一种以玉米芯为补充碳源的污水脱氮方法及系统

1.本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种以玉米芯为补充碳源的污水脱氮方法及系统。


背景技术：

2.水体中氮污染是一个严重的环境问题。生活污水中含有较高的硝酸盐浓度，超标排放将导致水体富营养化、水质恶化等问题，并对自然生态平衡产生不利影响。目前，生活污水普遍存在碳氮比低的特点，进水碳氮比低，有机物缺乏，直接降低了生物脱氮除磷的效率。因此，为了满足日益严格的排放要求和高标准的回用需求，生活污水高效脱氮深度处理工艺正成为污水处理领域的研究热点。
3.生物反硝化法是污水脱氮的主要机制，其中异养反硝化是去除硝酸盐最常见也是最有效的一种方法。在异养反硝化过程中，碳源作为电子供体是必不可少的物质，需要提供充足的碳源才能使反硝化高效进行。然而，由于污水处理厂进水有机物含量低而导致出水脱氮效果不佳，因此，需要外加碳源来增强系统的反硝化速率从而降低出水硝酸盐浓度，实现稳定达标排放。
4.如何保证低碳氮比、高氮磷负荷及低有机负荷的生活污水的脱氮效果，是目前污水处理领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种以玉米芯为补充碳源的污水脱氮方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题，实现对生活污水的高效脱氮。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种以玉米芯为补充碳源的污水脱氮方法，包括以下步骤：
8.a1.将碱处理玉米芯作为补充碳源与填料，填充于反应器中；
9.a2.将污泥加至所述反应器中，并通入污水，控制所述反应器以厌氧/好氧的方式运行。
10.所述进水为瞬时进水。所述污泥为污水处理厂回流污泥。
11.进一步地，在a1完成的基础上循环执行所述a2操作。
12.进一步地，以氢氧化钠作为碱处理剂，所述碱处理玉米芯的制备过程为：将玉米芯加入氢氧化钠溶液中，在95℃条件下反应1h，反复清洗直至清洗水ph值不发生明显变化，烘干至恒重。
13.进一步地，所述碱处理玉米芯在所述反应器中的填充率为30％。
14.进一步地，所述污泥与污水的体积比为1:3。
15.进一步地，所述a2中，厌氧段时间为3h，好氧段时间为7h。
16.进一步地，所述a2中，好氧段曝气采用持续曝气，曝气流量为2.0～3.0l/min。
17.进一步地，所述a2中，每周期以50％的换水比进水出水。
18.所述反应器内混合悬浮固体浓度为6000～6500mg/l。
19.所述a2中，控制反应器以厌氧/好氧的方式运行，包括：进水，厌氧3h，好氧7h，沉淀、排水、静置1h，每天运行2个周期，每周期12小时。
20.本发明还提供一种以玉米芯为补充碳源的污水脱氮系统，所述系统包括：进水桶、进水蠕动泵、进水阀门、进水管、排泥口、曝气盘、转子流量计、曝气机、填料、ph/do仪、取样口、溢流口、出水管、出水桶、搅拌器、搅拌桨、加热棒。
21.进水桶用于容纳人工配水；进水蠕动泵通过进水阀门与进水管向反应器中泵入污水；曝气机与曝气盘连接，通过转子流量计控制曝气量，向反应器内曝气；填料装填于反应器中；排泥口用来排出多余污泥；ph/do仪用来检测反应器中的ph及do的变化；取样口用于收集水样；溢流口用于保持一定液位且迅速排除多余液体；搅拌器和搅拌桨用于反应器内活性污泥、填料和污水的充分搅拌混合；加热棒用来保持反应器内维持一定的温度；出水经过出水管流入出水桶中；以上所有电器均通过定时器来控制开关，以控制进水出水及曝气的时间。
22.以农业废弃物为主的天然纤维素碳源对比于传统液体碳源具有来源广泛、价格低廉、反硝化效果好等优点，通过缓慢释碳来提供微生物生长代谢所需的有机物，且粗糙的表面更适于微生物的生长，可以充当反应器的填料碳源。
23.天然纤维素材料结构通常被难生物降解的木质素包裹，自然降解速率较慢，妨碍碳素的释放，影响微生物的利用。本发明碱处理利用oh
—
使木质素的醚键断裂，去除木质素，削弱纤维素、半纤维素间的氢键，皂化半纤维素和木质素之间的酯键，同时使纤维素膨胀，半纤维素部分溶解，原料的空隙率增加，有利于微生物对纤维素的水解，从而提高其生物降解性。
24.本发明公开了以下技术效果：
25.本发明采用碱处理玉米芯作为补充碳源与填料。
26.缓慢释放碳源为微生物提供有机物，微生物在填料上富集并形成稳定的生物膜，以提高反硝化效率。本发明通过厌氧/好氧的方式实现同步硝化反硝化，实现污水高效脱氮，降低运行成本。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。
28.图1为本发明污水生物脱氮的系统结构示意图；
29.其中，1-进水桶，2-进水蠕动泵，3-进水阀门，4-进水管，5-排泥口，6-曝气盘，7-转子流量计，8-曝气机，9-填料，10-ph/do仪，11-取样口，12-溢流口，13-出水管，14-出水桶，15-搅拌器，16-搅拌桨，17-加热棒。
具体实施方式
30.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限
制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
31.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
32.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
33.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
34.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
35.以下实施例中所使用的污水脱氮系统结构如下：包括反应器，所述反应器的进水口通过进水管4与进水桶1连通；所述反应器的出水口通过出水管13与出水桶14连通；所述反应器内部设置有填料9和加热棒17；所述填料9为碱处理玉米芯填料。
36.所述进水管4上设置有进水蠕动泵2和进水阀门3；所述反应器底部设置曝气机8，反应器内部设置有曝气盘6，曝气机8与曝气盘6连通的管道上设置有转子流量计7；所述反应器内部还设置有搅拌器15，搅拌器15的搅拌桨16深入加热器内部底部；该系统还包括ph/do仪10，ph/do仪10的探测头深入反应器内部。
37.实施例1
38.(1)对玉米芯进行碱处理：以玉米芯作为固体碳源，破碎成1cm3左右的块状，然后加入体积分数为1.5％氢氧化钠水溶液中，95℃水浴加热1h后，反复清洗直至清洗水ph值不发生明显变化，再将材料烘干至恒重，得到碱处理后的玉米芯。
39.(2)实验装置及运行条件
40.取某a2/o工艺污水处理厂回流污泥，经人工配水进行驯化。
41.系统采用序批式生物膜反应器(sbbr)，反应器为圆柱形，高40cm，内径15cm，总体积7l，反应器由下至上包括3个取样口11及最顶部的溢流口12，间隔距离为10cm。
42.将碱处理后的玉米芯作为填料9，以30％的填充率填入反应器，将人工配水置于进水桶1中，进水蠕动泵2通过进水阀门3与进水管4向反应器中泵入污水(人工配水)，污泥与污水按照体积比1：3的比例混合，采用搅拌器15进行搅拌(搅拌转速为200r/min)；反应器以厌氧/好氧的方式运行，包括：进水，厌氧3h，好氧7h，沉淀、排水、静置1h，每12个小时为1个周期，每天运行2个周期(每周期以50％的换水比进水出水)，出水经过出水管13流入出水桶14中。曝气机8与曝气盘6连接，通过转子流量计7控制曝气量，向反应器内曝气，排泥口5用来排出多余污泥；底部安装曝气盘6，通过转子流量计7调节曝气量，为反应器供氧，并使填料9处于流化状态。其中，好氧段曝气采用持续曝气，曝气流量为2.0l/min，溶解氧3.0mg/l。
运行过程中，利用加热棒17控制反应器内温度为26℃，控制进水ph为7.5。混合液悬浮固体浓度为6500mg/l。
43.其中，人工配水的成分组成为(每升)：ch3coona为0.13g，nh4cl为0.09g，kh2po4为0.02g，mgso4为0.04g，cacl2为0.04g，nahco3为0.1g，1.0ml微量元素液。微量元素液组成为(每升)：edta为1.0g，cuso4·
5h2o为0.03g，fecl3·
6h2o为1.5g，cocl2·
6h2o为0.15g，ki为0.18g，h3bo3为0.15g，na2moo4·
2h2o为0.06g，znso4·
7h2o为0.12g以及mncl2·
4h2o为0.12g。
44.其进水中cod含量为100.0mg l-1
，nh
4 -n浓度为30.0mg
·
l-1
，tn为32.0mg
·
l-1
。
45.(3)试验取样测定
46.反应器运行稳定时，进出水每隔一个周期取样，即每12h取样一次，过滤后测cod、总氮(tn)、氨氮(nh
4 -n)的浓度变化，同时连续监测驯化阶段的相关水质指标。
47.cod采用《中华人民共和国国家环境保护标准》(hj 828-2017)中水质检测的重铬酸钾法测定，tn及nh
4 -n采用分光光度法测定。
48.检测结果显示：系统稳定运行时，cod去除率为85.1％，进水cod平均浓度为100.0mg l-1
，出水cod平均浓度为14.9mg l-1
；nh
4 -n去除率为91.3％，进水nh
4 -n平均浓度为30.0mg l-1
，出水nh
4 -n平均浓度为2.6mg l-1
；微生物利用碱处理玉米芯碳源填料释放的有机物作为碳源，tn去除率达到90.1％，进水tn平均浓度为32.0mg l-1
，出水tn平均浓度为3.2mg l-1
。系统未添加碳源时，进水tn平均浓度为32.0mg l-1
，出水tn平均浓度为11.2mg l-1
，tn去除率达到64.8％；系统添加乙酸钠碳源时，进水tn平均浓度为32.0mg l-1
，出水tn平均浓度为5.28mg l-1
，tn去除率达到83.5％。当系统添加碱处理玉米芯作为碳源时，比添加乙酸钠及未添加碳源时的总氮去除率分别提高了6.6％和25.3％。
49.采用本发明的处理方法，对污水的cod去除率可达85.1％，nh
4 -n去除率可达91.3％，tn去除率可达90.1％，能够实现对低碳氮比、高氮磷负荷、低有机负荷生活污水的高效脱氮。
50.本发明利用碱处理玉米芯作为碳源填料，微生物在填料上富集，形成生物膜，利用其释放的有机物作为碳源，来补充进水碳源的不足，实现系统的反硝化反应充分进行，降低出水总氮浓度。
51.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。