CN108249564B - 一种反硝化固态碳源的制备方法及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种反硝化固态碳源的制备方法及使用方法，属于水处理技术领域，反硝化固态碳源的制备方法是将熔融PHBV中加入一定比例的碳酸氢钠、无水氯化铁、无水氯化锰，冷却制成改性PHBV材料，并将填料装袋后在1~6%β‑葡聚糖水溶液中震荡预处理，晾干后装入反应器中使用。反应器中注入配制污水和厌氧池污泥混合后的水样，持续运行36~48h，再使用配制污水继续运行，挂膜成功后，出水NO3 ‑‑N浓度可低于5mg/L。本发明优势在于大幅度增加微生物附着空间，提升反硝化菌数量；缩短反应器启动时间；提高材料润湿性；加速微生物对营养物质吸收，强化微生物繁殖；出水硝酸氮浓度稳定且达到污水排放要求；操作简单，易于控制。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，特别涉及反硝化固态碳源的制备方法及使用方法。一种利用碳酸氢钠、无水氯化铁、无水氯化锰对聚3-羟基丁酸戊酸共聚脂（PHBV）改性后作为反硝化装置填料以及具体使用方法。
背景技术
近年来由于我国经济产业转变，大量的含氮生活污水以及农业污水排放入水体之中。各地地表水系以及部分地区地下水中硝酸盐氮含量急剧升高，成为了当今水处理技术之中需要着重发展的一个领域。
目前城镇污水处理之中主要的去除硝酸盐氮的主要手段是依靠反硝化菌的作用将硝酸盐氮转变为氮气排入大气之中。为能够保证反硝化细菌的充足活性，就必须要在其反应环境之中拥有足够的碳源作为能量供给。
我国现行的污水处理工艺之中普遍存在着脱氮环节碳源不足的情况，而另一方面随着水处理标准的提高，总氮的排放标准又日益升高。因此，在保证出水条件的情况之下，研究新型的外加碳源，已经成为了水处理工艺之中较为迫切关键问题。
现有的外加碳源通常可分为传统溶解性碳源和新型固体碳源两大类（邵留 , 徐祖信 , 尹海龙 , 污染水体脱氮工艺中外加碳源的研究进展 , 工业水处理 27(12)(2007) 10-14）。
传统的溶解性碳源主要包括甲醇、乙酸、葡萄糖等液体有机物。但此类溶解性有机物都普遍存在一些问题，例如：碳氮比难以控制；水中硝酸盐氮产生波动时难以调控等操作问题，以及碳源投加过量会使出水水质COD升高，但投加不足则会导致亚硝酸盐的产生累计。
以上情况都会导致出水水质变差，造成影响。而固体碳源只有在微生物附着情况下，利用微生物中的酶将填料分解，才会被反硝化菌利用。一方面避免了碳源投加的控制问题，另一方面不会对出水水质产生影响。
近年来国内外许多研究人员通过许多途径寻找无毒、廉价的缓释碳源来替代传统碳源，多是富含纤维素类物质的天然固体有机物以及一些可生物降解的人工材料，比如棉花、稻壳、纸、可降解餐盒、PCL、淀粉等。但这类物质通常存在憎水、易结晶、降解时间长等缺点。
聚3-羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）是一种用淀粉为原料，是运用发酵工程技术生产出的生物聚酯。它在水处理技术领域的应用已经被证明行之有效，但材料本身具有疏水性较强，颗粒密度大，难以提供微生物生存场所等缺陷，会影响实际工程中的使用。因此对PHBV原料进行改性，解决上述问题。
发明内容
为解决传统固态碳源挂膜时间长，单位体积微生物数量少、生物膜强度低，抗冲击能力差等问题，提供了一种反硝化固态碳源的制备方法及使用方法。
本发明具体方案如下：一种反硝化固态碳源的制备方法，其特征是包括下述内容：
（1）将聚3-羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）粉末放入烧杯中，在160~175℃下加热3~5min；待聚3-羟基丁酸戊酸共聚酯熔融后，将质量比为聚3-羟基丁酸戊酸共聚酯：碳酸氢钠：无水氯化铁：无水氯化锰=100：5~10：0.005~0.020：0.001~0.010的试剂加入烧杯中，以60~120rpm/min速度搅拌30~60s，制成反硝化固态碳源。
（2）反硝化固态碳源冷却之后取出，装入孔径为1.0~2.0mm的网状填料袋之中，测得填料空隙率55~65%；将填料袋放入装有1~6%β-葡聚糖水溶液的容器中，在台式振荡器上震荡15~30s；将填料袋取出晾干；放入反应器，反应器填充率为50%；经过β-葡聚糖水溶液浸泡的填料能够加强对微生物截留能力，提高挂膜速度；经过震荡，改性PHBV材料中空气量减少，可降低对厌氧环境的影响；填料袋可以随时取出，方便对反应器以及填料的清洗、更换、测试，并防止填料袋上浮；
（3）将配制污水（配方如表1所示）与活性污泥按体积比=1：3进行混合，以60rpm/min速率搅拌，形成混合液体。50L配制污水中，KH2PO4 含量为1.00g；MgSO4含量为0.55g；CaCl2含量为0.14g；MnSO4含量为0.13g；FeCl3·6H2O含量为0.18g；ZnCl2含量为0.11g；NaNO3含量为12.14g。
（4）混合液体经由蠕动泵从反应器下方进入，顶部流出，持续运行36~48h；再用配制污水持续运行反应器，保持水力停留时间为1.5h，进行快速挂膜；每24h取反应器流出液，过滤后测定硝酸盐氮、DOC含量以及pH值，维持反应器运行。
所用活性污泥来自于污水处理厂厌氧池污泥。
改性后PHBV材料既作为反应器固体碳源，又作为微生物附着载体。其优势在于大幅度增加微生物附着空间，提升反硝化菌数量；缩短反应器启动时间；提高材料润湿性；加速微生物对营养物质吸收，强化微生物繁殖；出水硝酸氮浓度稳定且达到污水排放要求；操作简单，易于控制。
本发明有益效果为：
（1）改性PHBV孔隙率提高，粘度增强，大幅提高微生物附着量，提升反硝化效率；
（2）改性PHBV更适宜反硝化微生物生存，强化微生物繁殖；
（3）改性PHBV大幅度增强了PHBV反硝化能力，缩短了反应器启动时间；
（4）改性PHBV填料中未对反应器内pH环境造成明显影响。
附图说明
图1为本发明的改性PHBV填料制作工艺流程图。
图2为本发明的使用方法工艺流程图。
图中标号：1-进水桶；2-蠕动泵；3-进水口；4-反应器；5-填料网袋；6-出水口；7-出水桶；8-填料；9-搅拌机。
具体实施方案
本发明提供了一种对PHBV原料改性，并作为反应器填料去除水中硝酸氮的方法，接下来将结合附图与具体实施方案对本发明进行进一步说明。其中选用市售PHBV、β-葡聚糖以及实验室碳酸氢钠、无水氯化铁及无水氯化锰试剂，分析纯。
本发明中，50L配制污水中含有KH2PO4 为1.00g；MgSO4为0.55g；CaCl2为0.14g；MnSO4为0.13g；FeCl3·6H2O为0.18g；ZnCl2为0.11g；NaNO3为12.14g。
本发明的反应器为填料床反应柱。
实施例1
（1）将PHBV粉末放入烧杯中，在160~175℃下加热5min。PHBV熔融后，将质量比为PHBV：碳酸氢钠：无水氯化铁：无水氯化锰=100：5：0.010：0.005的试剂加入烧杯中，以100rpm/min速度搅拌60s，自然冷却制成填料；
（2）填料冷却后取出，装入孔径为1.0~2.0mm的网袋之中，再放入装有1%β-葡聚糖水溶液的容器中，在台式振荡器上震荡30s；填料袋取出晾干，将其放入反应器中，反应器填充率为50%；
（3）配制污水不添加任何有机碳源。配制污水与活性污泥按体积比1：3混合；外加一搅拌装置，以60rpm/min进行搅拌；活性污泥来自太原市污水处理厂厌氧池污泥；
（4）反应器材质为有机玻璃，圆柱形，内径5cm、高45cm，有效体积为0.88L，如附图2所示；混合水样由底部泵入，顶部流出，持续运行48h，温度控制在15~17℃之间。使用蠕动泵将配制污水持续注入反应器中，水力停留时间为1.5h；
（5）此后每24h取流出液，经过0.45μm滤膜过滤，测试硝酸盐氮、DOC含量以及pH值；保证配制污水足够，维持反应器运行；
（6）经过3天后反应器出水硝酸盐氮含量可稳定由40mg/L减少至0.5mg/L以下，DOC含量持续保持在0.1~5mg/L，pH值在6.89~7.21之间变化。
实施例2
（1）以质量比 PHBV：碳酸氢钠：无水氯化铁：无水氯化锰=100：10：0.020：0.010进行改性制料。
（2）震荡时间15s，混合水样持续注入36h；其余的填料处理、污水配制、反应器规格、运行条件、测试方法等与实例1相同。
（3）经过3天后反应器出水硝酸盐氮含量可稳定由40mg/L减少至2.5mg/L以下，DOC含量持续保持在2.5~5.5mg/L，pH值在6.71~7.33之间变化。
实施例3
（1）以质量比 PHBV：碳酸氢钠：无水氯化铁：无水氯化锰=100：10：0.015：0.070进行改性制料。
（2）震荡时间15s，混合水样持续注入36h；其余的填料处理、污水配制、反应器规格、运行条件、测试方法与实施例1相同。
（3）经过3天后反应器出水硝酸盐氮含量可稳定由40mg/L减少至2.0mg/L以下，DOC含量持续保持在5.0~7.0mg/L，pH值在6.95~7.25之间变化。
实例测得数据结果均能够达到理想要求。反应器平均NO3 --N去除率在95%以上，最高为98%；DOC浓度不会影响出水COD；pH值在反硝化菌适宜生长的范围；挂膜速度较PHBV原料反应器快1天。因此可以将改性PHBV视为更加优良的固体碳源进行使用。
上述实例描述是便于该技术领域的普通技术人员理解及运用本发明。熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明所述实例进行修改，并将所述技术的一般原理应用于其他实例中。因此，本发明不限于上述实例，在不脱离本发明范畴所做出的修改及改进都应该属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种反硝化固态碳源的使用方法，包括下述步骤：
（1）将改性PHBV材料装入孔径为1.0~2.0mm的网袋内成为填料袋；
（2）对填料袋预处理：将填料袋放入1~6%β-葡聚糖水溶液中，在台式振荡器上震荡15~30s；填料袋取出晾干后放入反应器中，反应器填充率为50%；
（3）将配制污水与活性污泥按体积比=1：3进行混合；以60rpm/min速率搅拌，保持污泥均匀，制得混合污水；
（4）快速挂膜：将步骤（3）制得的混合污水从反应器底部注入，顶部流出，持续36~48h，速率2.5ml/min；用配制污水连续进水持续运行反应器，保持水力停留时间为1.5h，待出水NO3 --N浓度低于5mg/L时，挂膜成功；
所述反硝化固态碳源为改性PHBV材料，它的制备方法是：在160~175℃下加热聚3-羟基丁酸戊酸共聚脂粉末形成熔融态，按照聚3-羟基丁酸戊酸共聚脂：碳酸氢钠：无水氯化铁：无水氯化锰=100：5~10：0.005~0.020：0.001~0.010的质量比投入碳酸氢钠、无水氯化铁和无水氯化锰，以60~120rpm/min的速度搅拌30~60s，停止加热后，自然冷却，制成改性PHBV材料。
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