CN115818841A - 一种复合碳源的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了一种复合碳源的制备方法及其应用，涉及污水处理技术领域。通过加入亚铁离子的方式改良制作方法，研制出新型复合碳源基质，基质既能为反硝化作用提供碳源物质，又能作为反硝化菌的生长载体，促使反硝化作用高效进行，提高水体中氮素的去除效率。采用天然纤维素固体碳源，来源广泛、价格低廉。将其应用到污水处理中，能够有很好的脱氮效果，反硝化速率和COD利用率俱佳，尤其铁元素是微生物生长过程中必需的矿物元素，既是反应器内氧化还原的载体，也是电子传递链的重要组成部分，其中二价铁转化为三价铁涉及的生物化学过程可能促进了系统内的有机物的分解和转化。使得在处理16h后，总氮去除率高达90.9％。
Description
技术领域
本申请涉及污水处理技术领域，具体而言，涉及一种复合碳源的制备方法及其应用。
背景技术
水中氮元素浓度超标是河流富营养化的主要原因之一，由于天然河流中总氮的控制和削减处理难度大，河流氮污染治理成为我国河流水环境治理中亟待解决的问题。
在污水处理厂的污水处理过程中，由于反硝化作用需要碳源物质提供电子，使得外加碳源的组分、投加形式和投加量成为深度脱氮工艺中最重要的因素。在实际的应用中，固体碳源的释碳能力应满足反硝化的需求，具有较小的传质阻力，有机物质容易释放且不易造成二次污染。纤维素类固体碳源来源广泛、价格低廉，但释碳效果不稳定，使用不当易造成反硝化中间产物积累；人工合成类高分子聚合物碳源释碳效果稳定，但其价格昂贵。
目前污水处理厂使用的碳源多以单一成分为主，由于反硝化菌群多样性的特点，例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等复合菌群条件，单一碳源环境下菌群多样性被弱化，人为的弱化、驯化干扰菌群的生长与活动，脱氮过程并没有充分发挥反硝化菌群的总氮去除效率。
发明内容
本申请的目的在于提供一种复合碳源的制备方法，通过加入亚铁离子的方式改良制作方法，研制出新型复合碳源基质，基质既能为反硝化作用提供碳源物质，又能作为反硝化菌的生长载体，促使反硝化作用高效进行，提高水体中氮素的去除效率。采用天然纤维素固体碳源，来源广泛、价格低廉。
本申请的另一目的在于提供一种复合碳源在污水脱氮领域中的应用。将复合碳源应用到污水处理中，能够有很好的脱氮效果，反硝化速率和COD利用率俱佳，尤其铁元素是微生物生长过程中必需的矿物元素，既是反应器内氧化还原的载体，也是电子传递链的重要组成部分，其中二价铁转化为三价铁涉及的生物化学过程可能促进了系统内的有机物的分解和转化。使得在处理16h后，总氮去除率高达90.9％。
本申请解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一方面，本申请实施例提供一种复合碳源的制备方法，复合碳源的制备过程包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇和乙酸钠溶于水中，聚乙烯醇的质量比为6～8％,乙酸钠的质量比为2～3％，水浴加热得到凝胶水溶液，放置室温后加入含亚铁离子的溶液；
步骤B：在凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和天然纤维素，冷冻脱模后形成基质；
步骤C：将基质在硼酸溶液中交联，交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
另一方面，本申请实施例提供一种复合碳源在污水脱氮领域中的应用。
相对于现有技术，本申请的实施例至少具有如下优点或有益效果：
第一，本申请实施例提供一种复合碳源的制备方法，通过加入亚铁离子的方式改良制作方法，研制出新型复合碳源基质，基质既能为反硝化作用提供碳源物质，又能作为反硝化菌的生长载体，促使反硝化作用高效进行，提高水体中氮素的去除效率。采用天然纤维素固体碳源，来源广泛、价格低廉。
第二，本申请实施例提供一种复合碳源在污水脱氮领域中的应用。将复合碳源应用到污水处理中，能够有很好的脱氮效果，反硝化速率和COD利用率俱佳，尤其铁元素是微生物生长过程中必需的矿物元素，既是反应器内氧化还原的载体，也是电子传递链的重要组成部分，其中二价铁转化为三价铁涉及的生物化学过程可能促进了系统内的有机物的分解和转化。使得在处理16h后，总氮去除率高达90.9％。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本申请。
本申请实施例提供一种复合碳源的制备方法，复合碳源的制备过程包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇和乙酸钠溶于水中，聚乙烯醇的质量比为6～8％,乙酸钠的质量比为2～3％，水浴加热得到凝胶水溶液，放置室温后加入含亚铁离子的溶液；
步骤B：在凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和天然纤维素，冷冻脱模后形成基质；
步骤C：将基质在硼酸溶液中交联，交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
聚乙烯醇，简称PVA，白色颗粒或粉末状。易溶于水，溶解温度75～80℃。PVA是唯一可被细菌作为碳源和能源利用的乙烯基聚合物，在细菌和酶的作用下，46天可降解75％，属于一种生物可降解高分子材料,可由非石油路线大规模生产，价格低廉，其耐油、耐溶剂及气体阻隔性能出众，在食品、药品包装方面具有独特优势。PVA的应用基于溶液法，通过流延成膜制备薄膜材料，但是溶液加工成型需经历溶解和干燥过程,存在工艺复杂、成本高、产量低等缺点，很难制备厚壁、形状复杂的制品，同时，也无法与其他材料进行共挤吹塑制备多层复合薄膜。
乙酸钠，又称醋酸钠，是一种有机物，分子式为CH3COONa，分子量为82.03。三水合物乙酸钠性状为白色结晶体，相对密度1.45，熔点为58℃，在干燥空气中风化，在120℃时失去结晶水，温度再高时分解；无水乙酸钠为无色透明结晶体，熔点324℃。易溶于水，可用于作缓冲剂、媒染剂，用于铅铜镍铁的测定，培养基配制，有机合成，影片洗印等。
聚羟基脂肪酸酯(PHA)，是近20多年迅速发展起来的，是很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料。由于PHA同时具有良好的生物相容性能、生物可降解性和塑料的热加工性能，所以它同时可作为生物医用材料和生物可降解包装材料，因此它已经成为近年来生物材料领域最为活跃的研究热点。PHA还具有非线性光学性、压电性、气体相隔性很多高附加值性能。
天然纤维素类碳源(如玉米芯、棉花、稻壳、麦秆和腐朽木等)，这类物质中因含有丰富的纤维素而被作为反硝化作用的碳源。纤维素是植物细胞壁的主要成分，是由葡萄糖组成的大分子多糖，分解后易于被微生物所利用。天然纤维素类碳源具有来源广泛，价格低廉、结构疏松多孔和具有较大比表面积的优点，有利于微生物附着生长和繁殖，从而促进反硝化作用的顺利进行。
亚铁离子的溶液，铁元素作为自然界中最丰富的元素之一，是大多数动植物及微生物生长的必需元素。铁的氧化还原反应会导致无机氮的转化。在厌氧条件下以亚铁盐为电子供体的反硝化现象，在体系中有机电子供体为“第一基质”为反硝化菌的生长提供碳源和能源，无机电子供体如Fe2+为“第二基质”为反硝化菌的生长提供能源。
通过加入亚铁离子和发泡的方式改良制作方法，研制出新型复合碳源基质，基质既能为反硝化作用提供碳源物质，又能作为反硝化菌的生长载体，促使反硝化作用高效进行，提高水体中氮素的去除效率。
交联反应是指两个或者更多的分子(一般为线型分子)相互键合交联成网络结构的较稳定分子(体型分子)的反应。这种反应使线型或轻度支链型的大分子转变成三维网状结构，以此提高强度、耐热性、耐磨性、耐溶剂性等性能，可用于发泡或不发泡制品。
乙酸钠的加入能够使亚铁离子更加稳定存在与凝胶内，乙酸钠与亚铁离子络合，使得亚铁离子更加稳定，在未使用时不易氧化，同时乙酸钠在污水中有调节PH值的作用，使得溶液处于弱酸性环境，避免亚铁离子发生水解，能够更好的为反硝化菌的生长提供能源，达到更好的反硝化效率。
在本申请的一些实施例中，水浴的条件为：加热温度80～95℃，加热时间2～4h。水浴加热的目的是让聚乙烯醇和乙酸钠更好的与水混合均匀，使其在水中溶解的质量更多，因为是水作为溶剂，所以加热温度不易过高，时间也不需要太长，避免水在加热过程中的蒸发。
在本申请的一些实施例中，含亚铁离子的溶液为FeSO4溶液、FeCl2溶液中的一种。选用FeSO4溶液、FeCl2溶液这两种二甲铁离子的盐溶液，可以避免引入氮元素。
在本申请的一些实施例中，天然纤维素为玉米芯、稻壳、麦秆以及棉花中的一种。米芯、稻壳、麦秆以及棉花为天然的纤维素，来源广泛，价格便宜，可以农废再利用。
在本申请的一些实施例中，天然纤维素为粒径为60～80目的粉末。将玉米芯、稻壳、麦秆以及棉花等原料粉碎成粉末状，便于与凝胶混合。
在本申请的一些实施例中，冷冻的时间为10～16h。冷冻后便于下一步的硼酸交联，冷冻成型即可，所以冷冻时间不需要太长。
在本申请的一些实施例中，硼酸溶液为含4％CaCl2的饱和硼酸溶液。
在本申请的一些实施例中，交联条件为：温度2～4℃，时间18～24h。相对低温的情况下，避免基质融化，能够更好的完成交联反应。
本申请实施例提供一种复合碳源在污水脱氮领域中的应用。将其应用到污水处理中，能够有很好的脱氮效果，反硝化速率和COD利用率俱佳，尤其铁元素是微生物生长过程中必需的矿物元素，既是反应器内氧化还原的载体，也是电子传递链的重要组成部分，其中二价铁转化为三价铁涉及的生物化学过程可能促进了系统内的有机物的分解和转化。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
申请实施例提供一种复合碳源的制备方法，复合碳源的制备过程包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇和乙酸钠溶于水中，聚乙烯醇的质量比为6％,乙酸钠的质量比为2％，水浴加热得到凝胶水溶液，水浴的条件为：加热温度80℃，加热时间2h，放置室温后加入FeSO4溶液；
步骤B：在凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和粒径为60目的玉米芯粉末，冷冻10h脱模后形成基质；
步骤C：将基质在含4％CaCl2的饱和硼酸溶液中交联，交联条件为：温度2℃，时间18h。交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
实施例2
申请实施例提供一种复合碳源的制备方法，复合碳源的制备过程包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇和乙酸钠溶于水中，聚乙烯醇的质量比为8％,乙酸钠的质量比为3％，水浴加热得到凝胶水溶液，水浴的条件为：加热温度95℃，加热时间4h，放置室温后加入FeCl2溶液；
步骤B：在凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和粒径为80目的稻壳粉末，冷冻16h脱模后形成基质；
步骤C：将基质在含4％CaCl2的饱和硼酸溶液中交联，交联条件为：温度4℃，时间24h。交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
实施例3
申请实施例提供一种复合碳源的制备方法，复合碳源的制备过程包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇和乙酸钠溶于水中，聚乙烯醇的质量比为7％,乙酸钠的质量比为2.5％，水浴加热得到凝胶水溶液，水浴的条件为：加热温度90℃，加热时间3h，放置室温后加入FeSO4溶液；
步骤B：在凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和粒径为70目的麦秆粉末，冷冻12h脱模后形成基质；
步骤C：将基质在含4％CaCl2的饱和硼酸溶液中交联，交联条件为：温度3℃，时间20h。交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
实施例4
申请实施例提供一种复合碳源的制备方法，复合碳源的制备过程包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇和乙酸钠溶于水中，聚乙烯醇的质量比为8％,乙酸钠的质量比为2％，水浴加热得到凝胶水溶液，水浴的条件为：加热温度95℃，加热时间4h，放置室温后加入FeCl2溶液；
步骤B：在凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和粒径为80目的玉米芯、稻壳、麦秆以及棉花粉末，冷冻14h脱模后形成基质；
步骤C：将基质在含4％CaCl2的饱和硼酸溶液中交联，交联条件为：温度4℃，时间22h。交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
实施例5
申请实施例提供一种复合碳源的制备方法，复合碳源的制备过程包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇和乙酸钠溶于水中，聚乙烯醇的质量比为8％,乙酸钠的质量比为2％，水浴加热得到凝胶水溶液，水浴的条件为：加热温度95℃，加热时间2h，放置室温后加入FeCl2溶液；
步骤B：在凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和粒径为80目的玉米芯、稻壳粉末，冷冻12h脱模后形成基质；
步骤C：将基质在含4％CaCl2的饱和硼酸溶液中交联，交联条件为：温度4℃，时间24h。交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
对比例1
本对比例提供一种复合碳源的制备方法，复合碳源的制备过程包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇和乙酸钠溶于水中，聚乙烯醇的质量比为8％,乙酸钠的质量比为2％，水浴加热得到凝胶水溶液，水浴的条件为：加热温度95℃，加热时间2h；
步骤B：在凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和粒径为80目的玉米芯、稻壳粉末，冷冻12h脱模后形成基质；
步骤C：将基质在含4％CaCl2的饱和硼酸溶液中交联，交联条件为：温度4℃，时间24h。交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
对比例2
本对比例提供一种复合碳源的制备方法，复合碳源的制备过程包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇溶于水中，聚乙烯醇的质量比为10％,水浴加热得到凝胶水溶液，水浴的条件为：加热温度95℃，加热时间2h；
步骤B：在凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和粒径为80目的玉米芯、稻壳粉末，冷冻12h脱模后形成基质；
步骤C：将基质在含4％CaCl2的饱和硼酸溶液中交联，交联条件为：温度4℃，时间24h。交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
实验例
选取某污水厂厌氧段水样进行反硝化试验，污泥浓度5000～5500mg/L，测试原水总氮55mg/L、COD100mg/L。取1000mL水样在六连搅拌器中同速搅拌，分别添加实施例1～5和对比例1～2所制备的复合碳源20g，其对反硝化速率和总氮去除率的影响如表1所示：
表1.实验结果
由上表可知，实施例1～实施例5的反硝化速率和COD利用率明显高于对比例，而对比例1与实施例5相比，其原料和制备方法基本相同，其区别仅在于对比例1中未添加亚铁离子溶液，说明添加亚铁离子对于除去污水中的氮有促进作用。铁元素作为微生物生长繁殖的必需元素，可作为生物酶的辅助因子，可促进微生物的生长繁殖以及酶的合成，通过引入亚铁离子，构建有机电子供体和无机电子供体共存的共基质模式，提升生化反应的代谢速率，增强微生物脱氮效率和抵抗系统环境因素变化的能力。
对比例2与实施例5相比，其原料和制备方法基本相同，其区别仅在于对比例2中未添加乙酸钠，说明亚铁离子在与乙酸钠结合时才能够充分发挥作用。
综上所述第一，本申请实施例提供一种复合碳源的制备方法，通过加入亚铁离子的方式改良制作方法，研制出新型复合碳源基质，基质既能为反硝化作用提供碳源物质，又能作为反硝化菌的生长载体，促使反硝化作用高效进行，提高水体中氮素的去除效率。采用天然纤维素固体碳源，来源广泛、价格低廉。
第二，本申请实施例提供一种复合碳源在污水脱氮领域中的应用。将复合碳源应用到污水处理中，能够有很好的脱氮效果，反硝化速率和COD利用率俱佳，尤其铁元素是微生物生长过程中必需的矿物元素，既是反应器内氧化还原的载体，也是电子传递链的重要组成部分，其中二价铁转化为三价铁涉及的生物化学过程可能促进了系统内的有机物的分解和转化。使得在处理16h后，总氮去除率高达90.9％。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (9)
1.一种复合碳源的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤A：将聚乙烯醇和乙酸钠溶于水中，聚乙烯醇的质量比为6～8％,乙酸钠的质量比为2～3％，水浴加热得到凝胶水溶液，放置室温后加入含亚铁离子的溶液；
步骤B：在所述凝胶水溶液中加入聚羟基脂肪酸酯和天然纤维素，冷冻脱模后形成基质；
步骤C：将所述基质在硼酸溶液中交联，交联完成后除去表面交联剂，制得复合碳源。
2.根据权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所水浴的条件为：加热温度80～95℃，加热时间2～4h。
3.根据权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述含亚铁离子的溶液为FeSO4溶液、FeCl2溶液中的一种。
4.根据权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述天然纤维素为玉米芯、稻壳、麦秆以及棉花中的一种。
5.根据权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述天然纤维素为粒径为60～80目的粉末。
6.根据权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述冷冻的时间为10～16h。
7.根据权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述硼酸溶液为含4％CaCl2的饱和硼酸溶液。
8.根据权利要求1所述的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述交联条件为：温度2～4℃，时间18～24h。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的复合碳源在污水脱氮领域中的应用。
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|---|---|---|---|---|
| CN117361748A (zh) * | 2023-11-28 | 2024-01-09 | 山东绿邦生物科技有限公司 | 一种废水反硝化处理用碳源、其制备方法及应用 |
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2022
- 2022-12-22 CN CN202211656025.8A patent/CN115818841A/zh active Pending
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