一種菹草發(fā)酵液在人工濕地脫氮中的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種菹草發(fā)酵液在人工濕地脫氮中的應(yīng)用。按照如下方法制備菹草發(fā)酵液：菹草收集后瀝干，粉碎，然后將粉碎后的菹草置于發(fā)酵罐中，與經(jīng)過馴化的發(fā)酵污泥混合，再加入水，恒溫發(fā)酵，去除菹草殘渣，制備得到菹草發(fā)酵液。本發(fā)明還公開了上述組草發(fā)酵液在人工濕地脫氮中的應(yīng)用。該方法具有操作簡單、原料廉價易得、脫氮效果好等優(yōu)點，具有重要的社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益。
【專利說明】一種菹草發(fā)酵液在人工濕地脫氮中的應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境工程領(lǐng)域，具體涉及一種菹草發(fā)酵液在人工濕地脫氮中的應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，太湖流域河流水質(zhì)全年綜合評價結(jié)果顯示，85. 2 %的監(jiān)測斷面水質(zhì)無法 達到III類要求，大部分為V類和劣V類。其中主要的超標(biāo)污染物為氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶 解氧、五日生化需氧量、石油類、總磷和化學(xué)需氧量。上游入湖河流和湖蕩地區(qū)水質(zhì)持續(xù)惡 化直接導(dǎo)致太湖入湖污染物總量不斷增加。受入湖污染物增加的影響，太湖水體中的TP、 TN含量在近年來基本呈持續(xù)上升趨勢。因此，保護太湖水環(huán)境的關(guān)鍵是從源頭將進入太湖 的污染物截留，重點控制入湖河流排入湖區(qū)的污染物總量。
[0003] 目前，太湖流域共有城鎮(zhèn)污水處理廠近200座，均執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排 放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。但一級A排放標(biāo)準(zhǔn)（TN 15mg/L，NH3-N5(8) mg/L，TP 0. 5mg/L)仍然是大大超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)TN 2mg/L， NH3-N 2mg/L，TP 0.4(湖泊0. 2)mg/L)。面對太湖水體富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重的現(xiàn)狀，大量排放 的污水處理廠尾水若不經(jīng)過深度處理直接排放，將對入湖河道的水質(zhì)產(chǎn)生極大影響，繼而 加劇太湖水體氮、磷污染程度，威脅飲用水安全。同時，對尾水進行深度處理、回用也是解決 太湖流域水資源短缺、開辟第二水資源、減少新鮮水用量的有力措施，是城市可持續(xù)發(fā)展的 必然要求，具有顯著的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益。
[0004] 目前常用的污水處理廠尾水深度處理技術(shù)主要有物化法（過濾法、吸附法等）、生 物法（生物反應(yīng)器、生物濾池、人工濕地等）和膜分離法（反滲透、微濾、納濾等），其中人工 濕地技術(shù)因其投資和維護費用低、氮磷去除效果好、二次污染小且兼具景觀效果等優(yōu)點而 被廣泛應(yīng)用。
[0005] 對污水廠尾水進行水質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)其氮素高度硝化、碳源嚴(yán)重不足。調(diào)查還顯示， 太湖流域的城鎮(zhèn)污水廠中有將近50 %的污水處理廠進水碳源不足。而碳源是反硝化過程中 的電子供體，是制約反硝化作用的關(guān)鍵因素，要實現(xiàn)污水廠尾水的深度處理，必須添加足夠 的外加碳源，保證一定的碳氮比才能使反硝化過程順利完成。
[0006] 傳統(tǒng)的反硝化外加碳源以液態(tài)有機物為主，包括葡萄糖、甲醇、乙醇和乙酸等。但 脫氮成本高，且甲醇、乙醇、乙酸等碳源有一定毒性，會對環(huán)境造成潛在危險。近年來，國內(nèi) 外許多研究者通過多種途徑尋找低毒、廉價的新型碳源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)碳源。
[0007] 人工濕地中種植了大量富含纖維素類物質(zhì)的水生植物，這些植物在冬季收割后經(jīng) 過厭氧發(fā)酵可以產(chǎn)生大量揮發(fā)性脂肪酸（VFAs)和其他營養(yǎng)元素，是優(yōu)良的潛在外加碳源。
[0008] 以人工濕地中大量種植的水生植物為原料，通過厭氧發(fā)酵將植物體中富含的纖維 素類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFAs)和其他營養(yǎng)元素，作為反硝化外加碳源，實現(xiàn)污水廠 尾水的深度脫氮處理，同時可解決人工濕地植物收割后的處置問題，實現(xiàn)水生植物的資源 化利用，重要的研究意義和應(yīng)用價值。
[0009] 已有的研究結(jié)果表明，微生物的硝化反硝化作用是自然界氮素循環(huán)的重要途徑之 一。反硝化作用是在無氧或低氧條件下，微生物將硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮氣并釋放到 大氣中的過程。反硝化脫氮的主要影響因素有溶解氧（DO)、pH、溫度、碳源等。
[0010] (1)溶解氧（D0) -般認(rèn)為，溶解氧保持在0. 5mg/L以下時，反硝化作用才能正常進 行。這是因為〇2接受電子的能力高于NCV-N和NCV-N，當(dāng)同時存在分子態(tài)氧和硝酸鹽時，反 硝化細菌優(yōu)先進行有氧呼吸。
[0011] ⑵pH反硝化作用的最佳pH是7?8。
[0012] (3)溫度反硝化作用的最佳溫度是15?30°C。對于溫度的降低，反硝化細菌比硝 化細菌更加敏感。當(dāng)出現(xiàn)季節(jié)性降溫時，反硝化過程將先于硝化過程而受到抑制，此時需要 外加碳源來改善脫氮效果。此外，溫度對微生物活性也會產(chǎn)生顯著影響，進而影響反效果效 果。
[0013] (4)碳源碳源是反硝化過程中的電子供體，同時也是微生物生長和繁殖所需能量 的主要來源。碳源不足將直接影響反硝化作用，添加外加碳源是提高反硝化脫氮效率的有 效方法之一。外加碳源的種類和投加量均會對反硝化效率產(chǎn)生顯著影響。
[0014] 現(xiàn)有的外加碳源大體可以分為兩類，即傳統(tǒng)碳源和新型碳源。傳統(tǒng)碳源以液態(tài)有 機物為主，包括低分子有機物類（如甲醇、乙醇和乙酸等）和糖類物質(zhì)（如葡萄糖、蔗糖 等）。新型碳源主要包括富含纖維素類物質(zhì)的天然固體有機物（如植物秸桿等）、一些可降 解的人工材料（如廢紙、可降解餐盒等）以及高含碳量的工業(yè)廢水等。
[0015] 甲醇、乙醇、乙酸等低分子有機物因分子小、易被反硝化菌利用而被認(rèn)為是理想 的外加碳源。Gersberg等（1983)通過添加甲醇使人工濕地系統(tǒng)脫氮效率達到95%。 Pochana等（1999)的研究結(jié)果表明，添加乙酸為碳源可以大大提高同步硝化反硝化的進 程。Rustige等（2007)在復(fù)合流人工濕地的水平流段添加乙酸作為碳源處理垃圾滲濾液， 結(jié)果表明反硝化速率隨著乙酸添加量的增加而增大，硝酸鹽去除率最高可達98%。該類碳 源脫氮效率雖然高，但是存在價格昂貴、運營成本高等缺點，且甲醇具有一定毒性、運輸不 便。
[0016] 糖類物質(zhì)作為外加碳源，處理效果較好，成本也較低。趙聯(lián)芳等（2006)以人工濕 地處理城市污染河水，對于硝氮濃度高的污水，通過添加葡萄糖可以有效提高除氮效果，濕 地C/N由2提高至8時，TN去除率由55%提供至89%。佘麗華等（2009)通過復(fù)合垂直流 人工濕地（IVCW)系統(tǒng)特有的通氣管補充碳源到濕地底部強化濕地脫氮效果，結(jié)果表明，葡 萄糖作為外加碳源時的脫氮效果優(yōu)于羧甲基纖維素（CMC)，對于處理量60L/d的IVCW系統(tǒng) 最佳葡萄糖投加量為1. 5g，葡萄糖與硝氮的質(zhì)量比僅為4. 3,投加量遠低于反硝化所需的 C/N。但是葡萄糖作碳源時，微生物細胞產(chǎn)率高，容易導(dǎo)致人工濕地等工藝出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。
[0017] 劉剛等（2010)認(rèn)為，以工業(yè)廢水作為外加碳源時反硝化效率受到工業(yè)廢水中低 分子有機物含量的限制，如果廢水中低分子有機物含量低，反硝化效率就不會得到明顯提 高。同時廢水投加過程中必須控制投加比例，防止出水水質(zhì)惡化。
[0018] 纖維素類碳源來源廣泛、成本低廉，目前研究的富含纖維素類物質(zhì)的固體有機碳 源有廢紙、玉米秸桿、麥桿、稻草以及香蒲、蘆葦?shù)人参镏l或莖桿等。文輝等（2011) 研究了以麥桿作為外加碳源時對模擬人工濕地脫氮效果的促進作用，結(jié)果表明進水硝氮濃 度為30mg/L時，去除硝氮最優(yōu)條件是溫度25°C，反應(yīng)時間10h，麥桿與水的質(zhì)量比為1:50。 掃描店電鏡結(jié)果顯示，反應(yīng)過的麥桿表面出現(xiàn)了空洞，由致密的橫紋結(jié)構(gòu)變?yōu)槠屏训慕z狀 結(jié)構(gòu)，表明麥桿表面的可生物降解成分被微生物大量分解作為了反硝化的碳源。金贊芳等 (2004)研究了棉花和紙作為碳源時的脫氮效果，結(jié)果顯示這兩種碳源均能使反應(yīng)器快速啟 動，在室溫25°C，進水硝氮分別為22. 6、45. 2mg/L，水力停留時間分別為9. 8、8. 6h時，硝氮 去除率分別可達到1〇〇%、99. 6%，且出水無亞硝氮累積。陳云峰等（2010)比較了麥桿、花 生殼、紅薯干、玉米芯、美人蕉枯葉、可降解餐盒、聚丁二酸丁二醇酯（PBS)和聚羥基脂肪酸 酯（PHAs)作為碳源時的反硝化效果，優(yōu)選出麥桿更適合作為污水處理廠尾水反硝化補充 碳源。趙連芳等（2009)根據(jù)玉米秸桿、稻殼、木屑及蘆葦桿這4種富含有機質(zhì)的植物材料 有機物釋放規(guī)律及植物體分解水質(zhì)的潛在影響情況，確定蘆葦竿為較適宜的植物碳源，當(dāng) 其添加量為1. 〇kg/m2時，垂直流人工濕地TN去除率由60%提高至80%。以纖維素類物質(zhì) 作為碳源不僅脫氮效果較好，價廉易得，且達到廢物利用的目的，符合我國現(xiàn)階段節(jié)能減排 和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展要求。但其缺陷是碳源的釋放不能得到有效控制、需要的水力停留時間 較長、出水水質(zhì)易受外界溫度影響。
[0019] 城市有機廢水（如釀酒廢水、糖蜜廢水、淀粉廢水等）及城市污水廠剩余污泥中含 有大量易生物降解物質(zhì)，經(jīng)厭氧發(fā)酵后能產(chǎn)生大量的短鏈揮發(fā)性脂肪酸，如乙酸、丙酸等， 是優(yōu)質(zhì)的反硝化外加碳源，可以被反硝化微生物優(yōu)先利用。表1總結(jié)了研究較多的城市有 機廢棄物厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵液作為反硝化補充碳源時的脫氮效果。
[0020] 表1廢棄生物質(zhì)厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵液作為反硝化碳源研究概況
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種菹草發(fā)酵液在人工濕地脫氮中的應(yīng)用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，所述的菹草發(fā)酵液按如下方法制備得到： (1) 菹草的準(zhǔn)備：菹草收集后浙干，粉碎； (2) 發(fā)酵液的制備：將粉碎后的菹草置于發(fā)酵罐中，與經(jīng)過馴化的發(fā)酵污泥混合，再加 入水，恒溫發(fā)酵，去除菹草殘渣，制備得到菹草發(fā)酵液。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的菹草發(fā)酵液制備方法，其特征在于，步驟（2)中，菹草、活性污 泥以及水按l〇〇kg: 1L :1L比例投放。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的菹草發(fā)酵液制備方法，其特征在于，步驟（2)中，發(fā)酵溫度為 12-30。。。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的菹草發(fā)酵液的制備方法，其特征在于，步驟（2)中，發(fā)酵的時 間為5-10天。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的菹草發(fā)酵液的制備方法，其特征在于，步驟（2)中，發(fā)酵過程 中pH控制為7?8。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，污水為污水處理廠尾水，其中氮的含量為 10_15mg/L〇
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，將菹草發(fā)酵液按照如下添加量計算投加 入污水處理廠尾水：菹草發(fā)酵液的COD值與尾水中的N含量的比值為8-16 ;尾水的水力停 留時間為4-8h。
【文檔編號】C02F3/34GK104118943SQ201410384106
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】楊柳燕, 陳乾坤, 焦一瀅, 張權(quán), 李麗, 陳旭 申請人:南京大學(xué)