申請日2021.09.07
公開日期2021.12.14
IPC分類C02F3/28
摘要
本發(fā)明公開了一種低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源，該復(fù)合碳源按質(zhì)量比計包括：糖蜜：35‑45%，葡萄糖：10‑15%，丙三醇：10‑15%，乙酸鈉：5‑10%，丙酸鈉：5‑10%，聚乙烯醇：1‑5%，剩余為水，以上各組分之和為100%；本發(fā)明還涉及一種低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源的制備方法，該復(fù)合碳源可滿足微生物群中處于不同生長階段的微生物所需營養(yǎng)，避免了單一碳源對系統(tǒng)微生物菌落的影響，綜合了丙三醇、糖蜜、葡萄糖和乙酸鈉的優(yōu)點，既解決了丙三醇作為碳源反硝化速率慢的問題，也提供了比糖蜜更高的COD含量，具有效果持久、高效、安全無毒、投加方便，便于儲存、運輸和使用等特點，特別適合污水處理廠生物反硝化外加碳源使用。
權(quán)利要求
1.一種低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源，其特征在于：該復(fù)合碳源按質(zhì)量比計包括：糖蜜：35-45%，葡萄糖：10-15%，丙三醇：10-15%，乙酸鈉：5-10%，丙酸鈉：5-10%，聚乙烯醇：1-5%，剩余為水，以上各組分之和為100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源，其特征在于：所述的糖蜜為甘蔗糖蜜或甜菜糖蜜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源，其特征在于：所述的聚乙烯醇為聚乙烯醇PVA0588。
4.一種制備權(quán)利要求1或2或3所述的低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源的方法，其特征在于，具體操作為：將乙酸溶液和丙酸溶液依次投入反應(yīng)釜中，再緩慢加入氫氧化鈉溶液，其余為水，并開始攪拌混合均勻30分鐘，攪拌溫度為40-60℃，至pH為6.5-7.5停止加入氫氧化鈉溶液，再按照質(zhì)量比緩慢依次加入糖蜜、葡萄糖、丙三醇和聚乙烯醇，繼續(xù)攪拌30分鐘并過濾，得到復(fù)合碳源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源的制備方法，其特征在于：所述的乙酸溶液和丙酸溶液的質(zhì)量濃度均為10-20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源的制備方法，其特征在于：所述的氫氧化鈉溶液的質(zhì)量濃度為30%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源的制備方法，其特征在于：所述過濾所通過的孔徑為100-200目。
說明書
一種低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源及其制備方法，該復(fù)合碳源主要用于低C/N比污水生物脫氮所需補充碳源，屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
近年來，水體富營養(yǎng)化成為嚴重的環(huán)境問題，隨著中國“水十條”的發(fā)布，對污水廠脫氮處理提出了更高的要求。在眾多市政污水處理工藝中，生物法硝化反硝化工藝因其廉價高效的特點被廣泛應(yīng)用于污水脫氮處理。傳統(tǒng)的生物脫氮工藝主要分為硝化過程和反硝化過程，其中反硝化過程指異養(yǎng)反硝化細菌以有機碳源為電子供體，在缺氧環(huán)境下將硝化過程中產(chǎn)生的亞硝酸氮和硝酸氮還原成氣態(tài)氮的過程。有機碳源是反硝化過程中的重要物質(zhì)，其種類及C/N 比影響著反硝化的效果。只有保證水體中有充足的碳源才能讓反硝化過程順利進行，一般要求BOD/TKN>4。在中國南方地區(qū)，碳源不足導(dǎo)致污水處理廠的出水水質(zhì)很難達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放“一級A”標準，現(xiàn)多采用向低碳氮比污水中投入外加碳源以保證反硝化脫氮，而不同碳源對反硝化的影響不同，尋求高效、廉價且環(huán)境友好型的外加碳源成為現(xiàn)在急需解決的問題。
現(xiàn)有的外加碳源可分為兩大類：一是以低分子有機物和糖類等可溶性液體碳源為主的傳統(tǒng)碳源以及以其為原料的復(fù)合碳源；二是以天然纖維素植物及人工合成高聚物為主的固體新型碳源和以工業(yè)廢水、污泥水解液及垃圾滲濾液等為主的液體新型碳源。目前被廣泛實際應(yīng)用于污水廠反硝化脫氮的傳統(tǒng)外加碳源多采用可溶性的低分子有機物（如甲醇、乙酸、乙酸鈉）和糖類物質(zhì)（葡萄糖、乳糖），具有易生物降解、釋碳速率快且易被反硝化細菌利用等特點，成為污水反硝化脫氮工藝中外加碳源的首選。甲醇是最早被研究且被廣泛實際應(yīng)用于反硝化脫氮的外加碳源，但因其毒性、運輸成本高、安全性能差以及投加量難以掌控等因素，在越來越重視水環(huán)境安全性的當下，顯然不再適用。且有研究表明甲醇作為外加碳源時，系統(tǒng)啟動時間，污泥馴化期長，不能迅速地響應(yīng)進水水質(zhì)的變化，不適合作為應(yīng)急外加碳源。因此，現(xiàn)在污水脫氮中往往選擇低分子醇、酸作為其替代品。張仲玲. 反硝化脫氮外加碳源的選擇[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.文獻中考察了甲醇、乙酸、丙酸、丁酸和葡萄糖作為間歇式反硝化實驗外加碳源時的適宜碳氮比及反硝化速率，結(jié)果表明在適宜碳氮比條件下，反硝化速率為甲醇、乙酸>丙酸、丁酸>葡萄糖。近年來，乙酸鈉作為反硝化外加碳源的應(yīng)用越來越多，相比醇類和酸類，其具有運輸成本低、環(huán)境安全性高、適應(yīng)能力強及反硝化速率高等優(yōu)勢。吳代順, 桂麗娟, 陳曉志, 等. 不同類型碳源及其投加量對污泥反硝化的影響研究[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2012, 31(3): 99-103.文獻中研究了甲醇、乙醇、乙酸鈉和葡萄糖對SBR 工藝反硝化的影響，發(fā)現(xiàn)在污泥未經(jīng)長期馴化的條件下，乙酸鈉的反硝化速率最快，為13.27mg/(L·h)，且自適應(yīng)能力最強，而甲醇和葡萄糖在一次性投加時幾乎對NO3--N 無去除作用。李文龍, 楊碧印, 陳益清, 等. 不同外加碳源反硝化濾池的深度脫氮特性研究[J]. 水處理術(shù),2015,41(11):82-85.文獻中以乙醇、乙酸鈉和葡萄糖作為外加碳源研究反硝化生物濾池的效能，結(jié)果表明當HRT≥10 min 時，乙酸鈉、乙醇濾池對NO3--N 和TN 的去除率能達到90%以上，葡萄糖濾池能達到80%以上，且均有較強的耐水力符合沖擊能力。安麗娜, 薛軍, 司徒淑娉. 乙酸鈉外加碳源SBBR 工藝脫氮效果的實驗研究[J]. 當代化工, 2016, 45(1):22-24.文獻中以乙酸鈉為外加碳源，采用SBR 工藝處理低碳氮比生活污水，當C/N 比為7.0 時，對NH4+-N 的去除率最高為89.31%；當C/N 比為7.12 時，對TN 的去除率，最高為71.27%，均達到國家“一級A”標準。但乙酸鈉相對于其他低分子有機物，其成本高、投加量大，且易產(chǎn)生亞硝酸氮積累，為污水廠帶來了一定的經(jīng)濟負擔。楊敏, 孫永利, 鄭興燦, 等. 不同外加碳源的反硝化效能與技術(shù)經(jīng)濟性分析[J]. 給水排水, 2010, 36(11): 125-128.文獻中分析了乙醇、乙酸和乙酸鈉作為A/O工藝處理低碳氮比污水的經(jīng)濟成本，其單位NO3--N 去除量的投加成本分別為15.08、15.20和28.98 元。作為外加碳源，低分子有機物具有眾多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于污水廠脫氮，但部分物質(zhì)安全性差，且液體運輸成本高，投加量不能精準控制等因素限制了其進一步開發(fā)。
糖類（如葡萄糖、蔗糖、果糖、麥芽糖等）因其生產(chǎn)成本低廉、運輸方便、易生物降解等優(yōu)點而被越來越多污水廠用作脫氮處理的外加碳源。但糖類物質(zhì)作為外加碳源主要問題為反硝化速率和效能不如乙酸等低分子有機物，出水存在亞硝酸鹽累積現(xiàn)象，且因其較高微生物生長量易使工藝出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。污水廠在實際運行中往往使用以上某一種物質(zhì)作為長期使用的反硝化碳源，而單一碳源僅部分微生物能夠直接利用，且不同碳源都存在一定的應(yīng)用局限性。以復(fù)合碳源作為反硝化反應(yīng)的電子供體時，多種類型的反硝化菌可以利用不同的物質(zhì)獲得所需能量從而增加高效反硝化菌的豐度，改變菌落結(jié)構(gòu)，提高脫氮效果�，F(xiàn)在一些商用碳源公司開始采用以不同種傳統(tǒng)碳源為原料制作新型的復(fù)合碳源，以期提高其反硝化速率和微生物利用率，并降低其應(yīng)用成本。胡小宇, 朱靜平. 3 種單一及其混合碳源的生物反硝化脫氮效能[J]. 水處理技術(shù), 2020,46(1): 57-61.文獻中分別以乙酸鈉，乙醇、葡萄糖及其兩兩混合物作為外碳源，對生活廢水進行生物反硝化研究。結(jié)果表明，復(fù)合碳源系統(tǒng)中參與反硝化反應(yīng)的菌種要多于單一碳源系統(tǒng)，其反硝化速率和NO3--N 去除率均有較大提升，綜合考慮脫氮效果、成本及環(huán)境安全性，乙酸鈉+葡萄糖更適合應(yīng)用于實際脫氮。張民權(quán), 劉永, 范杰, 等. 新型高效復(fù)合碳源的制備及其在反硝化脫氮中的應(yīng)用[J]. 給水排水, 2019,45(1):153-155,158.文獻中研制出一種新型特效復(fù)合碳源，其COD高達100 萬 mg/L，相同脫氮效果下用量僅為乙酸鈉的1/6，節(jié)約成本50%~80%。專利號：201811116149.0， 公開號：CN108946938A，名為一種可實際應(yīng)用于污水處理的復(fù)合碳源藥劑的專利，公開了其由甲酸鈉（0.5%~1.0 %）、乙酸鈉（4.5%~5.5 %）、丙酸鈉（5%~6 %）、糖類物質(zhì)（40%~50 %）及水（40%~45 %）組成，其中糖類物質(zhì)為COD＞3000 mg/mL 的糖類混合物。該優(yōu)質(zhì)、高效環(huán)保型復(fù)合碳源的脫氮效果是傳統(tǒng)外加碳源的1.5 倍以上。
產(chǎn)業(yè)鏈成熟且應(yīng)用廣泛的商用碳源以傳統(tǒng)碳源及其改良的復(fù)合碳源為主，不同外加碳源的綜合成本不同，而運行成本是城市污水處理廠選擇外加碳源的一個重要指標。從外加碳源的經(jīng)濟性分析可以看出，復(fù)合碳源均能達到與乙酸鈉相當?shù)姆聪趸俾�，而單位水處理增加成本僅為乙酸鈉的50%~66%，大大減少了運行成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源及其制備方法，該復(fù)合碳源可滿足微生物群中處于不同生長階段的微生物所需營養(yǎng)，避免了單一碳源對系統(tǒng)微生物菌落的影響，綜合了丙三醇、糖蜜、葡萄糖、乙酸鈉、丙酸鈉和聚乙烯醇的優(yōu)點，既解決了丙三醇作為碳源反硝化速率慢的問題，也提供了比糖蜜更高的COD含量，可生化性更佳，具有效果持久、高效、安全無毒、投加方便，便于儲存、運輸和使用等特點，特別適合污水處理廠生物反硝化外加碳源使用。
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源，該復(fù)合碳源按質(zhì)量比計包括：糖蜜：35-45%，葡萄糖：10-15%，丙三醇：10-15%，乙酸鈉：5-10%，丙酸鈉：5-10%，聚乙烯醇：1-5%，剩余為水，以上各組分之和為100%。
本發(fā)明進一步限定的技術(shù)方案是：
進一步的，前述低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源中，糖蜜為甘蔗糖蜜或甜菜糖蜜。
前述低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源中，聚乙烯醇為聚乙烯醇PVA0588。
本發(fā)明還涉及一種制備上述低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源的方法，具體操作為：
將乙酸溶液和丙酸溶液依次投入反應(yīng)釜中，再緩慢加入氫氧化鈉溶液，其余為水，并開始攪拌混合均勻30分鐘，攪拌溫度為40-60℃，至pH為6.5-7.5停止加入氫氧化鈉溶液，再按照質(zhì)量比緩慢依次加入糖蜜、葡萄糖、丙三醇和聚乙烯醇，繼續(xù)攪拌30分鐘并過濾，得到復(fù)合碳源。
前述低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源的制備方法中，乙酸溶液和丙酸溶液的質(zhì)量濃度均為10-20%。
前述低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源的制備方法中，氫氧化鈉溶液的質(zhì)量濃度為30%。
前述低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源的制備方法中，過濾所通過的孔徑為100-200目。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明涉及一種低C/N比的污水生物脫氮復(fù)合碳源及其制備方法，該復(fù)合碳源因含有糖蜜、葡萄糖、丙三醇、乙酸鈉、丙酸鈉、聚乙烯醇等豐富的多類型碳源可滿足微生物群中處于不同生長階段的微生物所需營養(yǎng)，COD高達100萬mg/L以上，在相同脫氮效果的情況下用量可大幅降低，運行成本更低，同時富含低分子量的葡萄糖、丙三醇、乙酸鈉、丙酸鈉等碳源，可實現(xiàn)廢水高效脫氮。
現(xiàn)有技術(shù)中也記載了復(fù)合碳源，如專利公開號為CN 112340858 A的專利，本發(fā)明中的復(fù)合碳源具有更多的糖蜜含量以及聚乙烯醇大分子碳源，無需CN 112340858 A專利中的檸檬酸鈉、無機磷鹽、微量元素和生長因子投加，這是由于復(fù)合碳源中較多的糖蜜已為微生物生長提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，無需額外補充，其復(fù)合碳源COD值更高，投加量更低，成本更低，其豐富的羥基基團可顯著提高微生物脫氮反硝化速率；專利公開號為CN 112551689A的專利與之相比本申請的復(fù)合碳源除糖蜜和丙三醇外，還系統(tǒng)綜合了葡萄糖、乙酸鈉、丙酸鈉等小分子碳源以及聚乙烯醇等大分子碳源優(yōu)點，相互配合使用，微生物脫氮反硝化速率得以提升，且豐富了反硝化細菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性。
本發(fā)明使用乙酸溶液和丙酸溶液代替乙酸鈉和丙酸鈉使用，一方面便于降低成本，另一方面起到對反應(yīng)釜抑菌抗菌作用，避免復(fù)合碳源受到其它有害微生物污染。該復(fù)合碳源綜合了單一碳源(丙三醇、糖蜜、葡萄糖和乙酸鈉)的優(yōu)點，避免了長期投加單一碳源影響反硝化段的細菌微生物以及反硝化細菌群落結(jié)構(gòu)多樣性等技術(shù)問題，解決了丙三醇作為碳源反硝化速率慢的問題，也提供了比糖蜜更高的COD含量(>100萬/mg/L)。具有效果持久、高效、安全無毒、投加方便，便于儲存、運輸和使用等特點，特別適合污水處理廠生物反硝化外加碳源使用。
（發(fā)明人：史傳葉; 黃瓊; 時紅兵; 徐德福; 陳凱）
