利用木头、腐朽木富集脱氮环境微生物菌群进行一步脱氮
的方法
技术领域
[0001] 本
发明属于
水处理技术领域,涉及以天然有机填料木头为主体培养源的原材料培养厌
氧氨氧化环境下的特殊菌群达到去除污水中总氮的方法,特别涉及一种利用木头、腐朽木进行一步脱氮的方法。
背景技术
[0002] 现代工业与生活污水中存有大量含氮污染物,容易导致
水体富营养化,严重危害环境。目前,最常用的脱氮技术是硝化反硝化。硝化反硝化脱氮技术需要较高的曝气量以满足氨氧转换
硝酸盐的反应,而且在有机物含量较低时需要投加额外的有机
碳源以保证反硝化效率。因此,脱氮工艺运行成本较高,耗能巨大。
[0003] 上世纪90年代随着厌氧氨氧化微生物的发现,新型高效节能的厌氧氨氧化工艺应运而生。厌氧氨氧化工艺是新型高效节能的脱氮工艺,其核心是厌氧氨氧化微生物。与上述的硝化反硝化技术脱氮相比,厌氧氨氧化工艺脱氮有如下优点:(1)厌氧氨氧化微生物为自养微生物,反应过程不需要添加有机物;(2)厌氧氨氧化过程不要曝气,大大节省劳动
力消耗;(3)厌氧氨氧化工艺能处理高氨氮类
废水,并且单位负荷较高,减少反应器的体积;(4)工艺所产生的剩余
污泥较少,可节省大量处理污泥的
费用。然而,厌氧氨氧化微生物只有在高浓度条件下才会有活性,且厌氧氨氧化微生物生长缓慢,较难培养,活性容易受抑制。因此,为了保持厌氧氨氧化微生物的活性,需要很高的成本。
发明内容
[0004] 为了解决
现有技术的问题,本发明
实施例提供了一种成本低的
利用木头、腐朽木富集脱氮环境微生物菌群进行一步脱氮的方法。所述技术方案如下:一方面,提供了一种利用天然有机填料木头、腐朽木富集脱氮环境微生物菌群进行一步脱氮的方法,其包括如下几个步骤:步骤S1,将腐朽木用浓度为9-10%
盐酸溶液持续浸泡20-30个小时后,将腐朽木捞出,并冲洗干净;步骤S3,将腐朽木放置到
基础无机盐溶液中浸泡28-32天;步骤S5,将腐朽木放置在厌氧氨氧化环境下的脱氮池内进行菌类培养,保持脱氮池内的
温度20-30°C,并将污水引流至脱氮池内。由于所述环境微生物菌群能够利用载体提供的环境生长,并从低含氮水环境中摄取氮源,作为自生生长营养所需,使其逐步在所述载体表面形成优势菌群,且待Δ-
变形菌
门中Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria的组合的比例达到50%以上时,即可实现总氮的去除。传统硝化反硝化菌在此环境中无法生存,处于竞争劣势。经过持续的诱导和富集,所述载体上逐渐形成脱氮环境微生物优势菌群。所述载体使用寿命最长可达20-25年。
[0005] 进一步地,在所述步骤S1中,冲洗干净后的腐朽木再放入
质量分数为1-2%的氢氧化钠溶液中浸泡20-30小时,之后,捞起腐朽木并再次用水冲洗。其特征在于:以天然有机填料腐朽木为载体,其表面略有腐熟,内部硬度较好,可
叠加组合,并且环境水温对菌种富集速度会产生影响,但远远小于常规脱氮工艺。环境水温在10°C~30°C时,富集速度会加快;水温低于5°C大于1°C时,富集速度会受到影响,保持水温在10°C~30°C,在45~60天可以完成所述载体对脱氮环境微生物菌群的富集,此后,日常运行的水温最低可适应1°C。
[0006] 进一步地,将用氢氧化钠溶液中浸泡、并用水冲洗后的腐朽木放入生理盐水中浸泡20-30小时。
[0007] 进一步地,所述步骤S3中,所述无机盐溶液包括以下物质:0.40-0.6 gL-1 的KHCO3, 0.30-0.35 gL-1 的 MgSO4·7H2O, 0.02-0.03 gL-1的 KH2PO4,0.1-0.15 gL-1 的CaCl2,0.3-0.4 gL-1的NaNO2,0.4-0.5 gL-1 的(NH4)2SO4。
[0008] 进一步地,所述步骤S5包括:S51,将腐朽木按设定的规律摆放在所述脱氮池内;S52,将污水充满所述脱氮池,并使污水在所述脱氮池内自然流动,持续保持5-8周以进行菌类培养;通过含氮污水流经载体,可采用回流或者不回流的方式进行培养,诱使脱氮环境微生物菌群从含氮
原水中摄取氮源,不断富集;S53,当所述脱氮池内开始出现厌氧氨氧化菌,且δ-变形菌、γ-变形菌、β-变形菌Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria的总数量比例达到50%以上时,持续将污水排放至所述的脱氮池内一步脱氮。
[0009] 进一步地,在所述步骤S51中,多根所述腐朽木并排成一层一层的排放在所述脱氮池内,且每相邻两层腐朽木之间设有固定隔网。
[0010] 进一步地,所选木头作为主体培养源的原材料,且在所述步骤S1之前,将所述木头腐熟为所述腐朽木。用于脱氮环境微生物菌群诱导和富集的载体可采用一级或二级填料床的培养方式。
[0011] 进一步地,在使用新的富集所述脱氮微生物菌群载体时,可以通过和已经进行过所述菌种富集的载体进行混合,缩短新载体上所述脱氮环境微生物菌群的富集时间,并且所述载体木头包括椰壳、果壳、木粉、树木或
枯枝落叶等。
[0012] 进一步地,所述木头腐熟为所述腐朽木包括如下步骤:S11,将所述木头用水充分浸泡,使所述木头
含水量达到40%-50%,所述水中可添加尿素;S15,将浸泡后的所述木头交错叠放以
木头堆,当监测所述木头堆的中心处的温度上升至55°C -65°C时,将所述木头堆打乱,翻堆,并加入白腐菌剂;使所述白腐菌剂和所述木头充分混合后再次建木头堆,并持续堆放14-16天;S17,再次将所述木头堆打乱,翻堆,并重建木头堆,且持续堆放14-16天后腐熟完成。
[0013] 进一步地,在所述S11和所述S15之间,将浸泡后的所述木头交错叠放以形成木头堆,当所述木头堆的中心处的温度上升至55°C -65°C时,将所述木头堆打乱,翻堆,并再次交错叠放重建木头堆至少一次。
[0014] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:本发明的利用木头、腐朽木进行一步脱氮的方法利用腐朽木为厌氧的菌类营造了天然的寄生环境,提高了菌类的成活性及繁殖速度,特别是可大量繁殖δ-变形菌、γ-变形菌、β-变形菌。且在脱氮过程中,无需添加任何化学或有机物质,直接利用污水中菌类来反噬除污,节省了原料消耗;且为了营造菌类的厌氧生存环境,在脱氮过程中无需曝气,节省了人力物力,从而降低了成本。
附图说明
[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅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。
[0016] 图1是本发明的利用木头、腐朽木进行一步脱氮的方法的流程示意图。
[0017] 图2是图1中木头腐熟的流程示意图。
[0018] 图3是图1中脱氮的流程示意图。
[0019] 图4是图1中一步脱氮的新机理、方法及与传统方法的对比。
[0020] 图5是图1中富集精细脱氮环境微生物菌群的载体和方法的工艺图。
[0021] 图6是图1中传统脱氮(总氮)工艺与本
专利在脱氮(总氮)指标的比较。
具体实施方式
[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0023] 请参照图1,本发明实施例提供了一种利用木头、腐朽木进行一步脱氮的方法,用于
污水处理。该利用木头进行一步脱氮的方法包括如下步骤:步骤S1,将腐朽木用浓度为9-10%盐
酸溶液持续浸泡20-30个小时,使得盐酸溶液将腐朽木
腐蚀形成多个便于细菌生长的微细孔径;然后,捞出腐朽木,并用水将腐朽木上残余的盐酸溶液冲洗干净。
[0024] 为了避免腐朽木上附着有残余的盐酸溶液会损伤细菌,将冲洗后的腐朽木用质量分数为1-2%的氢氧化钠溶液浸泡20-30小时,以中和腐朽木上附着的盐酸溶液或其它酸性物质。用氢氧化钠溶液浸泡完成后,捞起腐朽木并再次用水冲洗,以进一步的去除腐朽木上的杂质。之后,将腐朽木放入生理盐水中浸泡20-30小时后待用。
[0025] 需要说明的是,在其它实施方式中,也可以用木头作为主体培养源的原材料。当用木头作为主体培养源的原材料时,在进行步骤S1之前,需先将木头腐熟为腐朽木,请结合参照图2,具体过程为:首先,第一步S11,将木头用水充分浸泡,使木头含水量达到40%-50%,并且上述水中可添加尿素;需要说明的是,当木头选用的是树木时,为了使得树木充分潮湿以及耐污水冲击,选择每一树木的长度为1m-1.2m,直径为12cm-20cm。
[0026] 接着,第二步S13,将浸泡后的木头交错叠放以形成多个木头堆,且为了保证每根木头的腐熟效果,每一木头上设有多个孔。每一木头堆的中心
位置设有温度
传感器或温度监测计,用于感测木头堆中心处的温度。当木头堆的中心处的温度上升至55°C -65°C;优选地,当木头堆的中心处的温度上升至60°C时,将对应的木头堆打乱,翻堆,并再次交错叠放重建木头堆。这个过程中包括至少一次翻堆和重建木头堆。需要说明的是,根据需要,第二步S13中的翻堆和重建木头堆可以重复多次;而当使用的是易腐熟的木头作为主体培养源的原材料时,可以省略第二步S13直接进行建木头堆,然后直接进行下述第三步S15。
[0027] 第三步S15,第二步S13完成后,当监测木头堆的中心处的温度上升至55°C -65°C;优选地,当木头堆的中心处的温度上升至60°C时,再次将木头堆打乱,翻堆,并加入白腐菌剂;使白腐菌剂和木头充分混合后再次建木头堆,并持续堆放14-16天,优选地,持续堆放15天。
[0028] 第四步S17,当持续堆放了第一个14-16天后,再次将木头堆打乱,翻堆,并重建木头堆,且持续堆放14-16天,优选地,持续堆放15天;此时,木头腐熟完成形成腐朽木。
[0029] 需要说明的是,在其它实施方式中,作为主体培养源的原材料还包括椰壳、果壳、木粉、树木或枯枝落叶等。
[0030] 步骤S3,将腐朽木放置到厌氧氨氧化基础的无机盐溶液中浸泡28-32天;其中,无机盐溶液包括以下物质: 0.40-0.6 gL-1 的KHCO3, 0.30-0.35 gL-1的MgSO4·7H2O,0.02-0.03 gL-1的KH2PO4,0.1-0.15 gL-1的CaCl2,0.3-0.4 gL-1的NaNO2,0.4-0.5 gL-1 的(NH4)2SO4。作为优选的方式:腐朽木需在无机盐溶液中浸泡30天。
[0031] 步骤S5:将经过上述步骤S1、S3处理过的腐朽木放置在厌氧氨氧化环境下的脱氮池内,并待腐朽木上形成微
生物群落,且待Δ-变形菌门的比例达到50%以上时(即是指Δ-变形菌门中的δ-变形菌、γ-变形菌、β-变形菌Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria的总数量比例达到50%以上时),将污水排放至脱氮池内,即可实现总氮的去除,即是一步脱氮。具体地,步骤S5包括如下步骤:第一步S51,将腐朽木按照设定的规律摆放在脱氮池内。多根腐朽木并排成一层一层的排放在脱氮池内,且每相邻两层腐朽木之间设有隔网,以通过隔网将腐朽木固定,防止腐朽木在脱氮池内浮起来。作为优选的:在腐朽木摆放的下方放置
反冲系统,避免堵塞同时给脱氮菌群更好的环境条件,在池体内设置气提管,定期清理池体内的污泥。
[0032] 第二步S52,将污水充满脱氮池进行菌类培养,并持续培养5-8周,优选为6周;在此过程中,保持污水在脱氮池内自然流动,并保持脱氮池内的水温20-25°C、驯化进水总氮浓度为8-10mg/L,BOD5不高于15mg/L。
[0033] 第三步S53,当所述脱氮池内开始出现厌氧氨氧化菌,经过富集培养后,一级载体Deltaproteobacteria占总菌种的17%左右, 二级载体Deltaproteobacteria占总菌种的36%左右,且δ-变形菌、γ-变形菌、β-变形菌的总数量比例达到50%以上时,持续将污水排放至所述的脱氮池内,通过脱氮池内的菌类吞噬污水中的含氮有机物,从而除
去污水中的氮污染物,总氮去除率达到85%以上,达到
净化污水的目的。
[0034] 具体地,当所述脱氮池内开始出现厌氧氨氧化菌群时,特别是δ-变形菌、γ-变形菌、β-变形菌的数量比例达到50%以上时,持续将污水排放至所述的脱氮池内,通过脱氮池内的菌类吞噬污水中的含氮有机物,从而除去污水中的氮污染物,达到净化污水的目的,脱氮过程便捷,一步到位且效果好(参照图5)。在此过程中,菌类附着在腐朽木的微细孔径内通过不断
摄食污水中的有机物特别是总氮,生长繁殖,完成其生命周期后,一部分菌尸随着水体流动从微细孔径内流走,或是被鲜活细菌从微细孔径内挤出,因此用腐朽木处理污水将有效解决堵塞问题。
[0035] 请结合参照图4,上述第三步S53的除氮过程中,以NH4+-N为
电子供体、NO2--N为电子受体、羟胺和联氨为关键中间产物及氮气为终产物的生物反应。图4中实线部分表示的是上述第三步S53中除氮的新机理,其总的反应式为:NH4+ + 1.32NO2- + 0.066 HCO3- +0.13H+ → 1.02N2 + 0.26 NO3-+ 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O。
[0036] 图4中的虚线部分及点划线部分分别表示的是传统的硝化反应及反硝化反应。由图4的虚线部分可以看出:在传统的硝化反应过程中,需要通过曝气的方式来添加额外的氧气,需要大量的劳力物力来维持曝气;且在传统的反硝化反应过程中,需要向脱氮池内额外投加碳源,增加了
能源消耗。请参照表一,可清楚地看出本发明利用木头、腐朽木进行一步脱氮的方法与传统的硝化反硝化脱氮方法在
能量消耗、化学品消耗及二氧化碳排放上的对比。
[0037] 表一:能量消耗、化学品消耗及二氧化碳排放的对比数据能量消耗 化学品消耗 二氧化碳排放
硝化反硝化脱氮方法 1.3 kWh/kg 2.3 kg/kg 3.5 ton/ton
本发明揭示的脱氮方法 0.1 kWh/kg 0 kg/kg 0.4 ton/ton
上述表一并结合图3可知:本发明的利用木头、腐朽木进行一步脱氮的方法能耗小;没有添加化学物品,且二氧化碳的
排放量小,节能环保。
[0038] 图6说明传统脱氮(总氮)工艺和本专利工艺在脱氮(总氮)效果比较:
总氮去除率
传统工艺不投加碳源 40-60%
传统工艺投加碳源 60-80%
本专利不投加碳源 60-80%
本专利投加碳源 70-95%
城镇污水厂在处理生活污水时,污水(进水)中的总氮含量一般为30-40 mg/L。若以此为基础,根据上述去除率指标计算可得:采用传统脱氮(总氮)工艺,处理后的污水中总氮含量在12-24 mg/L左右,如果是添加额外碳源,则处理后的污水中总氮含量在8-16 mg/L左右。采用本专利生物脱氮(总氮)工艺,处理后的污水中总氮含量在6-12 mg/L左右,如果添加额外碳源,则处理后的污水中总氮含量在1.5-9mg/L左右。
[0039] 由上述叙述可知:本发明的利用木头、腐朽木进行一步脱氮的方法利用腐朽木为厌氧的菌类营造了天然的寄生环境,破译了新的生物脱氮特殊菌株或菌群及微生物转化机制,提高了微生物群落的成活性及繁殖速度。特别是有效地促进了Δ-变形菌门(Proteobacteria)的δ-变形菌、γ-变形菌、β-变形菌的繁殖。且在脱氮过程中,无需添加任何化学或有机物质,直接利用污水中菌类来反噬除污,节省了原料消耗;且为了营造菌类的厌氧生存环境,在脱氮过程中无需曝气,节省了人力物力,从而降低了成本。
[0040] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,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、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。