一种投加改性生物炭实现厌氧氨氧化系统高效处理低氮负荷废水的方法 |
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| 申请号 | CN202311834012.X | 申请日 | 2023-12-28 | 公开(公告)号 | CN117819710A | 公开(公告)日 | 2024-04-05 |
| 申请人 | 铜陵学院; | 发明人 | 徐佳佳; 孙玉永; 程蔚然; 郑鹏民; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种投加改性 生物 炭 实现厌 氧 氨 氧化系统高效处理低氮负荷 废 水 的方法，利用外源改性生物炭投加至低氮负荷运行下厌氧氨氧化系统，有助于提升厌氧氨氧化菌活性和系统脱氮效率，实现系统稳定高效运行。本发明提供的改性生物炭不仅制备过程简易、成本低，而且还能实现 生物质 废料的资源化利用；本发明充分利用生物炭既可作为厌氧氨氧化菌富集载体，又可作为 电子 穿梭体促进 微生物 电子转移过程，从而有效地提高厌氧氨氧化菌活性和系统总体脱氮效率，为解决低氮负荷导致厌氧氨氧化系统脱氮性能差的问题提供新思路。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种投加改性生物炭实现厌氧氨氧化系统高效处理低氮负荷废水的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种投加改性生物炭实现厌氧氨氧化系统高效处理低氮负荷(一)技术领域 [0001] 本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种投加改性生物炭实现厌氧氨氧化系统高效处理低氮负荷废水的方法。(二)背景技术 [0002] 厌氧氨氧化技术是由厌氧氨氧化菌在厌氧条件下利用氨氮为电子供体，亚硝氮为电子受体生成硝氮和氮气的生物反应过程，该技术因具有低耗、高效和绿色等优势而成为废水生物脱氮领域的研究热点。 [0003] 目前，厌氧氨氧化生物脱氮工艺已广泛应用于高氨氮废水脱氮领域，如污泥消化液、垃圾渗滤液和焦化废水等，但该工艺用于处理低氮城市污水仍面临诸多挑战，如厌氧氨氧化菌不易富集、系统稳定差和脱氮效率低等。 [0004] 因此，针对厌氧氨氧化技术处理低氮负荷废水效率低的瓶颈问题，提高厌氧氨氧化菌活性和系统脱氮性能是处理城市污水或者其他低浓度含氮废水的关键，旨在为厌氧氨氧化工艺处理低氮负荷污水的可行性提供理论基础和技术支撑。(三)发明内容 [0005] 本发明的目的是提供一种投加改性生物炭实现厌氧氨氧化系统高效处理低氮负荷废水的方法，该方法利用外源改性生物炭投加至低氮负荷运行下厌氧氨氧化系统，有助于提升厌氧氨氧化菌活性和系统脱氮效率，实现系统稳定高效运行。 [0006] 本发明采用的技术方案是： [0007] 本发明提供一种投加改性生物炭实现厌氧氨氧化系统高效处理低氮负荷废水的方法，所述方法包括如下步骤： [0008] (1)改性生物炭的制备：以农作物废弃物作为原料，将其置于马弗炉，以10～15‑1℃·min 的速度升温至300℃～700℃，缺氧条件下热解1.5～2.5h，冷却至室温，得到生物炭；然后，将生物炭加入FeCl3水溶液中，室温、100～200rpm下搅拌1～5h对生物炭进行改性，过滤，滤饼经研磨并筛分后用去离子水反复洗涤至中性，再干燥，获得改性生物炭； [0009] (2)将改性生物炭投加至低氮负荷条件下运行的厌氧氨氧化反应器中，实现低氮负荷废水的高效处理。 [0010] 优选，步骤(1)所述农作物废弃物为玉米秸秆。 [0011] 优选，步骤(1)以10℃·min‑1的速率升温至300℃，通过300mL·min‑1的连续氩气流保持缺氧环境下300℃热解2h。 [0012] 优选，步骤(1)生物炭改性条件为：室温、100rpm条件下搅拌3小时。 [0013] 优选，步骤(1)FeCl3水溶液浓度为0.1‑1g/L(优选0.3g/L)，FeCl3水溶液体积用量以生物炭质量计为6‑10mL/g(优选8mL/g)。 [0014] 优选，步骤(2)所述改性生物炭粒径为0.01～0.1mm，优选0.05mm。 [0015] 优选，步骤(2)所述改性生物炭投加总量以污泥体积计为8～12g·L‑1。 [0016] 优选，步骤(2)所述厌氧氨氧化反应器运行方法为：采用升流式厌氧污泥床反应器，接种厌氧氨氧化颗粒污泥，以含氨氮和亚硝氮基质的无机盐溶液为进水，氨氮和亚硝氮‑1分别以(NH4)2SO4和NaNO2的形式提供，氨氮初始浓度20～70mg·L 、亚硝氮初始浓度20～‑1 ‑1 70mg·L ，氨氮和亚硝氮的物质的量之比为1:1；运行第1d，投加4g·L 改性生物炭，在连续流中，反应器运行温度为35±1℃，水力停留时间为15～25h；采用“基质递减‑生物炭递‑1 增”模式连续运行反应器，当反应器出水亚硝氮浓度低于1mg·L ，且继续稳定运行3d时，实‑1 验进入下一个阶段，运行至氨氮出水浓度低于10mg·L ，且能稳定运行3d及以上； [0017] 无机盐溶液组成：KH2PO4 10mg·L‑1、CaCl2·2H2O 5.6mg·L‑1，MgSO4·7H2O ‑1 ‑1300mg·L 和KHCO3 1250mg·L ，微量元素溶液0.125mL/L，溶剂为水；微量元素溶液组成： ‑1 ‑1 ‑1 EDTA15000mg·L 、FeSO4·7H2O 9140mg·L 、MnCl2·4H2O 990mg·L 、ZnSO4·7H2O ‑1 ‑1 ‑1 ‑1 430mg·L 、CuSO4·5H2O 250mg·L 、CoCl2·6H2O 240mg·L 、NaMoO4·2H2O 220mg·L 、‑1 ‑1 NiCl2·6H2O 210mg·L 和H3BO4 14mg·L ，溶剂为水。 [0018] 进一步，厌氧氨氧化颗粒污泥的挥发性悬浮物浓度为12.5±3.8g·L‑1。 [0019] 进一步，采用“基质递减‑生物炭递增”模式连续运行反应器的方法为：运行第1d，‑1 ‑1投加4g·L 改性生物炭，当反应器出水亚硝氮浓度低于1mg·L ，且继续稳定运行3d时，实‑1 验进入下一个阶段，共运行三个阶段，每一阶段以20～30mg·L 幅度同步降低氨氮和亚硝‑1 ‑1 氮浓度，同时以2～4g·L 幅度逐步增加生物炭浓度，运行至氨氮出水浓度低于10mg·L ，且能稳定运行3d及以上。 [0020] 进一步，氨氮初始浓度70mg·L‑1、亚硝氮初始浓度70mg·L‑1，每一阶段以20mg·L‑1 ‑1幅度同步降低氨氮和亚硝氮浓度，同时以4g·L 幅度逐步增加生物炭浓度。 [0021] 与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：(1)本发明提供的改性生物炭不仅制备过程简易、成本低，而且还能实现生物质废料的资源化利用；(2)本发明充分利用生物炭既可作为厌氧氨氧化菌富集载体，又可作为电子穿梭体促进微生物电子转移过程，从而有效地提高厌氧氨氧化菌活性和系统总体脱氮效率，为解决低氮负荷导致厌氧氨氧化系统脱氮性能差的问题提供新思路。(四)附图说明 [0022] 图1为厌氧氨氧化系统脱氮性能‑总氮去除效率变化曲线图。 [0023] 图2为厌氧氨氧化系统比厌氧氨氧化活性变化柱形图。(五)具体实施方式 [0024] 下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。 [0025] 本发明所述室温为25‑30℃。 [0026] 实施例1、一种投加改性生物炭实现厌氧氨氧化系统高效处理低氮负荷废水的方法，包括步骤： [0027] (1)改性生物炭的制备：玉米秸秆经自然风干和粉碎后，常温干燥储存备用。将15g‑1玉米秸秆粉末加入马弗炉中，以10℃·min 的速率升温至300℃，并保持300℃热解2h，热解‑1 过程通过300mL·min 的连续氩气流(纯度为99.9％)使整个热解过程中保持缺氧环境，冷‑1 却至室温，制得生物炭14.2g。然后，将5g生物炭加入40mL、0.3g·L 的FeCl3水溶液中，在转速为100rpm、室温条件下持续振荡搅拌3小时后，抽滤，滤饼用去离子水反复洗涤至洗涤水的pH值为7.5±0.05，在50℃下干燥48h，研磨并筛分，得到平均粒径为0.05mm的改性生物炭 4.8g，共重复操作三次。改性制得的生物炭保存于干燥器中备用。 [0028] (2)接种污泥是厌氧氨氧化颗粒污泥，挥发性悬浮物浓度为12.5±3.8g·L‑1。 [0029] (3)反应器分组：采用2个有效容积为1L的升流式厌氧污泥床反应器，分别命名为反应器CK和反应器BC300。 [0030] 反应器CK和反应器BC300用遮光布包裹避免光抑制，分别接种厌氧氨氧化颗粒污泥0.6L，以含氨氮和亚硝氮的无机盐溶液为进水，氨氮和亚硝氮分别以(NH4)2SO4和NaNO2的‑1形式提供，反应初始进水氨氮和亚硝氮浓度均为70mg·L 。 [0031] 无机盐溶液组成：KH2PO4 10mg·L‑1、CaCl2·2H2O 5.6mg·L‑1，MgSO4·7H2O ‑1 ‑1300mg·L 和KHCO3 1250mg·L ，微量元素溶液0.125mL/L，溶剂为水；微量元素溶液组成： ‑1 ‑1 ‑1 EDTA15000mg·L 、FeSO4·7H2O 9140mg·L 、MnCl2·4H2O 990mg·L 、ZnSO4·7H2O ‑1 ‑1 ‑1 ‑1 430mg·L 、CuSO4·5H2O 250mg·L 、CoCl2·6H2O 240mg·L 、NaMoO4·2H2O 220mg·L 、‑1 ‑1 NiCl2·6H2O 210mg·L 和H3BO4 14mg·L ，溶剂为水。 [0032] (4)反应器BC300的运行：实验运行第1d，以活性污泥体积计投加4g·L‑1改性生物炭至反应器BC300中，在连续流中，反应器运行温度为35±1℃，水力停留时间为20h。采用表1“基质递减‑生物炭递增”模式连续运行反应器，当有反应器出水亚硝氮浓度低于0.1mg·‑1 L ，且继续稳定运行3d时，实验进入下一个阶段，共运行三个阶段，每一阶段逐步降低进水‑1 ‑1 基质浓度，以20mg·L 幅度同步降低氨氮和亚硝氮浓度，同时以4g·L 幅度逐步增加生物‑1 ‑1 炭浓度，终浓度为12g·L ，运行至氨氮出水浓度低于10mg·L ，且能稳定运行3d及以上，此时反应器能够实现低氮负荷废水的高效处理。 [0033] (5)反应器CK的运行：同反应器BC300，区别在于不添加改性生物炭，其他操作相同。 [0034] 表1反应器BC300运行参数 [0035] [0036] (6)结果： [0037] 总氮去除率：运行过程中，每隔1d，取样检测出水的氨氮和亚硝氮浓度，计算总氮去除率，结果见图1所示，阶段I结束时，反应器CK和BC300总氮去除效率分别为89.3％和97.6％。阶段II和III结束时，反应器BC300总氮去除效率分别为79.9％和40％，反应器BC300总氮去除效率分别高达97.8％和92.2％，与CK相比，分别增加了17.9％和52.2％。 [0038] 比厌氧氨氧化活性： [0039] 分别在反应器BC300和反应器CK运行9、23、48d，取样测定比厌氧氨氧化活性，具体步骤如下：取样的污泥用无机盐溶液洗涤3次，去除残留的基质，加入有效容积为150mL的血‑1清瓶中，污泥接种量为2g VSS·L ，并加入6mL无机盐溶液，1.25mL微量元素I和II，同时添‑1 加0.1mol·L HCl或NaOH将初始pH调至7.5±0.1，最后用蒸馏水定容至120mL。血清瓶用高纯氩气曝气15min以保持厌氧条件，立即用丁基橡胶胶塞塞紧，并用铝盖加固，置于恒温振‑1 荡培养箱中避光培养(35℃，100r·min )。用注射器定时取样，分别测定氨氮、亚硝氮和硝氮浓度，计算瓶内污泥的VSS值(即基质消耗速率与污泥浓度的比值，基质是指氨氮和亚硝氮总浓度)。 [0040] 公式为SAA＝(C0‑Ct)/(M*t) [0041] 式中SAA：比厌氧氨氧化活性，mg·TN·g‑1VSS·h‑1；C0：初始基质浓度，mg·L‑1；Ct：‑1 ‑1 t时基质浓度，mg·L ；M：污泥浓度，g VSS·L ；T：反应时间，h。 [0042] 结果如图2所示，阶段I、II和III结束时，反应器BC300比厌氧氨氧化活性分别为‑1 ‑176.1±7.0、69.5±7.3和64.3±3.5mg N·g VSS·d ，与CK相比，分别提高了1.2、1.3和 1.6倍。 [0043] 由图1和图2可知，当逐步降低进水基质浓度，同时逐步增加生物炭终浓度时，厌氧氨氧化反应器的脱氮性能和污泥活性均优于未添加生物炭的对照组，且系统能稳定运行，表明投加改性生物炭有助于厌氧氨氧化反应器处理低氮负荷废水。本发明提供一种以生物炭为外源添加剂解决厌氧氨氧化系统低效处理低氮负荷废水的瓶颈问题，旨在实现厌氧氨氧化工艺系统的高效运行及推广应用。 |
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