一种反硝化液态碳源及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种反硝化液态碳源及其制备方法和应用。


背景技术：

2.农村地区的生活污水处理在新农村建设中具有非常重要的作用，常规的处理工艺一般是化粪池后续接污水处理工艺，如序批式污水处理系统(sbr)、连续流硝化反硝化反应器(a/o)或接触氧化反应器等。在生态敏感的农村地区对于生活污水的排放要求越来越严格，需要达到城市污水处理厂一级a标准。而且，现有农村大部分已经设立化粪池，有机物在化粪池中已经被大量消耗，且洗菜水、洗浴水等大量低浓度原水的混入，导致处理装置碳源不足。同时，由于近年来人们消费饮食结构的变化，导致废水中含氮污染物的浓度越来越大。因此，农村生活污水趋向于形成高氮低碳的特点。碳源补充不足或供给不稳定成为制约生物脱氮效率的重要因素，充足的碳源能够为微生物的生长代谢提供足量的营养源。因此通过外加碳源来解决脱氮效率低的问题在水处理领域逐渐成为研究的热点。
3.常规市政污水厂或工业污水厂的碳源一般是甲醇、乙酸或乙酸钠等，具有易燃、成本高、需要独立储存条件等缺点，对于农村地区分散式的小型污水装置并不适用。农村的农作废弃物，尤其是北方地区夏收和秋收后的麦秸、玉米芯需要额外处理，增加处理成本。因此，将其作为制备反硝化碳源的原料不仅可免除对其进行额外处理，还能变废为宝，具有广阔的应用前景。目前，采用玉米芯作为固态碳源的研究较多，固态碳源在应用时一般需要采用酸浸、碱浸等预处理方法，对纤维素等大分子链降解不彻底，同时在应用初期，释碳速度较快，后期可释放的碳源越来越少，碳源供应不足反而使反硝化过程受阻，造成亚硝酸盐的积累。


技术实现要素：

4.鉴于以上技术问题，本发明提供一种反硝化液体碳源及其制备方法和应用。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
6.一种反硝化液体碳源的制备方法，包括如下步骤：
7.步骤a，将玉米芯干燥粉碎，过筛，得玉米芯颗粒；
8.步骤b，将所述玉米芯颗粒加入碱液中浸泡2h～6h，然后采用分段微波加热进行预处理，降温，得玉米芯预处理液；
9.其中，所述分段微波加热的具体程序为：以9℃/min～11℃/min的速率升温至55℃～65℃，再以4℃/min～6℃/min的速率升温至75℃～85℃，最后以2℃/min～3℃/min的速率升温至88℃～92℃；
10.步骤c，调节所述玉米芯预处理液的ph为6～9，加入纤维素降解菌，搅拌降解20h～40h，固液分离，得所述反硝化液体碳源。
11.相对于现有技术，本发明提供的反硝化液态碳源的制备方法，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，从而实现对玉米芯中的纤维素链等大分子物质的有效降解，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，不但可满足反硝化装置对于外加碳源的需求，除此之外，还实现了农业废弃物玉米芯的资源化利用，同时大幅度降低了污水反硝化成本，具有较高的推广应用价值。
12.优选的，步骤a中，所述玉米芯颗粒的细度≤40目。
13.优选的玉米芯颗粒的细度，有利于增加玉米芯在碱液中的水解度，从而有利于提高糖化效率和葡萄糖的得率。
14.优选的，步骤b中，所述碱液为氢氧化钙溶液、氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液中至少一种。
15.优选的，步骤b中，所述碱液的质量浓度为1％～10％。
16.进一步优选的，所述玉米芯颗粒与碱液的质量比为1:3～8。
17.优选的，以9℃/min～11℃/min的速率升温至55℃～65℃时，微波功率为600w；以4℃/min～6℃/min的速率升温至75℃～85℃时，微波功率为300w；以2℃/min～3℃/min的速率升温至88℃～92℃时，微波功率为150w。
18.优选的碱液加入量配合特定程序的微波加热预处理，可使玉米芯中的木质素充分溶解在碱液中，由网状的大分子变成支链小分子，同时，削弱纤维素和半纤维素之间的氢键，破坏纤维素的聚合度和结晶度，使纤维素发生溶胀，增加接触面积和纤维素降解菌对纤维素的可及性，从而提高聚糖向单糖的转化，提高糖类产物的比例，进而提高微生物能力直接利用物质的比例；除此之外，还可使木质素和半纤维素之间的酯键充分断裂，使得木质素以亲水性钠盐的形式溶解析出，或醇盐的形式聚集而沉淀，从而提高糖化效率，提高葡萄糖得率。
19.优选的，步骤c中，所述纤维素降解菌为产琥珀酸拟杆菌、牛黄瘤胃球菌、白色瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌、梭形芽孢杆菌或松鼠葡萄球菌中至少一种。
20.优选的，步骤c中，所述纤维素降解菌与玉米芯颗粒的质量比为1:8～12。
21.优选的，步骤c中，搅拌降解的转速为20r/min～30r/min。
22.示例性的，步骤c中，采用桨叶式搅拌器。
23.示例性的，步骤c中，采用硫酸溶液调节ph至6～9。
24.示例性的，步骤c中，固液分离可采用本领域常规的沉淀法或过滤法。
25.优选的纤维素降解菌以及降解条件，有利于对玉米芯中的纤维素进行有效降解，提高葡萄糖得率，得到高效碳源，为反硝化细菌提供足够的营养成分。
26.本发明还提供了一种反硝化液体碳源，由上述任一项所述的反硝化液态碳源的制备方法制备得到。
27.本发明还提供了上述反硝化液体碳源在生活污水和工业废水处理中的应用。
28.本发明制备的反硝化碳源可克服传统固态碳源在应用过程中产生的释碳速率不同而导致的亚硝酸盐氮累积的问题，能够提高反硝化碳源的适用范围，将其作为反硝化装置的碳源补充，能够为反硝化菌提供充足稳定的碳源，显著提高反硝化脱氮效率，且生产成
本较低，实现了农业废弃物的资源化利用，可广泛应用于a/o、sbr、接触氧化等多种污水处理工艺，尤其适用于北方农村地区污水处理使用，还适用于工业废水的处理，具有较高的实际应用价值。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
31.实施例1
32.一种反硝化液体碳源的制备方法，包括如下步骤：
33.步骤a，取玉米芯105℃干燥后，粉碎，过40目筛，得玉米芯颗粒；
34.步骤b，称取所述玉米芯颗粒1kg加入微波加热罐中，然后加入3l质量浓度为10％的氢氧化钙溶液，浸泡4h，开启分段微波加热进行预处理，降至室温，得玉米芯预处理液；
35.其中，所述分段微波加热的具体程序为：功率600w，以10℃/min的速率升温至60℃，再设置功率300w，以5℃/min的速率升温至80℃，最后设置功率150w，以2.5℃/min的速率升温至90℃；
36.步骤c，向所述玉米芯预处理液中加入硫酸溶液，调节ph为6，然后加入0.1kg松鼠葡萄球菌，室温搅拌降30h，搅拌转速为25r/min，静置沉淀，分离上清液，检测上清液cod为12300mg/l，得所述反硝化液体碳源。
37.实施例2
38.一种反硝化液体碳源的制备方法，包括如下步骤：
39.步骤a，取玉米芯105℃干燥后，粉碎，过40目筛，得玉米芯颗粒；
40.步骤b，称取所述玉米芯颗粒1kg加入微波加热罐中，然后加入6l质量浓度为6％的氢氧化钾溶液，浸泡6h，开启分段微波加热进行预处理，降至室温，得玉米芯预处理液；
41.其中，所述分段微波加热的具体程序为：功率600w，以11℃/min的速率升温至65℃，再设置功率300w，以4℃/min的速率升温至75℃，最后设置功率150w，以2℃/min的速率升温至88℃；
42.步骤c，向所述玉米芯预处理液中加入硫酸溶液，调节ph为7，然后加入0.08kg松鼠葡萄球菌，室温搅拌降解40h，搅拌转速为20r/min，静置沉淀，分离上清液，检测上清液cod为9400mg/l，得所述反硝化液体碳源。
43.实施例3
44.一种反硝化液体碳源的制备方法，包括如下步骤：
45.步骤a，取玉米芯105℃干燥后，粉碎，过40目筛，得玉米芯颗粒；
46.步骤b，称取所述玉米芯颗粒1kg加入微波加热罐中，然后加入8l质量浓度为1％的氢氧化钠溶液，浸泡2h，开启分段微波加热进行预处理，降至室温，得玉米芯预处理液；
47.其中，所述分段微波加热的具体程序为：功率600w，以9℃/min速率升温至55℃，再设置功率300w，以6℃/min的速率升温至85℃，最后设置功率150w，以3℃/min的速率升温至92℃；
48.步骤c，向所述玉米芯预处理液中加入硫酸溶液，调节ph为9，然后加入0.12kg松鼠葡萄球菌，室温搅拌降解20h，搅拌转速为30r/min，静置沉淀，分离上清液，检测上清液cod为6200mg/l，得所述反硝化液体碳源。
49.利用dns法测反硝化液体碳源中的总糖浓度，利用高效液相色谱法测反硝化液体碳源中的葡萄糖及木糖浓度。实施例1-3中的总还原糖得率为85％-89％。
50.以两个相同的a/o反应器为例，测试本发明实施例1制备的反硝化液体碳源和醋酸钠作为碳源的效果，试验过程中控制两个反应器的进出水总氮条件完全一致，即反应器进水tn为35mg/l，出水为15mg/l，日处理量为5m3，实验结果如表1所示。
51.表1
[0052][0053]
从上表可以看出，采用两种碳源均可保证出水总氮顺利达标，但是从应用成本角度讲，本发明制备的反硝化液态碳源成本较低，在实际大规模生产应用时，成本优势将更加明显。
[0054]
对比例1
[0055]
本对比例提供一种反硝化液态碳源的制备方法，其步骤与实施例1完全相同，不同的仅是将升温至60℃的升温速率调整为5℃/min，其余参数完全相同。
[0056]
按照上述相同的方法测试总还原糖得率为65％。
[0057]
对比例2
[0058]
本对比例提供一种反硝化液态碳源的制备方法，其步骤与实施例1完全相同，不同的仅是将升温至80℃的升温速率调整为10℃/min，其余参数完全相同。
[0059]
按照上述相同的方法测试总还原糖得率为75％。
[0060]
对比例3
[0061]
本对比例提供一种反硝化液态碳源的制备方法，其步骤与实施例1完全相同，不同的仅是将升温至90℃的升温速率调整为5℃/min，其余参数完全相同。
[0062]
按照上述相同的方法测试总还原糖得率72％。
[0063]
由上述对比例1-3以及实施例1进行对比可知，改变微波加热的升温速率均可导致
总还原糖得率下降。这说明升温速率以及升温区间的选择，对纤维素的降解有显著影响，本发明通过控制特定的微波加热程序，显著提高了总还原糖得率，有利于提高反硝化速率。
[0064]
实施例1-3中采用本发明限定的其他纤维素降解菌也均可达到与对应实施例基本相当的技术效果。
[0065]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。