一种污水脱氮碳源及制备方法和应用与流程

本技术涉及污水处理，更具体地说，它涉及一种污水脱氮碳源及制备方法和应用。

背景技术：

1、随着我国污水处理技术的不断发展，生物脱氮技术由于运行成本较低、适应性强且脱氮效果稳定的优势，已成为污水处理领域的主要研究方向之一。其中，生物脱氮过程需要充足的碳源作为电子供体，以保证高脱氮效率、总氮达标排放以及系统运行稳定性。然而，我国市政污水处理厂普遍存在进水碳源不足的情况。为此，外加碳源已成为污水生物脱氮系统稳定运行的必要措施。目前，常用的外加碳源主要包括乙酸钠、葡萄糖、甲醇、淀粉、蛋白质。申请人在实际应用中发现，该外加碳源长期投加易导致菌群结构单一化，降低系统对水质波动的适应能力，同时其碳源利用率较低、出水cod值和总氮值较高，难以同时兼顾高cod去除率和高总氮去除率。

2、因此，亟需开发一种能够提高碳源利用率和脱氮效率的污水脱氮碳源，以提高cod去除率和总氮去除率，并适用于市政污水处理和工业废水处理的的生物脱氮系统。

技术实现思路

1、为了提高碳源利用率和脱氮效率，并提高cod去除率和总氮去除率，本技术提供一种污水脱氮碳源及制备方法和应用。

2、第一方面，本技术提供一种污水脱氮碳源，采用如下的技术方案：

3、一种污水脱氮碳源，其主要由以下重量百分比的原料制成：小分子有机碳源60-80%、牛磺酸改性鼠李糖脂0.5-1%、生物活性酶0.5-1%、微量元素1-2%、生长因子0.1-0.5%，余量为水；所述小分子有机碳源包括小分子有机酸、小分子羟基醇、小分子多核糖。

4、本技术的污水脱氮碳源应用于缺氧池进水端的污水处理中，使出水cod值＜10mg/l、总氮值＜15mg/l，且cod去除率＞92%、总氮去除率＞88%，具有高cod去除率、高总氮去除率的优点。本技术的污水脱氮碳源，通过原料之间的相互配合，显著提高碳源利用效率和脱氮效率，有利于提高污水处理效果。

5、本发明的污水脱氮碳源通过添加小分子有机碳。小分子有机碳中含有小分子有机酸、小分子羟基醇、小分子多核糖，小分子羟基醇提供持续碳源，维持菌群代谢活性。小分子多核糖缓慢水解，长效补充碳骨架，通过三者之间的协同作用，避免了单一碳源导致的菌群多样性弱化问题，确保了菌群的持续活性和系统运行的稳定性。

6、在此基础上添加生物活性酶、微量元素和生长因子。生物活性酶可快速水解污水中残留的蛋白质、油脂和淀粉类大分子有机物，将其转化为小分子碳源。微量元素是细胞中多种酶的活性基团和激活剂，可促进酶的活性中心形成。生长因子直接调控酶活性和菌群代谢途径，促进菌群的快速增殖和代谢活性。且通过生物活性酶、微量元素和生长因子三者之间的协同作用，补充了污水中缺乏的微量营养组分，进一步提高了菌群的繁殖速率和代谢活性。

7、在此基础上添加牛磺酸改性鼠李糖脂，牛磺酸改性鼠李糖脂中含有鼠李糖脂骨架和磺酸基团。鼠李糖脂骨架提供表面活性，降低碳源与微生物细胞之间的界面张力，促进碳源在微生物表面的润湿和传质。磺酸基团提供强亲水性，增强改性产物在水中的分散性和稳定性，同时牛磺酸基团可作为微生物的生长促进因子，进一步促进菌群的代谢活性。通过牛磺酸改性鼠李糖脂中鼠李糖脂骨架与磺酸基团的分子内协同增效，进一步提高碳源的生物可利用性和脱氮效率，降低出水cod值和总氮值，提高cod去除率和总氮去除率。

8、可选的，所述牛磺酸改性鼠李糖脂的制备方法，包括以下步骤：

9、在惰性气氛下，将鼠李糖脂、牛磺酸、有机溶剂混合，加入无机酸催化剂，升温至60-80℃，搅拌反应10-15h，降温至室温，调节ph值至7-8，萃取，洗涤，减压蒸馏，得到牛磺酸改性鼠李糖脂。

10、可选的，所述鼠李糖脂、牛磺酸、催化剂的质量比为10:(2-3):(1-2)；

11、所述鼠李糖脂与有机溶剂的质量比为1:(7-13)。

12、本技术的牛磺酸改性鼠李糖脂的制备方法，通过牛磺酸对鼠李糖脂进行酰胺化改性，在鼠李糖脂分子中引入磺酸基，使牛磺酸改性鼠李糖脂兼具鼠李糖脂的表面活性和磺酸基的强亲水性，有利于提升污水脱氮碳源的生物可利用性和脱氮效率。

13、在一些实施方式中，鼠李糖脂、牛磺酸、催化剂的质量比可以为10:2.5:1.5、10:2:1、10:3:2或其中的任意两者组成的范围。鼠李糖脂与有机溶剂的质量比可以为1:7、1:10、1:13或其中的任意两者组成的范围。

14、可选的，鼠李糖脂的平均分子量为476-766g/mol。

15、对鼠李糖脂的平均分子量进行优化，避免鼠李糖脂的分子量过低导致牛磺酸改性鼠李糖脂亲水亲油平衡失调而影响其在水中分散性。

16、在一些实施方式中，鼠李糖脂的平均分子量可以为476g/mol、507g/mol、766g/mol或其中的任意两者组成的范围。

17、可选的，所述无机酸催化剂包括浓硫酸、浓盐酸中的至少一种；

18、所述有机溶剂包括二氯甲烷和n,n-二甲基甲酰胺，二氯甲烷和n,n-二甲基甲酰胺的体积比为(4-5):1。

19、本技术中采用浓硫酸或浓盐酸催化鼠李糖脂羧基与牛磺酸氨基的酰胺化反应，其中磺酸基在反应条件下不参与反应，以游离磺酸基形式保留于牛磺酸改性鼠李糖脂分子中。同时采用二氯甲烷与n,n-二甲基甲酰胺的混合形成有机溶剂，提高溶解度，促进酰胺化改性的正向移动，而且二氯甲烷还能够调节体系极性并便于后续萃取。

20、在一些实施方式中，二氯甲烷和n,n-二甲基甲酰胺的体积比为可以为4:1、4.5:1、5:1或其中的任意两者组成的范围。

21、可选的，所述小分子有机碳源中的小分子有机酸的质量含量以乙酸计，所述小分子有机碳源中的小分子有机酸（以乙酸计）的质量含量为16.5-18.0g/l，

22、所述小分子有机碳源中的小分子羟基醇的质量含量以丙三醇计，所述小分子有机碳源中的小分子羟基醇的质量含量为6.1-8.4g/l，

23、所述小分子有机碳源中的小分子多核糖的质量含量以木二糖计，所述小分子有机碳源中的小分子多核糖的质量含量为3.2-4.6g/l。

24、对小分子有机碳源中的小分子有机酸、小分子羟基醇、小分子多核糖的质量含量进行优化，确保小分子有机碳源供给的稳定性，还避免了单一组分占比过高或过低导致的碳源释放速率不匹配，且在上述范围内，有利于维持菌群的长期代谢活性和系统运行的稳定性。

25、可以理解的是，小分子有机酸的质量含量以乙酸计是指：采用高效液相色谱法测定小分子有机碳源中乙酸、丁酸、乳酸的含量后，将其全部折算为乙酸的当量质量，以乙酸的质量浓度表示总小分子有机酸含量。同理，小分子羟基醇的质量含量以丙三醇计和小分子多核糖的质量含量以木二糖计均按相同的折算方式确定。

26、可选的，所述小分子有机碳源的制备方法，包括以下步骤：

27、将植物纤维类原料、水混合，调节ph值为5-6，然后加入纤维素酶、半纤维素酶，升温至45-55℃，酶解处理20-25h，得到酶解发酵液；

28、将酶解发酵液进行离心分离，收集上清液，然后采用截留分子量为3000-5000da的超滤膜将上清液进行过滤，收集透过液，得到小分子有机碳源。

29、可选的，所述植物纤维类原料、纤维素酶与半纤维素酶的质量比为100:(0.5-1.5):(0.3-1)；

30、所述植物纤维类原料与水的质量比为1:(5-10)。

31、本技术的小分子有机碳源的制备方法，通过纤维素酶和半纤维素酶对植物纤维类原料进行酶解，将纤维素和半纤维素降解为小分子有机酸、小分子羟基醇和小分子多核糖，再经超滤膜去除淀粉、蛋白质等高分子有机物，获得小分子有机碳源，避免大分子有机物导致的菌群单一化和污泥膨胀问题。

32、在一些实施方式中，超滤膜的截留分子量可以为3000d、4000d、5000d或其中的任意两者组成的范围。

33、在一些实施方式中，植物纤维类原料、纤维素酶与半纤维素酶的质量比可以为100:1:0.5、100:0.5:0.3、100:1.5:1或其中的任意两者组成的范围。植物纤维类原料与水的质量比可以为1:5、1:8、1:10或其中的任意两者组成的范围。

34、可选的，所述纤维素酶的酶活力为10000- 20000u/g；半纤维素酶的酶活力为10000- 20000u/g。

35、对纤维素酶、半纤维素酶的酶活力进行优化，便于纤维素酶、半纤维素酶的选择。而且使植物纤维类原料中的纤维素和半纤维素在酶解过程中被同步高效降解，避免了因单一酶活力不足导致的水解不彻底，有利于提高小分子有机碳源的产率。

36、在一些实施方式中，纤维素酶的酶活力可以为10000u/g、15000u/g、20000u/g或其中的任意两者组成的范围。半纤维素酶的酶活力可以为10000u/g、15000u/g、20000u/g或其中的任意两者组成的范围。

37、可选的，所述植物纤维类原料包括玉米芯、秸秆、稻壳、甘蔗渣、芦苇中的至少一种。

38、本技术中对植物纤维类原料进行优化，便于植物纤维类原料的选择。而且玉米芯、秸秆、稻壳、甘蔗渣、芦苇为农业废弃物，实现了废弃生物质资源的回收利用，同时原料来源广泛、成本低廉，具有良好的经济性。

39、可选的，所述植物纤维类原料包括玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆，且玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆的重量比为(3-5):(2-4):(2-4)。

40、植物纤维类原料包括玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆，且将玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆的质量比控制在上述范围内，玉米芯提供易于酶解的纤维素和半纤维素，小麦秸秆和水稻秸秆补充不同结构的半纤维素组分，三者协同避免了单一原料因组分单一导致的水解产物单一化问题，有利于获得组分均衡的小分子有机酸、小分子羟基醇和小分子多核糖。

41、在一些实施方式中，玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆的重量比可以为4:3:3、3:2:2、5:4:4或其中的任意两者组成的范围。

42、可选的，所述小分子有机酸包括乙酸、丁酸、乳酸中的至少一种；

43、所述小分子羟基醇包括丙三醇、木糖醇中的至少一种；

44、所述小分子多核糖包括纤维二糖、木二糖、低聚木糖中的至少一种；

45、所述微量元素包括硫酸亚铁、硫酸锌、硫酸锰、硫酸铜、氯化钴中的至少一种；

46、所述生长因子包括维生素b1、维生素b6、维生素b12、生物素、缬氨酸、亮氨酸、赖氨酸中的至少一种；

47、所述生物活性酶包括蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶中的至少一种。

48、本技术中对小分子有机酸、小分子羟基醇、小分子多核糖进行优化，三者。小分子有机酸提供即时能量，快速启动反硝化反应。小分子羟基醇提供持续碳源，维持菌群代谢活性。小分子多核糖缓慢水解，长效补充碳骨架，小分子有机酸、小分子羟基醇、小分子多核糖的协同，避免了单一碳源导致的菌群多样性弱化问题，确保了菌群的持续活性和系统运行的稳定性。

49、本技术中对对微量元素、生长因子进行优化，便于微量元素、生长因子的选择。而且微量元素作为反硝化酶系的辅基和激活剂，促进酶的活性中心形成。生长因子作为微生物自身无法合成的特殊有机营养物，直接调控酶活性和菌群代谢途径，微量元素、生长因子的协同，补充了污水中缺乏的微量营养组分，进一步提高了菌群的繁殖速率和代谢活性。

50、可选的，微量元素包括硫酸亚铁、硫酸锌、硫酸锰、硫酸铜、氯化钴，硫酸亚铁、硫酸锌、硫酸锰、硫酸铜、氯化钴的质量比为(3-5):(1-3):(0.5-1.5):(0.3-0.8):(0.1-0.5)。

51、微量元素包括硫酸亚铁、硫酸锌、硫酸锰、硫酸铜、氯化钴，且将硫酸亚铁、硫酸锌、硫酸锰、硫酸铜、氯化钴的质量比控制在上述范围内，避免了单一元素过量或不足对酶活性的抑制，确保了酶系中多种金属辅酶和辅基的协同激活，进一步提高了菌群的代谢效率和碳源利用率。

52、在一些实施方式中，硫酸亚铁、硫酸锌、硫酸锰、硫酸铜、氯化钴的质量比可以为4:2:1:0.5:0.25、3:1:0.5:0.3:0.1、5:3:1.5:0.8:0.85或其中的任意两者组成的范围。

53、可选的，生长因子包括维生素b1、维生素b6、维生素b12、亮氨酸、赖氨酸，维生素b1、维生素b6、维生素b12、亮氨酸、赖氨酸的质量比为(2-4):(0.5-1.5):(0.5-1.5):(0.5-1.5):(0.5-1.5)。

54、生长因子包括维生素b1、维生素b6、维生素b12、亮氨酸、赖氨酸，且将维生素b1、维生素b6、维生素b12、亮氨酸、赖氨酸的质量比控制在上述范围内，维生素b1和b6作为辅酶参与碳代谢和氨基酸代谢，维生素b12参与甲基转移反应，亮氨酸和赖氨酸提供菌群增殖所需的氨基酸，各组分协同促进菌群的繁殖和代谢活性。

55、在一些实施方式中，维生素b1、维生素b6、维生素b12、亮氨酸、赖氨酸的质量比可以为3:1:1:1:1、2:0.5:0.5:0.5:0.5、3:1.5:1.5:1.5:1.5或其中的任意两者组成的范围。

56、可选的，所述蛋白酶的酶活力为1×105-10×105u/g，脂肪酶的酶活力为0.1×105-5×105u/g，淀粉酶的酶活力为1000-10000u/g。

57、本技术中对蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶的酶活力进行优化，便于蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶的选择。而且蛋白酶和脂肪酶可快速水解蛋白质和油脂类有机物，淀粉酶进一步水解残留的淀粉类物质，三者协同确保污水中各类型大分子有机物均能被有效降解，进一步提高污水中碳源的整体利用效率。

58、在一些实施方式中，蛋白酶的酶活力可以为1×105u/g、2×105u/g、50×105u/g、10×105u/g或其中的任意两者组成的范围。脂肪酶的酶活力可以为0.1×105 u/g、0.5×105u/g、1×105u/g、3×105u/g、5×105u/g或其中的任意两者组成的范围。淀粉酶的酶活力可以为1000u/g、4000u/g、5000u/g、8000u/g、10000u/g或其中的任意两者组成的范围。

59、第二方面，本技术提供一种所述的污水脱氮碳源的制备方法，采用如下的技术方案：

60、一种所述的污水脱氮碳源的制备方法，包括以下步骤：将小分子有机碳源、牛磺酸改性鼠李糖脂、生物活性酶、微量元素、生长因子、水混合，得到污水脱氮碳源。

61、本技术的污水脱氮碳源的制备方法，制备过程简单、操作条件温和，适合工业化批量生产。

62、第三方面，本技术提供一种所述的污水脱氮碳源在污水处理中的应用。

63、综上所述，本技术具有以下有益效果：

64、本技术的污水脱氮碳源，在原料中添加小分子有机碳源、生物活性酶、微量元素、生长因子的基础上，添加牛磺酸改性鼠李糖脂，通过牛磺酸改性鼠李糖脂中鼠李糖脂骨架与磺酸基团的分子内协同增效，提高碳源的生物可利用性和脱氮效率。将污水脱氮碳源应用于缺氧池进水端的污水处理中，使出水cod值＜10mg/l、总氮值＜15mg/l，且cod去除率＞92%、总氮去除率＞88%，有利于提高污水处理效果，适用于市政污水处理和工业废水处理的的生物脱氮系统，具有良好的工业化应用前景。