一种投加生物炭提高厌氧氨氧化系统脱氮性能的方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种投加生物炭提高厌氧氨氧化系统脱氮性能的方法。

背景技术

与传统的硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有无需外加碳源、无需曝大量空气、基建成本低等优点成为环境保护领域的研究热点。但厌氧氨氧化工艺在污水处理中的应用仍然面临许多挑战，一方面，由于厌氧氨氧化工艺不稳定性，外界因素的扰动(例如温度、曝气量、氮负荷变化等)极易造成反应波动，进而影响亚硝氮的形成和累积，另一方面，厌氧氨氧化反应理论脱氮效率为89％，反应过程会产生10％的硝氮，上述两方面原因导致硝酸盐的累积成为制约厌氧氨氧化工艺脱氮效率提升的关键因素。利用部分反硝化-厌氧氨氧化组合工艺有可能克服这一问题，但消耗外部碳源会增加处理成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种投加生物炭提高厌氧氨氧化系统脱氮性能的方法，利用生物炭的氧化还原特性提高微生物的电子传递过程，促进硝氮的还原，成功解决了系统中硝氮累积的问题从而提高厌氧氨氧化系统的脱氮性能。本发明所述生物炭由废弃生物质制备而成，在实现高效脱氮的同时，也能实现生物质废料的资源化利用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种投加生物炭提高厌氧氨氧化系统脱氮性能的方法，包括以下步骤；

步骤一：制备木屑生物炭；

步骤二：将步骤一得到的木屑生物炭投加到厌氧氨氧化生物脱氮系统内；

步骤三：待系统内营养液消耗完后，可回收系统中的生物炭。

所述步骤一中木屑生物炭用固体废弃物自行制备，固体废弃物为木屑、椰壳或剩余污泥。

所述步骤一中生物炭为木屑生物炭，所述生物炭是将生物质物料置于马弗炉内，在300℃温度下，控制升温幅度为10-15℃/min，当温度分别达到300℃后维持2h；完全炭化后冷却至室温从马弗炉中取出，得木屑生物炭，将得到的木屑生物炭混匀研磨，依次过16和60目筛，分离得到0.25mm-1mm的木屑生物炭于干燥器中保存备用。

所述步骤二中厌氧氨氧化反应体系的温度为35±1℃。

所述步骤二中厌氧氨氧化反应体系内总氮浓度为100mg/L。

所述木屑生物炭投加量为10g/L，所述生物炭投加方式为一次投加。

所述厌氧氨氧化生物脱氮系统的营养液包括：硫酸铵0.47g/L，亚硝酸钠0.49g/L，氯化钙0.072g/L，氯化镁0.05g/L，磷酸二氢钾0.22g/L，碳酸氢钠1.6g/L，微量元素混合液2ml。

所述的微量元素混合液包括：EDTA二钠8.3g/L，硫酸锌0.215g/L，氯化锰0.495g/L，亚硒酸钠0.078g/L，钼酸钠0.11g/L，七水合硫酸亚铁5g/L，六水合二氯化钴0.12g/L，五水硫酸铜0.125g/L，六水合氯化镍0.095g/L，硼酸0.007g/L。

所述步骤三中木屑生物炭在氨氮降解反应结束后，过滤后用于回收木屑生物炭。

本发明的有益效果：

本发明利用自制的木屑生物炭，投加在厌氧氨氧化系统中，生物炭可促进硝氮向亚硝氮的转化，提高厌氧氨氧化反应体系的脱氮性能，使系统具有更高的产氮气潜能。

生物炭的投加提高了硝氮的还原速率，从而提高了系统整体脱氮速率。

生物炭可强化氧化亚氮还原酶的活性，降低氧化亚氮溢出的风险。

生物炭可利用固废自行制备，可实现固废循环利用，而且实验发现生物炭对硝氮、亚硝氮的还原有持续促进作用。

附图说明

图1为反应过程氨氮、亚硝氮、硝氮浓度变化示意图。

图2为反应过程中气体变化量。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明涉及一种投加生物炭提高厌氧氨氧化系统脱氮性能的方法，为使本发明的实施方法更为清楚易懂，下面结合具体实例，对本发明作进一步的阐述。

将本发明应用在厌氧氨氧化生物处理系统，取得了良好效果，具体实施方式如下：在氨氮降解初始阶段，向厌氧氨氧化生物处理系统中投加生物炭，并定期对三氮浓度，产气量进行检测。设置批次实验进行生物炭对厌氧氨氧化系统中脱氮性能影响的研究，同时设置不加添加物的平行对照组，具体步骤如下。

(1)准备木屑生物炭：取50-100g锯末放置在坩埚中，加盖。在300℃温度下控制升温幅度为10-15℃/min，当温度达到300℃后维持2h；完全炭化后冷却至室温从马弗炉中取出，得木屑生物炭，将生物炭混匀研磨，过16和60目筛，将生物炭的粒径控制在0.25-1mm，置于干燥环境备用。

(2)种泥准备：取自从实验室长期运行的USAB反应器。

(3)批次实验1：

准备4个120mL超声清洗过的血清瓶，分别加入25mL种泥，加入基质：氨氮：亚硝氮＝50:50mg/L，无外加有机碳源，编号R1(基质+泥+生物炭)，Y1(基质+泥+生物炭对照组)，R2((基质+泥)，Y2(基质+泥对照组)。按照10g/L浓度向R瓶子中分别投加300℃生物炭，最终用培养基溶液定容到100mL，确保每组种泥状态相同，之后经N2吹脱2min,排除顶空氧气，用铝盖压盖密封后置于35℃水浴摇床，5min后用针头进行排气，摇床频率为120～130r/min。持续监测三氮浓度，产气量。第一周期进行47h反应。

第一周期反应结束后用倒掉培养液，血清瓶中仅留下生物炭和污泥，然后向血清瓶中再次投加基质：氨氮：亚硝氮＝50:50mg/L，定容到100mL，再次开始新一轮周期反应，持续监测三氮浓度，产气量。第二周期进行75h反应。

(4)用玻璃注射器定量测产气量，当血清瓶内外压力相同时，玻璃注射器内气体不在上升；

对比投加生物炭实验组与未投加空白组的氨氮降解速率、硝氮的累积量以及总氮去除率，通过对比试验结果可验证生物炭的投加可以促进硝氮的还原，解决了系统中硝氮的累积的问题，从而为提高厌氧氨氧化生物脱氮系统提供了一种方法。

本发明利用自制的木屑生物炭，投加在厌氧氨氧化生物脱氮系统中，生物炭表面含氧官能团会激发互营菌群种间电子直接传递，促进硝氮的还原，从而提高整个系统脱氮效率。本发明专利的优点主要体现在：①生物炭可利用固废自行制备，可实现固废循环利用，而且实验发现生物炭对硝氮、亚硝氮的还原有持续促进作用；②生物炭可促进硝氮向亚硝氮的转化，提高厌氧氨氧化反应体系的脱氮性能，使系统具有更高的产氮气潜能；③生物炭的投加提高了反硝化的反应速率，从而提高了系统整体脱氮速率；④生物炭可强化氧化亚氮还原酶的活性，从而降低氧化亚氮溢出的风险。

本发明中生物炭作为一种经济、高效、环境友好的材料，其表面具有的氧化还原官能团可以在微生物氮循环中介导电子转移，因此，热解生物炭可能作为添加剂促进系统硝氮的还原过程以此提高厌氧氨氧化系统的脱氮效率。

本发明提供一种以生物炭为添加剂缓解厌氧氨氧化系统中硝氮累积的方法，解决了厌氧氨氧化技术长久以来在含氨废水中应用的瓶颈。

从图1可以观察到添加生物炭组相对空白组在较短的时间内耗尽底物，且硝氮的累积量明显低于空白组，硝氮的降解速率高于空白组，因此可以得出结论：生物炭的添加显著提高了反应整体脱氮性能且提高了反应速率，生物炭对硝氮的还原有明显的促进作用。在第二反应周期，生物炭组硝氮累积量仍明显低于空白组，生物炭对硝氮的还原仍有明显的促进作用，且该作用具有持续性。

从图2观察到生物炭组的氮气累积产量高于对照组，生物炭的投加使系统具有更高的产氮气潜能，生物炭组的氧化亚氮在12H内降解率达95％，而对照组仅有73％，投加生物炭具有更快的氧化亚氮产生及降解能力，因此可以得到结论，生物炭的投加的确促进了反硝化过程，与此同时生物炭可能也强化了氧化亚氮还原酶的活性，从而也降低了氧化亚氮溢出的风险。