一种菹草发酵液在人工湿地脱氮中的应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种菹草发酵液在人工湿地脱氮中的应用。按照如下方法制备菹草发酵液：菹草收集后沥干，粉碎，然后将粉碎后的菹草置于发酵罐中，与经过驯化的发酵污泥混合，再加入水，恒温发酵，去除菹草残渣，制备得到菹草发酵液。本发明还公开了上述组草发酵液在人工湿地脱氮中的应用。该方法具有操作简单、原料廉价易得、脱氮效果好等优点，具有重要的社会、经济、生态效益。
【专利说明】一种菹草发酵液在人工湿地脱氮中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境工程领域，具体涉及一种菹草发酵液在人工湿地脱氮中的应用。
【背景技术】
[0002] 近年来，太湖流域河流水质全年综合评价结果显示，85. 2 %的监测断面水质无法 达到III类要求，大部分为V类和劣V类。其中主要的超标污染物为氨氮、高锰酸盐指数、溶 解氧、五日生化需氧量、石油类、总磷和化学需氧量。上游入湖河流和湖荡地区水质持续恶 化直接导致太湖入湖污染物总量不断增加。受入湖污染物增加的影响，太湖水体中的TP、 TN含量在近年来基本呈持续上升趋势。因此，保护太湖水环境的关键是从源头将进入太湖 的污染物截留，重点控制入湖河流排入湖区的污染物总量。
[0003] 目前，太湖流域共有城镇污水处理厂近200座，均执行《城镇污水处理厂污染物排 放标准》(GB18918-2002)中的一级A排放标准。但一级A排放标准（TN 15mg/L，NH3-N5(8) mg/L，TP 0. 5mg/L)仍然是大大超过地表水环境质量标准（地表水V类水标准TN 2mg/L， NH3-N 2mg/L，TP 0.4(湖泊0. 2)mg/L)。面对太湖水体富营养化日趋严重的现状，大量排放 的污水处理厂尾水若不经过深度处理直接排放，将对入湖河道的水质产生极大影响，继而 加剧太湖水体氮、磷污染程度，威胁饮用水安全。同时，对尾水进行深度处理、回用也是解决 太湖流域水资源短缺、开辟第二水资源、减少新鲜水用量的有力措施，是城市可持续发展的 必然要求，具有显著的环境、经济和社会效益。
[0004] 目前常用的污水处理厂尾水深度处理技术主要有物化法（过滤法、吸附法等）、生 物法（生物反应器、生物滤池、人工湿地等）和膜分离法（反渗透、微滤、纳滤等），其中人工 湿地技术因其投资和维护费用低、氮磷去除效果好、二次污染小且兼具景观效果等优点而 被广泛应用。
[0005] 对污水厂尾水进行水质分析，发现其氮素高度硝化、碳源严重不足。调查还显示， 太湖流域的城镇污水厂中有将近50 %的污水处理厂进水碳源不足。而碳源是反硝化过程中 的电子供体，是制约反硝化作用的关键因素，要实现污水厂尾水的深度处理，必须添加足够 的外加碳源，保证一定的碳氮比才能使反硝化过程顺利完成。
[0006] 传统的反硝化外加碳源以液态有机物为主，包括葡萄糖、甲醇、乙醇和乙酸等。但 脱氮成本高，且甲醇、乙醇、乙酸等碳源有一定毒性，会对环境造成潜在危险。近年来，国内 外许多研究者通过多种途径寻找低毒、廉价的新型碳源来代替传统碳源。
[0007] 人工湿地中种植了大量富含纤维素类物质的水生植物，这些植物在冬季收割后经 过厌氧发酵可以产生大量挥发性脂肪酸（VFAs)和其他营养元素，是优良的潜在外加碳源。
[0008] 以人工湿地中大量种植的水生植物为原料，通过厌氧发酵将植物体中富含的纤维 素类物质转化为挥发性脂肪酸（VFAs)和其他营养元素，作为反硝化外加碳源，实现污水厂 尾水的深度脱氮处理，同时可解决人工湿地植物收割后的处置问题，实现水生植物的资源 化利用，重要的研究意义和应用价值。
[0009] 已有的研究结果表明，微生物的硝化反硝化作用是自然界氮素循环的重要途径之 一。反硝化作用是在无氧或低氧条件下，微生物将硝态氮和亚硝态氮转化成氮气并释放到 大气中的过程。反硝化脱氮的主要影响因素有溶解氧（DO)、pH、温度、碳源等。
[0010] (1)溶解氧（D0) -般认为，溶解氧保持在0. 5mg/L以下时，反硝化作用才能正常进 行。这是因为〇2接受电子的能力高于NCV-N和NCV-N，当同时存在分子态氧和硝酸盐时，反 硝化细菌优先进行有氧呼吸。
[0011] ⑵pH反硝化作用的最佳pH是7?8。
[0012] (3)温度反硝化作用的最佳温度是15?30°C。对于温度的降低，反硝化细菌比硝 化细菌更加敏感。当出现季节性降温时，反硝化过程将先于硝化过程而受到抑制，此时需要 外加碳源来改善脱氮效果。此外，温度对微生物活性也会产生显著影响，进而影响反效果效 果。
[0013] (4)碳源碳源是反硝化过程中的电子供体，同时也是微生物生长和繁殖所需能量 的主要来源。碳源不足将直接影响反硝化作用，添加外加碳源是提高反硝化脱氮效率的有 效方法之一。外加碳源的种类和投加量均会对反硝化效率产生显著影响。
[0014] 现有的外加碳源大体可以分为两类，即传统碳源和新型碳源。传统碳源以液态有 机物为主，包括低分子有机物类（如甲醇、乙醇和乙酸等）和糖类物质（如葡萄糖、蔗糖 等）。新型碳源主要包括富含纤维素类物质的天然固体有机物（如植物秸杆等）、一些可降 解的人工材料（如废纸、可降解餐盒等）以及高含碳量的工业废水等。
[0015] 甲醇、乙醇、乙酸等低分子有机物因分子小、易被反硝化菌利用而被认为是理想 的外加碳源。Gersberg等（1983)通过添加甲醇使人工湿地系统脱氮效率达到95%。 Pochana等（1999)的研究结果表明，添加乙酸为碳源可以大大提高同步硝化反硝化的进 程。Rustige等（2007)在复合流人工湿地的水平流段添加乙酸作为碳源处理垃圾渗滤液， 结果表明反硝化速率随着乙酸添加量的增加而增大，硝酸盐去除率最高可达98%。该类碳 源脱氮效率虽然高，但是存在价格昂贵、运营成本高等缺点，且甲醇具有一定毒性、运输不 便。
[0016] 糖类物质作为外加碳源，处理效果较好，成本也较低。赵联芳等（2006)以人工湿 地处理城市污染河水，对于硝氮浓度高的污水，通过添加葡萄糖可以有效提高除氮效果，湿 地C/N由2提高至8时，TN去除率由55%提供至89%。佘丽华等（2009)通过复合垂直流 人工湿地（IVCW)系统特有的通气管补充碳源到湿地底部强化湿地脱氮效果，结果表明，葡 萄糖作为外加碳源时的脱氮效果优于羧甲基纤维素（CMC)，对于处理量60L/d的IVCW系统 最佳葡萄糖投加量为1. 5g，葡萄糖与硝氮的质量比仅为4. 3,投加量远低于反硝化所需的 C/N。但是葡萄糖作碳源时，微生物细胞产率高，容易导致人工湿地等工艺出现堵塞现象。
[0017] 刘刚等（2010)认为，以工业废水作为外加碳源时反硝化效率受到工业废水中低 分子有机物含量的限制，如果废水中低分子有机物含量低，反硝化效率就不会得到明显提 高。同时废水投加过程中必须控制投加比例，防止出水水质恶化。
[0018] 纤维素类碳源来源广泛、成本低廉，目前研究的富含纤维素类物质的固体有机碳 源有废纸、玉米秸杆、麦杆、稻草以及香蒲、芦苇等水生植物枝条或茎杆等。文辉等（2011) 研究了以麦杆作为外加碳源时对模拟人工湿地脱氮效果的促进作用，结果表明进水硝氮浓 度为30mg/L时，去除硝氮最优条件是温度25°C，反应时间10h，麦杆与水的质量比为1:50。 扫描店电镜结果显示，反应过的麦杆表面出现了空洞，由致密的横纹结构变为破裂的丝状 结构，表明麦杆表面的可生物降解成分被微生物大量分解作为了反硝化的碳源。金赞芳等 (2004)研究了棉花和纸作为碳源时的脱氮效果，结果显示这两种碳源均能使反应器快速启 动，在室温25°C，进水硝氮分别为22. 6、45. 2mg/L，水力停留时间分别为9. 8、8. 6h时，硝氮 去除率分别可达到1〇〇%、99. 6%，且出水无亚硝氮累积。陈云峰等（2010)比较了麦杆、花 生壳、红薯干、玉米芯、美人蕉枯叶、可降解餐盒、聚丁二酸丁二醇酯（PBS)和聚羟基脂肪酸 酯（PHAs)作为碳源时的反硝化效果，优选出麦杆更适合作为污水处理厂尾水反硝化补充 碳源。赵连芳等（2009)根据玉米秸杆、稻壳、木屑及芦苇杆这4种富含有机质的植物材料 有机物释放规律及植物体分解水质的潜在影响情况，确定芦苇竿为较适宜的植物碳源，当 其添加量为1. 〇kg/m2时，垂直流人工湿地TN去除率由60%提高至80%。以纤维素类物质 作为碳源不仅脱氮效果较好，价廉易得，且达到废物利用的目的，符合我国现阶段节能减排 和循环经济的发展要求。但其缺陷是碳源的释放不能得到有效控制、需要的水力停留时间 较长、出水水质易受外界温度影响。
[0019] 城市有机废水（如酿酒废水、糖蜜废水、淀粉废水等）及城市污水厂剩余污泥中含 有大量易生物降解物质，经厌氧发酵后能产生大量的短链挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸等， 是优质的反硝化外加碳源，可以被反硝化微生物优先利用。表1总结了研究较多的城市有 机废弃物厌氧产酸发酵液作为反硝化补充碳源时的脱氮效果。
[0020] 表1废弃生物质厌氧产酸发酵液作为反硝化碳源研究概况
[0021]
【权利要求】
1. 一种菹草发酵液在人工湿地脱氮中的应用。
2. 根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的菹草发酵液按如下方法制备得到： (1) 菹草的准备：菹草收集后浙干，粉碎； (2) 发酵液的制备：将粉碎后的菹草置于发酵罐中，与经过驯化的发酵污泥混合，再加 入水，恒温发酵，去除菹草残渣，制备得到菹草发酵液。
3. 根据权利要求2所述的菹草发酵液制备方法，其特征在于，步骤（2)中，菹草、活性污 泥以及水按l〇〇kg: 1L :1L比例投放。
4. 根据权利要求2所述的菹草发酵液制备方法，其特征在于，步骤（2)中，发酵温度为 12-30。。。
5. 根据权利要求2所述的菹草发酵液的制备方法，其特征在于，步骤（2)中，发酵的时 间为5-10天。
6. 根据权利要求2所述的菹草发酵液的制备方法，其特征在于，步骤（2)中，发酵过程 中pH控制为7?8。
7. 根据权利要求1所述的应用，其特征在于，污水为污水处理厂尾水，其中氮的含量为 10_15mg/L〇
8. 根据权利要求1所述的应用，其特征在于，将菹草发酵液按照如下添加量计算投加 入污水处理厂尾水：菹草发酵液的COD值与尾水中的N含量的比值为8-16 ;尾水的水力停 留时间为4-8h。
【文档编号】C02F3/34GK104118943SQ201410384106
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】杨柳燕, 陈乾坤, 焦一滢, 张权, 李丽, 陈旭 申请人:南京大学