类混合物，因此复合碳源A更适合作为反硝化碳源使用。
实施例2
实施例2中的复合碳源C与实施例1中的复合碳源A基本相同，不同之处在于复合碳源C不包括白酒废水，而包括酒精废水，其中酒精废水的质量占比为60％，其COD当量为420kg/t，其他组份及其比例均与实施例1相同，复合碳源C制备方法与实施1相同，其制得的复合碳源C的COD当量为513.56kg/t。
对实施例2中的复合碳源C的利用效果进行检测，其检测步骤与实施例1相同，检测的实验结果见表1。
实验结果显示，复合碳源C的反硝化速率为8.2456mg NO3 --N/(gVSS.h-1)，复合碳源C的反硝化速率仅次于醋酸钠和乙醇，且市场成本低，与糖类混合物相比，反硝化速率高，且成本低，因此复合碳源C适合作为反硝化碳源使用。
对比例1
该对比例中的复合碳源B与实施例1中的复合碳源A组份相同，不同之处在于复合碳源B中白酒废水、乙醇、糖类、醋酸钠的质量占比不同，其中，白酒废水30％，乙醇20％，糖类20％，醋酸钠27％，无机盐2％，生长因子1％。
复合碳源B制备方法与实施1相同，制得的复合碳源B的COD当量为667.86kg/t。
对该对比例中复合碳源B的利用效果进行检测，其检测步骤与实施例1相同，检测的实验结果见表1。
实验结果显示，反硝化速率为6.3395mg NO3 --N/(gVSS.h-1)，硝态氮的去除效率为75.23％，整体效果均次于实施例1和实施例2中复合碳源反硝化效果。
对比例2
对比例2中的复合碳源D与实施例2中的复合碳源C组份相同，不同之处在于复合碳源D中酒精废水、乙醇、糖类、醋酸钠的质量占比不同，其中，酒精废水20％，乙醇20％，糖类25％，醋酸钠32％，无机盐2％，生长因子1％。
复合碳源D制备方法与实施1相同，制得的复合碳源D的COD当量为659.03kg/t。
对该对比例中复合碳源D的利用效果进行检测，其检测步骤与实施例1相同，检测的实验结果见表1。
实验结果显示，反硝化速率为6.6300mg NO3 --N/(gVSS.h-1)，硝态氮的去除效率为78.51％，整体效果均次于实施例1和实施例2中复合碳源反硝化效果。
表1
以上结果显示：
(1)本发明提供的反硝化复合碳源，能有效的保证反硝化速率，硝态氮的去除效率能达到95％以上。
(2)本发明提供的反硝化复合碳源，减少了糖类、醋酸钠、无机盐等营养物质的投加，节省了污水处理运行成本。
(3)本发明提供的反硝化复合碳源，有效解决了乙醇废水的排放及处理问题，避免了污染的风险。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (13)
1.一种反硝化复合碳源，其特征在于，所述的复合碳源的原料包括乙醇废水、醇类、糖类、醋酸钠、无机盐和生长因子，其中，所述乙醇废水占所述复合碳源的质量分数为40％～60％，所述醇类占所述复合碳源的质量分数为10％～15％，所述糖类占所述复合碳源的质量分数为12％～30％，所述醋酸钠占所述复合碳源的质量分数为10％～15％，所述无机盐占所述复合碳源的质量分数为2％～3％，所述生长因子占所述复合碳源的质量分数为1％～2％。
2.根据权利要求1所述的反硝化复合碳源，其特征在于，所述的乙醇废水经过滤膜过滤，所述过滤膜的孔径为0.30μm～0.65μm；和/或，所述的乙醇废水的COD当量为250kg/t～500kg/t。
3.根据权利要求1所述的反硝化复合碳源，其特征在于，所述的乙醇废水主要包括白酒废水和/或酒精废水。
4.根据权利要求1所述的反硝化复合碳源，其特征在于，所述的醇类为乙醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇中的一种或多种；和/或，所述的醇类的COD当量为1260kg/t～2540kg/t。
5.根据权利要求1所述的反硝化复合碳源，其特征在于，所述的糖类为葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖中的一种或多种；和/或，所述的糖类的COD当量为60kg/t～130kg/t。
6.根据权利要求5所述的反硝化复合碳源，其特征在于，所述的糖类为葡萄糖、果糖和蔗糖，其中，所述葡萄糖、所述果糖、所述蔗糖的投料质量比为(2～4.5)：(2～4.5)：1。
7.根据权利要求1所述的反硝化复合碳源，其特征在于，所述的醋酸钠为固体醋酸钠颗粒；和/或，所述的醋酸钠的COD当量为450kg/t～500kg/t。
8.根据权利要求1所述的反硝化复合碳源，其特征在于，所述的无机盐为钾盐、钠盐、钙盐、镁盐、铁盐、磷酸盐、锰盐、氯化物中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的反硝化复合碳源，其特征在于，所述的生长因子为氨基酸、嘌呤、嘧啶、B族维生素中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的反硝化复合碳源，其特征在于，所述的复合碳源的COD当量为450kg/t～550kg/t。
11.一种如权利要求1-10任一项所述的反硝化复合碳源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将所述的乙醇废水进行过滤；
(2)将过滤后的乙醇废水、所述的糖类、所述的醇类投入反应釜中，搅拌均匀；
(3)将所述的醋酸钠、所述的无机盐、所述的生长因子投入反应釜中，搅拌均匀，得到所述复合碳源。
12.一种如权利要求1-10任一项所述的反硝化复合碳源在水处理中的应用。
13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于，根据待处理废水的总氮浓度，按照特定C/N对所述的复合碳源进行适当稀释，将稀释后的复合碳源投入厌氧池中进行反应。
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