一种基于改性榴莲外皮的农村污水深度处理方法

技术领域

本发明属于农村污水处理技术领域；具体涉及一种基于改性榴莲外皮的农村污水深度处理方法。

背景技术

目前农村污水处理仍处于较低水平。同时，农村污水具有明显不同于城市污水的特点，直接将城市污水的处理模式和处理技术生套于农村污水处理将产生诸多问题。农村污水中往往含有大量的氮元素，若直接排放将产生严重的环境污染。此外，由于农村地区基础设施建设不够完善，雨、污水混流现象较为普遍，使得最终农村污水C/N值(碳氮比)相对较低。众所周知，采用硝化-反硝化生物技术处理含氮废水时，因反硝化菌一般为异养菌，需要足够的碳源才能高效工作，而农村污水低C/N值的特点将导致微生物反硝化过程被严重抑制，进而造成整体污水处理效果不理想的问题。此外，部分农村地区因自身环境特点以及工业污染等原因，存在污水中金属离子(如Ca、Mg、Fe、Cu离子)含量超标的情况。因此，如何寻找合适的处理技术，在处理含碳、氮污染物的同时，实现金属离子的高效去除，也是必须予以考虑的问题。

在低C/N值污水中外加碳源，是提高此类污水处理效率的有效手段之一。其中，甲醇、乙醇等有机小分子是常见的碳源，但因其价格高昂、使用量大等问题，很难将其用在实际农村污水处理工程中。有研究者尝试使用农作物秸秆、蔬菜和木屑等价格低廉的物质作为补充碳源，也取得了一定的效果。但是，这些物质在污水中分解速度很快，对于长效处理农村污水则效果大打折扣；同时，此类材料还存在微生物附着性较差的问题，也在一定程度上影响了最终的污水处理效果。

基于以上分析可知，针对性地开发新型、经济、高效的农村污水处理技术，解决农村污水C/N值低、同时部分地区金属含量超标等问题，是目前我国农村污水处理的一大关键研究目标。

发明内容

本发明的目的在于针对现有农村污水C/N值低，实际生物处理过程中因碳源不足而造成反硝化效果不佳，同时部分农村地区污水中金属离子含量超标等问题，提供一种基于废弃榴莲外皮的农村污水处理方法，经济、高效、深度地处理农村污水。

本发明提供一种基于改性榴莲外皮的农村污水深度处理方法，其包括以下步骤：

步骤一、将榴莲外皮依次浸入三聚氯氰溶液和单宁酸溶液中进行改性反应，得到改性榴莲外皮。

步骤二、构建农村污水处理系统；农村污水处理系统包括第一反应器和第二反应器；第一反应器的输出口与第二反应器的输入口连接。第一反应器与第二反应器之间设置有回流管道。在第一反应器中加入步骤一得到的改性榴莲外皮，并接种活性污泥。在第二反应器中填充砾石，并接种活性污泥。第二反应器在使用前通入空气闷曝预设时长。

步骤三、将被处理的农村污水依次通入第一反应器和第二反应器；第一反应器中对被处理的农村污水进行厌氧生物处理；第二反应器中对被处理的农村污水进行好氧生物处理。第二反应器中的部分农村污水回流至第一反应器中。农村污水处理系统的水力停留时间为12h～36h。

作为优选，所述的第一反应器中榴莲外皮相对于被处理的农村污水的用量为50g/L～500g/L。

作为优选，加入第一反应器和第二反应器的活性污泥的污泥质量浓度为2000mg/L～6000mg/L，混合液挥发性悬浮固体浓度为800mL/g～3500mg/L，污泥沉降比为30％～60％，污泥体积指数为45mL/g～90mL/g。

作为优选，加入第一反应器和第二反应器的活性污泥取自污水处理厂的生物处理厌氧段。

作为优选，填充在第二反应器中的砾石粒径为2mm～6mm。

作为优选，第二反应器在使用前通入空气闷曝的时长为24h～72h。

作为优选，步骤一中所述的改性反应的过程为：将榴莲外皮浸入三聚氯氰溶液中，0℃下反应时间0.5～3h；再将所得榴莲外皮浸入单宁酸溶液中，25℃下反应1～4h。

作为优选，所述的三聚氯氰溶液为三聚氯氰的饱和水溶液；所述的单宁酸溶液的浓度为50g/L～200g/L。

作为优选，被处理的农村污水初始COD值为40mg/L～600mg/L，总氮(TN)质量浓度为10mg/L～200mg/L，金属离子浓度为0～60ppm。

作为优选，步骤三中，硝化液回流比为100％～180％；第二反应器内溶解氧浓度控制在2mg/L～4mg/L。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明针对农村污水C/N值低，因碳源不足而造成除N困难的问题，选择废弃榴莲外皮作为廉价的持久性碳源，利用其可分解产生葡萄糖、戊糖的特点，为污水反硝化过程提供充足的电子供体，达到高效、经济、稳定地除氮的目的；同时，榴莲外皮独特的结构有利于菌体的附着生长，可进一步提高生物处理过程的除氮效率。由于榴莲外皮的自身特性，其在反应器中不会快速降解，从而能够长期、稳定地提供农村污水的厌氧生物处理提供碳源。

2、本发明使用单宁酸对榴莲外皮进行改性，使得榴莲外皮在作为持久性碳源的同时，还能够捕获水体中的金属离子形成络合物，达到降低农村污水金属离子浓度的作用；榴莲外皮的外形具有比表面积大的特点，有助于增加单宁酸的负载量，提高其对金属离子的去除能力。同时，在第一反应器中持久存在的榴莲外皮能够使得用于捕获金属离子的单宁酸能够在反应器中长期存在，有助于提高农村污水深度处理的持续性。

3、本发明利用榴莲外皮上丰富的官能团，巧妙地将功能性分子接到榴莲外皮上，改性过程中无需用到任何有机溶剂和特殊材料，改性方法科学简便，改性条件温和，所获得的改性榴莲外皮具有高效的金属离子处理效果。该材料可重复循环使用，且具有长效性，在实际农村污水处理过程中优势显著。

具体实施方式

下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于改性榴莲外皮的农村污水深度处理方法，通过在生物处理过程中加入榴莲外皮实现农村污水的高效除N，通过加入改性榴莲外皮实现污水中金属离子的去除。所述的改性榴莲外皮通过在榴莲外皮上接入单宁酸的方式获得。

一种基于改性榴莲外皮的农村污水深度处理方法，包括以下步骤：

(1)取废弃榴莲外皮，去除残余果肉，用清水洗净，备用。将所得榴莲外皮，浸入三聚氯氰饱和溶液中，0℃下反应0.5h；再将所得榴莲外皮浸入浓度为150g/L的单宁酸溶液中，25℃下反应2h，使得单宁酸负载到榴莲外皮的表面上。

(2)构建农村污水处理系统；农村污水处理系统包括第一反应器和第二反应器；第一反应器的输出口与第二反应器的输入口连接。第一反应器与第二反应器之间设置有回流管道。

在第一反应器加入步骤(1)得到的经过改性的榴莲外皮，并接种某污水处理厂生物处理厌氧段的活性污泥。活性污泥参数为：污泥质量浓度为4100mg/L，混合液挥发性悬浮固体浓度为2105mg/L，污泥沉降比为45％，污泥体积指数为66mL/g。活性污泥中含有反硝化细菌。将被处理的农村污水通入第一反应器中。经过改性的榴莲外皮相对于被处理的农村污水的用量为280g/L。

在第二反应器中填充砾石，并接种某污水处理厂的活性污泥。第一反应器和第二反应器中接种的活性污泥参数相同。在第二反应器投入使用前，向第二反应器通入空气闷曝48h。

第一反应器用于利用活性污泥中的厌氧菌进行厌氧生物处理；第二反应器用于进行好氧生物处理；提前进行的闷曝处理用于在第二反应器的活性污泥中实现好氧菌的富集。

榴莲外皮中含有丰富的纤维素、戊聚糖等大分子，通过微生物作用可转化为葡萄糖、戊糖等有机碳源，为厌氧反硝化过程提供充分的电子供体，进而促进污水的除N过程；同时，榴莲外皮独特的结构使得其在污水中长期保持形态不发生明显变化，有利于菌体的附着生长，也进一步提高了除N效率；同时，负载在榴莲外皮上的单宁酸能够与水体中的金属离子络合，达到去除废水中金属离子的作用。

(3)将被处理的农村污水(本实施例中的农村污水取自云南省某村)依次通入第一反应器和第二反应器；污水主要水质参数为：初始COD值99mg/L～117mg/L；总氮(TN)质量浓度52mg/L～60mg/L，NH

本实施例在不同的运行时间点的出水COD和TN值如下表1所示。

表1实施例1在运行稳定后开始记录的出水COD和TN值变化表

由表1可知，经农村污水处理系统处理后，系统出水COD值稳定在8mg/L左右，出水TN值则低于5mg/L。将系统运行时间延长至8周，出水COD值和TN值仍能保持稳定。同时，在整个运行过程中，出水均未检测到钙离子和镁离子，表明污水中的金属离子已被完全除去。以上实验结果证实本系统可用于长效、深度地处理农村污水。

通过记录榴莲外皮在水中的分解情况可知，榴莲外皮(本实施例中改性的榴莲外皮相对于被处理的农村污水的用量为280g/L)每日可稳定释放相当于1.37±0.12mg/LCOD值的碳源，且在整个过程中改性的榴莲外皮的质量变化很小。将榴莲外皮浸入第一反应器，60天后，榴莲外皮质量为其初始质量的96.32％；120天后，其质量损失仅为13.58％，显示出极其优异的稳定性。榴莲外皮的稳定性一方面能够持续提供碳源，另一方面能够长期、可靠的负载单宁酸，实现长效地金属离子去除。

在步骤(1)中，由于榴莲外皮的外表面呈凹凸不平状，比表面积较大；故使用榴莲外皮作为载体有助于增大单宁酸的负载量，提高金属离子的去除效果；因此，榴莲外皮引入能够同时起到作为持久性碳源的作用，以及起到提高单宁酸负载量，延长单宁酸去除金属离子的生效时长的作用。

对比例1

一种处理农村污水的方法，本对比例与实施例1的区别在于：不执行步骤(1)且第一反应器中不加入改性的榴莲外皮；其他步骤与实施例1保持相同。

设置本对比例的目的是考察榴莲外皮在生物处理过程中所起的作用。通过水质测试可知，本对比例在出水稳定一天后的出水COD值为10.97mg/L，TN值为29.36mg/L；表明不加榴莲外皮的本对比例仅对农村污水的COD有较好的处理效果，而对TN的去除效果不符合要求。延长系统运行时间，出水水质参数如表2所示。

表2对比例1在运行稳定后开始记录的出水COD和TN值变化表

由表2可知，处理时间延长后，对比例1的出水COD值略有上升，而出水TN值则增加明显。将该结果与实施例1比较，进一步证实加入榴莲外皮可显著提高系统对污水中TN的去除率，且可提升系统的运行稳定性。

此外，本对比例处理一天后，可检测到系统出水中含钙离子和镁离子分别为9ppm和7ppm。延长系统运行时间至一周，系统出水中含钙离子和镁离子分别为10ppm和9ppm；延长系统运行时间至四周，系统出水中含钙离子和镁离子分别为11ppm和9ppm。以上结果表明，未添加改性榴莲外皮时，系统无法深度去除金属离子。

对比例2

一种处理农村污水的方法，本对比例与实施例1的区别在于：不执行步骤(1)且第一反应器中不加入改性的榴莲外皮，每天向第一反应器中加入甲醇；每天甲醇的添加量对应的COD值与实施例1中榴莲外皮每日释放的COD值相当；其他步骤与实施例1保持相同。

通过水质测试可知，本对比例在出水稳定一天后的出水COD值为12.18mg/L，TN值为9.54mg/L。延长系统运行时间，出水水质参数如表3所示。

表3对比例2在运行稳定后开始记录的出水COD和TN值变化表

由表3可知，若直接添加甲醇作为碳源，系统对于污水的TN去除率低于以榴莲外皮为持久性碳源时污水的TN去除率，且本对比例的处理效果呈现出一定的波动性。这是由于榴莲外皮除了可作为除N处理过程的持久性碳源外，其独特的结构还有利于菌体的附着生长，从而进一步提高系统的整体生物处理效率。

对比例3

一种处理农村污水的方法，本对比例与实施例1的区别在于：不执行步骤(1)且第一反应器中不加入改性的榴莲外皮，向第一反应器中加入水稻秸秆；水稻秸秆的添加量对应的COD值与实施例1中榴莲外皮的添加量对应的COD值相当；其他步骤与实施例1保持相同。

每隔一定时间，记录系统TN值和水稻秸秆的残余质量，其结果如表4所示。

表4对比例3在运行稳定后开始记录的出水TN值和水稻秸秆的残余质量变化表

由表4可知，本对比例在第一周时对农村污水的除N效果较好，但水稻秸秆质量损失接近20％。随着系统运行时间的延长，水稻秸秆发生明显分解，同时系统的除N效果越来越不理想。系统运行四周后，水稻秸秆质量仅剩12.76％，而此时出水TN值高达29.31mg/L。

分别选择小麦秸秆、白菜、黄瓜和芦苇替换本对比例中的水稻秸秆，作为系统污水处理过程中的碳源，也得到了类似的结果。系统运行四周后，出水TN值分别为29.10mg/L、33.65mg/L、34.57mg/L和30.22mg/L，表明这些常见有机物均不适合作为农村污水深度处理时的持久性碳源。

实施例2

一种基于改性榴莲外皮的农村污水深度处理方法，本实施例与实施例1的区别仅在于：被处理的农村污水的水质参数不同；本实施例中被处理的农村污水的主要水质参数为：初始COD值133±11mg/L，总氮(TN)质量浓度98±6mg/L，NH

以连续流进水方式运行农村污水处理系统，水力停留时间为16h，控制硝化液回流比为140％。待系统运行14d并达到稳定后开始记录，每隔一定时间取水样测试其水质参数。

经农村污水处理系统处理后，系统出水COD值稳定在6mg/L左右，出水TN值则低于5mg/L。将系统运行时间延长至8周，出水COD值和TN值仍能保持稳定。同时，在整个运行过程中，出水均未检测到钙离子和镁离子，表明污水中的金属离子已被完全除去。以上实验结果证实本系统可用于长效、深度地处理农村污水。

实施例3

一种基于改性榴莲外皮的农村污水深度处理方法，本实施例与实施例1的区别仅在于：被处理的农村污水的水质参数不同；本实施例中被处理的农村污水的主要水质参数为：初始COD值103±7mg/L，总氮(TN)质量浓度25±2mg/L，NH

以连续流进水方式运行农村污水处理系统，水力停留时间为16h，控制硝化液回流比为150％。待系统运行10d并达到稳定后开始记录，每隔一定时间取水样测试其水质参数。

经农村污水处理系统处理后，系统出水COD值稳定在4mg/L左右，出水TN值则低于2mg/L。将系统运行时间延长至8周，出水COD值和TN值仍能保持稳定。同时，在整个运行过程中，出水均未检测到钙离子和镁离子，表明污水中的金属离子已被完全除去。本实施例所用的农村污水具有相对较高的C/N值，运行本系统时仍具有优异的处理效果。以上实验结果证实本系统可用于长效、深度地处理农村污水。

实施例4

一种基于改性榴莲外皮的农村污水深度处理方法，本实施例与实施例1的区别仅在于：被处理的农村污水的水质参数不同；本实施例中被处理的农村污水的主要水质参数为：初始COD值429±21mg/L，总氮(TN)质量浓度134±17mg/L，NH

以连续流进水方式运行农村污水处理系统，水力停留时间为24h，控制硝化液回流比为150％。待系统运行14d并达到稳定后开始记录，每隔一定时间取水样测试其水质参数。

经农村污水处理系统处理后，系统出水COD值稳定在5mg/L左右，出水TN值则低于4mg/L。将系统运行时间延长至8周，出水COD值和TN值仍能保持稳定。同时，在整个运行过程中，出水均未检测到钙离子和镁离子，表明污水中的金属离子已被完全除去。以上实验结果证实本系统可用于长效、深度地处理农村污水。

实施例5

一种基于改性榴莲外皮的农村污水深度处理方法，本实施例与实施例1的区别仅在于：被处理的农村污水的水质参数不同；本实施例中被处理的农村污水的主要水质参数为：初始COD值86±4mg/L，总氮(TN)质量浓度46±3mg/L，NH

以连续流进水方式运行农村污水处理系统，水力停留时间为16h，控制硝化液回流比为140％。待系统运行14d并达到稳定后开始记录，每隔一定时间取水样测试其水质参数。

经农村污水处理系统处理后，系统出水COD值稳定在5mg/L左右，出水TN值则低于4mg/L。将系统运行时间延长至8周，出水COD值和TN值仍能保持稳定。同时，在整个运行过程中，出水均未检测到钙离子和镁离子，表明污水中的金属离子已被完全除去。以上实验结果证实本系统可用于长效、深度地处理农村污水。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明的实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明涵盖的范围内。