CN117105410B - 一种用于污水处理的复合碳源及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水处理技术领域，具体为一种用于污水处理的复合碳源及其制备方法，S1、将生物质进行蒸汽爆破，得到预处理生物质；S2、在所述预处理生物质表面原位生长细菌纤维素，形成互穿网络；S3、对步骤S2的产物进行纤维素降解处理，得到复合碳源。本发明通过蒸汽爆破提高生物质孔隙率，且使纤维素进行一定降解，然后原位生长细菌纤维素，形成互穿网络一方面提高强度，另一方面提高纤维素含量，最后对纤维素进行一定程度的降解，便于碳源的释放，且其多孔骨架结构能够吸附水体中的氮素物质，有助于提高脱氮效率，脱氮完成后，还便于沉淀回收。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理剂技术领域，尤其涉及一种用于污水处理的复合碳源及其制备方法。
背景技术
污水中除了含有无机悬浮物，还含有大量有机物，水体中氮、磷等植物营养物质含量过多会导致水生生物多样性破坏，进而造成水生生态系统丧失自我维持、自我调节能力及系统平衡稳定性，最终导致水生生态系统的破坏和环境问题的加剧。因此，污水中氮素的去除是当前废水处理领域中急需解决的难题之一，脱氮技术的研究和应用引起了人们的广泛关注。
基于活性污泥法的“硝化-反硝化”工艺是目前污水处理的主流脱氮方法，然而大部分城镇污水处理厂存在进水碳源不足、碳氮比失衡问题，限制了传统生物工艺对氮的去除效果，导致出水硝酸盐氮浓度较高。因此，为了提高生物脱氮效果，降低出水TN浓度，急需解决废水中碳源不足的问题。
专利CN202210017689.3公开了一种反硝化液体碳源及其制备方法和应用。以农业废弃物玉米芯主要原料，通过将玉米芯进行碱液浸泡耦合特定的微波加热预处理后，可快速降低纤维素的结晶度和聚合度，减弱纤维素和半纤维素之间的氢键作用力，增加碱解效果，有利于后续纤维素降解菌对纤维素进行降解，提高葡萄糖得率和碳源品质，制备得到的反硝化液态碳源可克服传统固态碳源应用过程中产生的释碳速率不同，导致亚硝酸盐累积的问题。但该方法仅以纤维降解产物水溶性为碳源，产率低，成本高，不利于工业化应用。
专利CN201811080565.X公开了一种反硝化碳源及其制备方法，采用水性聚氨基甲酸酯包膜的结构，包裹住内部反硝化碳源层，在反硝化碳源层表面包裹半透水性或不透水性物质，使反硝化碳源通过包膜的微孔、缝隙慢慢释放出来，为微生物所利用，提高了反硝化碳源的利用率和脱氮效率，且包膜层对微生物无危害，结构稳定，避免了其他反硝化碳源填料被微生物消耗，需要定期更换的问题。但该方法成分复杂，投入水体中后，不易回收，增加了水体的处理负担。
因此，有必要提供一种改进的用于污水处理的复合碳源及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于污水处理的复合碳源及其制备方法，所得复合碳源具有多孔骨架结构，既便于碳源的释放，又能够吸附水体中的氮素物质，提高脱氮效率，脱氮完成后，还便于沉淀回收，因此具有多功能特点。
为实现上述目的，本发明提供一种用于污水处理的复合碳源的制备方法，包括如下步骤：
S1、将生物质进行蒸汽爆破，得到预处理生物质；
S2、在所述预处理生物质表面原位生长细菌纤维素，形成互穿网络；
S3、对步骤S2的产物进行纤维素降解处理，得到复合碳源。
进一步的，步骤S1包括：将粒径为1-5mm的生物质放入蒸汽爆破罐中，通入饱和水蒸气，于150-190℃、1.5-3MPa的压力下保持1～10min，然后瞬间泄压释放，得到预处理生物质。
进一步的，所述生物质为稻壳、秸秆或玉米芯。
进一步的，步骤S2包括：按照发酵培养基的配方称取所需成分并加水定容，pH调至6.0±0.5，与所述预处理生物质一起灭菌后，得到发酵培养基溶液；以8-12％的接种量接入木醋杆菌种子液，动态培养20-30h后静态培养20-30h。
进一步的，所述发酵培养基的组成为：葡萄糖2.25±0.2wt％，蔗糖2.75±0.2wt％，硫酸铵0.1±0.05wt％，磷酸二氢钾0.5±0.1wt％，硫酸镁0.07±0.01wt％，乳酸钙0.02±0.01wt％，蛋白胨1.0±0.1wt％，酵母浸粉0.75±0.1wt％，冰乙酸0.15±0.01wt％，柠檬酸0.06±0.01wt％，羧甲基纤维素钠0.04±0.01wt％。
进一步的，步骤S3中，所述纤维素降解采用纤维素酶或纤维素降解菌进行降解处理，生成葡萄糖。
进一步的，所述纤维素的降解率控制在10-40％。
进一步的，所述细菌纤维素的生长量为所述预处理生物质质量的10-30％。
进一步的，先将所述预处理生物质与聚丙烯酰胺纤维复合，然后再原位生长所述细菌纤维素。
进一步的，所述聚丙烯酰胺纤维表面还涂覆有纤维素；所述纤维素的涂覆量为所述聚丙烯酰胺纤维质量的10-30％。
一种用于污水处理的复合碳源，采用以上任一项所述的制备方法制备得到。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的用于污水处理的复合碳源，通过蒸汽爆破提高生物质孔隙率，且使纤维素进行一定降解；然后原位生长细菌纤维素，形成互穿网络一方面提高强度，另一方面提高纤维素含量；最后对纤维素进行一定程度的降解，便于碳源的释放，且其多孔骨架结构能够吸附水体中的氮素物质，提高脱氮效率，脱氮完成后，还便于沉淀回收。
2、本发明还通过在生物质骨架中复合聚丙烯酰胺纤维，赋予其絮凝沉淀作用，随着碳源的消解释放，聚丙烯酰胺纤维也逐渐溶解释出，能够对水体中的悬浮物进行絮凝沉淀，提高其功能性，同时也便于碳源本身的沉淀回收。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的用于污水处理的复合碳源的制备流程示意图；
图2是本发明提供的用于污水处理的复合碳源的结构示意图；
图3为实施例1制备的复合碳源总氮去除效果随时间的变化关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种用于污水处理的复合碳源的制备方法，包括如下步骤：
S1、将生物质进行蒸汽爆破，得到预处理生物质；
S2、在所述预处理生物质表面原位生长细菌纤维素，形成互穿网络；
S3、对步骤S2的产物进行纤维素降解处理，得到复合碳源。
通过蒸汽爆破提高生物质孔隙率，且使纤维素进行一定降解，然后原位生长细菌纤维素，形成互穿网络一方面提高强度，另一方面提高纤维素含量，最后对纤维素进行一定程度的降解，便于碳源的释放，且其多孔骨架结构能够吸附水体中的氮素物质，提高脱氮效率，脱氮完成后，还便于沉淀回收。
步骤S1包括：将粒径为1-5mm的生物质放入蒸汽爆破罐中，通入饱和水蒸气，于150-190℃、1.5-3MPa的压力下保持1-10min，然后瞬间泄压释放，得到预处理生物质。蒸汽爆破能够降低纤维结晶度，且能促使纤维素发生裂解，显著提高孔隙率，且便于碳源的释放。以其为骨架材料，便于碳源利用后的回收，且生物质无污染。
所述生物质为稻壳、秸秆或玉米芯。
步骤S2包括：按照发酵培养基的配方称取所需成分并加水定容，pH调至6.0±0.5，与所述预处理生物质一起灭菌后，得到发酵培养基溶液；以8-12％的接种量接入木醋杆菌种子液，动态培养20-30h后静态培养20-30h。
所述发酵培养基的组成为：葡萄糖2.25±0.2wt％，蔗糖2.75±0.2wt％，硫酸铵0.1±0.05wt％，磷酸二氢钾0.5±0.1wt％，硫酸镁0.07±0.01wt％，乳酸钙0.02±0.01wt％，蛋白胨1.0±0.1wt％，酵母浸粉0.75±0.1wt％，冰乙酸0.15±0.01wt％，柠檬酸0.06±0.01wt％，羧甲基纤维素钠0.04±0.01wt％。
通过原位生长，能够在生物质骨架内部和表面形成互穿的纳米级细菌纤维素网络，一方面能够提高生物质骨架的强度，另一方面，提高纤维素含量，且赋予其高比表面积，便于吸附污水中的氮素及悬浮物，使碳源发挥吸附沉降作用。
步骤S3中，所述纤维素降解采用纤维素酶或纤维素降解菌进行降解处理，生成葡萄糖。所述纤维素的降解率控制在10-40％，优选为15-25％。纤维素的降解率不宜过大，以防生物质骨架坍塌。进行小程度的初始降解，便于碳源的释放，又能保持其骨架吸附作用。
所述细菌纤维素的生长量为所述预处理生物质质量的10-30％。
先将所述预处理生物质与聚丙烯酰胺纤维复合，然后再原位生长所述细菌纤维素。聚丙烯酰胺纤维的直径为10-250μm，负载量为预处理生物质质量的5-20％。将预处理生物质在聚丙烯酰胺纤维的乙醇溶液中浸渍吸附实现复合。聚丙烯酰胺以纤维形态进行复合，可延缓其溶解。聚丙烯酰胺纤维吸附于预处理生物质的表面和内部，接着原位生长细菌纤维素，能够提高聚丙烯酰胺纤维的负载牢度，且对其进行一定包覆，延缓其在水中的溶解。随着碳源的释放，聚丙烯酰胺纤维逐渐溶解释放，促进污水的絮凝沉淀，因此能够一步实现脱氮和初步絮凝。
所述聚丙烯酰胺纤维表面还涂覆有纤维素；所述纤维素的涂覆量为所述聚丙烯酰胺纤维质量的10-30％。将聚丙烯酰胺纤维在纤维素和聚乙烯醇组成的溶液中浸渍吸附，然后烘干。通过在聚丙烯酰胺表面涂覆纤维素，进一步控制其溶解释放速率，且表面的纤维素能够补充碳源。
实施例1
一种用于污水处理的复合碳源的制备方法，包括如下步骤：
S1、将粒径为2mm的生物质放入蒸汽爆破罐中，通入饱和水蒸气，于170℃、2MPa的压力下保持5min，然后瞬间泄压释放，得到预处理生物质。
S2、按照发酵培养基的配方称取所需成分并加水定容，pH调至6.0，与所述预处理生物质一起灭菌后，得到发酵培养基溶液；以10％的接种量接入木醋杆菌种子液，动态培养22h后静态培养22h。
所述发酵培养基的组成为：葡萄糖2.25wt％，蔗糖2.75wt％，硫酸铵0.1wt％，磷酸二氢钾0.5wt％，硫酸镁0.07wt％，乳酸钙0.02wt％，蛋白胨1.0wt％，酵母浸粉0.75wt％，冰乙酸0.15wt％，柠檬酸0.06wt％，羧甲基纤维素钠0.04wt％。
S3、采用纤维素酶对步骤S2的产物进行纤维素降解处理，纤维素的降解率控制在20％，得到复合碳源。
实施例2
一种用于污水处理的复合碳源的制备方法，包括如下步骤：
S1、将粒径为2.5mm的生物质放入蒸汽爆破罐中，通入饱和水蒸气，于170℃、2MPa的压力下保持5min，然后瞬间泄压释放，得到预处理生物质。
S2、将预处理生物质在聚丙烯酰胺纤维的乙醇溶液中浸渍吸附，得到负载8wt％聚丙烯酰胺纤维的预处理生物质；
按照发酵培养基的配方称取所需成分并加水定容，pH调至6.0，与所述预处理生物质一起灭菌后，得到发酵培养基溶液；以10％的接种量接入木醋杆菌种子液，动态培养22h后静态培养22h。
所述发酵培养基的组成为：葡萄糖2.25wt％，蔗糖2.75wt％，硫酸铵0.1wt％，磷酸二氢钾0.5wt％，硫酸镁0.07wt％，乳酸钙0.02wt％，蛋白胨1.0wt％，酵母浸粉0.75wt％，冰乙酸0.15wt％，柠檬酸0.06wt％，羧甲基纤维素钠0.04wt％。
S3、采用纤维素酶对步骤S2的产物进行纤维素降解处理，纤维素的降解率控制在20％，得到复合碳源。
实施例3
与实施例2的区别在于，聚丙烯酰胺纤维的表面涂覆有纤维素：将聚丙烯酰胺纤维在纤维素和聚乙烯醇(两者质量比为7:3)组成的热溶液中浸渍吸附，然后冷却干燥。纤维素的涂覆量为所述聚丙烯酰胺纤维质量的15％。其他与实施例2相同，在此不再赘述。
实施例4
与实施例1的区别在于，纤维素的降解率控制在10％，其他与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例5
与实施例1的区别在于，纤维素的降解率控制在40％，其他与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例6
与实施例3的区别在于，纤维素的降解率控制在10％，其他与实施例3相同，在此不再赘述。
实施例7
与实施例3的区别在于，纤维素的降解率控制在40％，其他与实施例3相同，在此不再赘述。
对比例1
S1、将粒径为2mm的生物质放入蒸汽爆破罐中，通入饱和水蒸气，于170℃、2MPa的压力下保持5min，然后瞬间泄压释放，得到预处理生物质。
S2、采用纤维素酶对预处理生物质进行纤维素降解处理，纤维素的降解率控制在20％，得到复合碳源。
对比例2
与实施例1的区别在于，步骤S1为：将粒径为2mm的生物质在碱液中浸渍6h，得到预处理生物质。纤维素的降解率控制在20％，其他与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例3
与实施例1的区别在于，不进行步骤S3的纤维素降解处理。其他与实施例1相同，在此不再赘述。
取内含反硝化细菌的生活污水，测试其原始COD含量为78.0mg/L，总氮含量为35.0mg/L，浊度为905。向其中投加实施例1-7及对比例1-3制备的碳源，投加量为30mg/L。厌氧条件下研究其除氮效果。
从图1可以看出，随着时间的延长，总氮去除率逐渐增大，当36h时，总氮去除率达97.9％。
表1实施例及对比例的测试结果
从表1数据可以看出，本发明制备的碳源既能有效去除污水中的总氮含量，又能促进悬浮物的吸附沉降，降低其浊度，减小后续絮凝处理难度。当聚丙烯酰胺纤维时，浊度降低更明显，说明聚丙酰胺纤维的释放能够实现初步絮凝沉降，且总氮去除率不会受到负面影响。纤维素降解程度过大时，总氮去除率有所增大，但浊度升高。当不原位生长细菌纤维素时，浊度显著增大，说明细菌纤维素互穿网络有助于悬浮物的吸附去除。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种用于污水处理的复合碳源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将生物质进行蒸汽爆破，得到预处理生物质；步骤S1包括：将粒径为1-5mm的生物质放入蒸汽爆破罐中，通入饱和水蒸气，于150-190℃、1.5-3MPa的压力下保持1-10min，然后瞬间泄压释放，得到预处理生物质；先将所述预处理生物质与聚丙烯酰胺纤维复合，且所述聚丙烯酰胺纤维表面涂覆有纤维素；
S2、在步骤S1得到的材料表面原位生长细菌纤维素，形成互穿网络；
S3、对步骤S2的产物进行纤维素降解处理，得到复合碳源；所述纤维素的降解率控制在10-40％。
2.根据权利要求1所述的用于污水处理的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述生物质为稻壳、秸秆或玉米芯。
3.根据权利要求1所述的用于污水处理的复合碳源的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：按照发酵培养基的配方称取所需成分并加水定容，pH调至6.0±0.5，与所述预处理生物质一起灭菌后，得到发酵培养基溶液；以8-12％的接种量接入木醋杆菌种子液，动态培养20-30h后静态培养20-30h。
4.根据权利要求3所述的用于污水处理的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述发酵培养基的组成为：葡萄糖2.25±0.2wt％，蔗糖2.75±0.2wt％，硫酸铵0.1±0.05wt％，磷酸二氢钾0.5±0.1wt％，硫酸镁0.07±0.01wt％，乳酸钙0.02±0.01wt％，蛋白胨1.0±0.1wt％，酵母浸粉0.75±0.1wt％，冰乙酸0.15±0.01wt％，柠檬酸0.06±0.01wt％，羧甲基纤维素钠0.04±0.01wt％。
5.根据权利要求1所述的用于污水处理的复合碳源的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述纤维素降解采用纤维素酶或纤维素降解菌进行降解处理，生成葡萄糖。
6.根据权利要求1所述的用于污水处理的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述细菌纤维素的生长量为所述预处理生物质质量的10-30％。
7.根据权利要求1所述的用于污水处理的复合碳源的制备方法，其特征在于，所述纤维素的涂覆量为所述聚丙烯酰胺纤维质量的10-30％。
8.一种用于污水处理的复合碳源，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备得到。
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