一种高效碳源及其制备方法和应用与流程

本技术涉及水处理领域，更具体地说，它涉及一种高效碳源及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着我国经济的持续快速发展，城市废水排放量日益增大，工业废水是废水处理厂需要处理的主要来水之一。工业废水的生化性较差，同时进水总氮较高且波动较大，进水的生化需氧量偏低，碳、氮比例失调较为严重，长期存在碳源不足的现象，且可贡献给反硝化脱氮的碳源有限。因此，为确保出水总氮稳定达标排放，需在生物池内外加碳源，以满足反硝化碳源的需求。碳源在废水处理中的主要作用是为微生物合成菌体繁殖提供主要营养，同时也是反硝化的电子供体。

2、相关技术中，污水处理厂常用的外加碳源主要为乙酸钠，其本身不含有营养物质，分解后不会产生难于降解的中间产物，较易被微生物利用，但对于较大体量的污水厂来说，碳源的投加量较大，废水处理的时间较长，处理废水的效率较低。

技术实现思路

1、为了提高利用碳源进行废水处理的效果，本技术提供了一种高效碳源及其制备方法和应用。

2、第一方面，本技术提供一种高效碳源，其采用如下技术方案：

3、一种高效碳源，其包括如下重量份的原料：玉米秸秆35-45份、玉米芯8-10份、维生素b120.6-0.8份、丙三醇30-40份、乙酸钠5-7份、硫酸钙3-7份、乙二胺四乙酸1-3份、聚甲基丙烯酸酯1-3份、葡萄糖10-15份和水45-55份。

4、本技术高效碳源原料在选用玉米秸秆35-45份、玉米芯8-10份、维生素b12 0.6-0.8份、丙三醇30-40份、乙酸钠5-7份、硫酸钙3-7份、乙二胺四乙酸1-3份、聚甲基丙烯酸酯1-3份、葡萄糖10-15份和水45-55份，应用高效碳源处理水后的出水水质均满足废水处理一级a排放标准，均具有较高的脱氮效率和净化效果，且当玉米秸秆40份、玉米芯9份、维生素b120.7份、丙三醇35份、乙酸钠6份、硫酸钙5份、乙二胺四乙酸2份、聚甲基丙烯酸酯2份、葡萄糖13份和水50份，出水的水质最佳。

5、通过采用上述技术方案，玉米秸秆作为外加碳源加入，来源广泛，价格低廉，半纤维素含量较高，水解条件温和，释碳量大，可大量降解废水中的微生物。玉米芯来源广泛、价格低廉、无毒无害，其作为碳源加入，具有较大得比表面积和较多的孔结构，可进行物理吸附，为微生物提高较多的附着空间，具有较快的反硝化速率；另外，玉米芯中含有较多活泼性官能团如羧基、氨基、苯环等，能与重金属离子发生离子交换吸附或化学吸附作用。

6、维生素b12可促进微生物生长、增强生物酶活性，从而提高反硝化反应速率。丙三醇的加入可提高废水处理的反硝化速率。

7、乙酸钠对人体无害，易被微生物吸收利用，可立即响应反硝化过程，具有较好的脱氮效果。硫酸钙性质稳定，无嗅无味，微溶于水，可参与细胞结构物质组成、能量转移、调节酶活性以及维持细胞渗透压的平衡，利用表面的多孔结构为附着在其表面的微生物提供生长发育的场所，有利于提高有机碳的释放速度。

8、乙二胺四乙酸参与酶的合成或是酶的激活剂，以其作为生理活性物质的组成或生理活动的调节剂。聚甲基丙烯酸酯与其他各类原材料混合后，可以延缓其他原材料挥发的时间，从而可以使得该复合碳源持续保留的时间更长，提高了该复合碳源的使用寿命。另外，聚甲基丙烯酸酯可将葡萄糖类的小分子包裹其中，通过氢键结合进行释碳，降低成本的同时达到持续供应有机碳的目的。葡萄糖是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物，可被微生物吸收、分解利用，能更好地培养细菌，提高废水的可生化性，有效改善污泥的亲和性。

9、作为优选：所述玉米芯通过如下步骤改性得到，具体改性方法包括以下操作步骤：在40-50℃条件下，将摩尔浓度为2-3mol/l的硫酸溶液和摩尔浓度为2-2.5mol/l硅酸溶液混合，搅拌均匀，得到硫酸-硅酸混合溶液；所述硫酸溶液和硫酸溶液的体积比为1：(6-8)；将玉米芯粉碎至粒径30-50目，沸水煮2h，浸泡至硫酸-硅酸混合溶液中搅拌2-3h，洗涤至中性，在500-700℃条件下浸泡至质量分数为30-40％的氯化锌溶液中1-2h，洗涤烘干，得到改性玉米芯。

10、通过采用上述技术方案，将玉米芯浸泡至硫酸-硅酸混合溶液中，硫酸和硅酸使玉米芯中富含的纤维素类物质分解，在玉米芯表面上形成较多孔结构，使玉米芯表面的孔径变小，增加了其比表面积，更有利于吸附水中的污染物。另外，硫酸浸泡使玉米芯表面的官能团增多，提高玉米芯的吸附力。随后用氯化锌溶液浸泡活化，使玉米芯孔隙结构更加发达，孔径缩小，比表面积更大，进一步提高了玉米芯对废水中的吸附作用。

11、作为优选：所述玉米秸秆进行如下预处理，预处理的具体步骤为：

12、将玉米秸秆粉碎，在110-120℃浸泡至碳酸钙和过氧化氢的混合液中，再将玉米秸秆浸泡至水中，烘干，灭菌，将玉米秸秆浸泡至柠檬酸钠缓冲液中，在55-65℃加入复合酶液酶解2-3d，高温灭菌，加入复合厌氧菌剂，进行发酵，得到预处理后的玉米秸秆；

13、所述碳酸钙与过氧化氢的体积比为1:(3-4)；所述玉米秸秆与柠檬酸钠的质量比为1：(9-11)；所述复合酶液为玉米秸秆质量的0.5-1％；所述复合厌氧菌剂为玉米秸秆质量的0.01-0.03％。

14、通过采用上述技术方案，将粉碎的玉米秸秆浸泡至碳酸钙和过氧化氢的混合液中，对玉米秸秆进行碱化处理，使玉米秸秆纤维内部的氢键结合变弱，纤维素膨胀，从而溶解玉米秸秆内部的半纤维素和一部分木质素。然后将玉米秸秆浸泡至柠檬酸钠缓冲液中，降解木质素及打开纤维素的结晶结构以增大酶与底物的接触面，较大降低了玉米秸秆中木质素含量，提高后续玉米秸秆在复合酶液中的酶解的还原糖转化率，提高酶解效率，最后加入复合厌氧菌剂进行发酵，有助于提高发酵效率，增加去除废水中的总氮速率。玉米秸秆发酵可生产碱性木聚糖酶，减少废水中的有机氯，提高废水的净化效果。

15、作为优选：所述复合酶液包括如下重量百分含量原料：纤维素酶1-5％、木聚糖酶0.3-0.5％、菠萝酶1-3％、蛋白酶0.1-0.3％、淀粉酶0.2-0.5％、吐温80 1-1.5％和水90-95％。

16、通过采用上述技术方案，木质纤维素酶可粘在纤维素纤维上，从纤维表面向内部增生，半纤维素被溶解，使纤维表面呈锯齿蚀痕，被细菌破坏的纤维，很容易被分解。木聚糖酶和木质纤维素酶混合使用，可提高玉米秸秆的水解效果，

17、菠萝酶可水解纤维蛋白，分解肌纤维。蛋白酶可将生化降解的大分子转化为易于生物降解的小分子。淀粉酶可使废水中的淀粉转化为多糖、单糖，同时经过发酵，将淀粉等有机物转化为酒精，从而蒸发去除。吐温80作为表面活性剂加入，提高复合酶液的分散均匀性。

18、作为优选：所述木质纤维素酶与木聚糖酶的重量配比为1：(2-4)。

19、在其他原料种类、掺量以及制备方法不变的情况下，本技术玉米秸秆进行预处理时，复合酶液中的木质纤维素酶与木聚糖酶的重量配比分别为1:2、1:3和1:4时，cod浓度均在25万mg/l以上。应用该高效碳源处理水后的出水均满足废水处理一级a排放标准，均具有较高的脱氮效果。且当复合酶液中的木质纤维素酶与木聚糖酶的重量配比为1:3时，效果最佳。

20、作为优选：所述复合厌氧菌剂包括如下重量百分含量原料：酵母菌剂20-30％、放线菌剂20-30％、光合细菌10-15％和丁酸梭菌剂40-60％。

21、通过采用上述技术方案，酵母菌为兼性厌氧菌，是重要的营养功能性菌，可对光合细菌合成的氨基酸及糖类、废水中的有机物进行合理的转化和高效率吸收，为其他生物提供高质量的营养物质和生理活性物质。放线菌具有较强的分解复杂含氮和不含氮有机物的能力，能够利用光合细菌合成的氨基酸等物质产生抗菌物质，抑制病原菌，并提前利用有害霉菌和有害细菌增殖中所需要的物质，抑制有害霉菌和有害细菌增殖，为其他有用微生物创造良好的环境。加入光合细菌可提高放线菌剂的净化废水的效果。丁酸梭菌剂可有效降低制药废水中的生化需氧量，提高废水出水的可生化性。

22、复合厌氧菌剂在厌氧条件下进行水解酸化将高分子有机物转换成小分子有机物，大幅度降解去除水中的化学需氧量，能高效分解各类大分子有机物。

23、第二方面，本技术提供一种上述任一项高效碳源的制备方法，具体通过以下技术方案得以实现：

24、一种高效碳源的制备方法，其包括以下操作步骤：

25、将葡萄糖、聚甲基丙烯酸酯与水混合，搅拌均匀，得到混合物a；

26、将混合物a和其他原料搅拌均匀，调节ph值6-8，得到高效碳源。

27、通过采用上述技术方案，制备得到的高效碳源提升了废水污泥活性，克服了乙酸钠等传统碳源投加量大、低温较难溶解产生结晶、吸收率低、总氮去除率差、危险性大和有强烈性刺激气味的问题。本技术得到的高效碳源在0℃左右不会结晶，为碳源运输、储存和使用提供便利，主要应用至生物脱氮反硝化和污泥驯化培养的有机碳源。

28、第三方面，本技术提供一种上述任一项应用高效碳源的水处理工艺，具体通过以下技术方案得以实现：

29、一种应用高效碳源的水处理工艺，其包括以下操作步骤：废水依次经过细格栅和旋流沉砂池、调节池和初沉池、一二级ao复合生物膜生物池、三级ao生物池、二沉池、加砂高速沉淀池、机械反应池、d型纤维滤池、消毒池，最后排出处理后的废水；所述高效碳源投加至一二级ao复合生物膜生物池和三级ao生物池，平均去除每公斤总氮投加高效碳源15.5-16.5kg。

30、进一步的，本技术在水处理过程中产生的污泥通过污泥匀质池和浓缩脱水一体机处理。

31、通过采用上述技术方案，废水进入细格栅去除水中悬浮物和杂质，然后进入旋流沉砂池利用机械力控制水流流态与流速，加速砂粒的沉淀，清除砂粒和部分有机物；随后进入调节池，保证水处理工艺正常工作，不受废水高峰流量或高峰浓度变化的影响,使废水在进行处理前有一个较为稳定的水量和均匀的水质，调节水质和水量；

32、然后，废水进入初沉池，去除可沉物和漂浮物，减轻后续处理设施的负荷，除去废水可沉物、油脂和漂浮物的50％、bod的20％。使细小的固体絮凝成较大的颗粒，强化了固液分离效果。对胶体物质具有一定的吸附去除作用。另外，在一定程度上，初沉池可起到调节池的作用，对水质起到一定程度的均质效果。减缓水质变化对后续生化系统的冲击。

33、随后废水进入一二级ao复合生物膜生物池和三级ao生物池，使去除废水中的污染物稳定且高效。一二级ao复合生物膜生物池包括硝化和反硝化两个阶段，好氧池在缺氧池之后，可使反硝化残留的有机污染物得到进一步去除，提高处理废水的水质。另外，缺氧池在前，污水中的有机碳被反硝化菌利用，可减轻好氧池的有机负荷，缺氧池中进行的反硝化反应产生的碱度还可补偿好氧池中进行硝化反应的对碱度需求的一半。复合生物膜使废水中的微生物如硝化菌和反硝化菌依附在载体表面上成模状生长，且生物膜进行生物降解，达到净化废水的目的。

34、三级ao生物池内装有立体弹性填料、布水装置和曝气系统。立体弹性填料在好氧状态下培养好氧微生物；布水装置使生物接触氧化池的污水使生物均匀分布，并保证大部分水在三级生物池的停留时间，避免短流现象发生；曝气系统是当生物膜生长至一定厚度，填料壁的微生物由于缺氧进行厌氧代谢，产生气体具有冲刷作用造成生物膜脱落，促进生物膜新陈代谢。脱落的将随水流入二沉池，降低了出水水质的污染物浓度。

35、进入二沉池进行泥水分离，使混合液澄清、污泥浓缩，并将污泥回流到三级ao生物池，剩余的废水进入机械反应池废水进入d型纤维滤池，采用纤维滤料，对大分子有机物、病毒、细菌、胶体和铁等杂质均具有一定的去除作用。最后进入消毒池消毒杀菌，得到处理后的废水。

36、作为优选：所述初沉池投加含铁混凝剂，投加量每升废水50-100g。

37、通过采用上述技术方案，初沉池中加含铁混凝剂，可强化水处理除磷的效果。

38、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

39、(1)本技术得到的高效碳源cod浓度均在25万mg/l以上，具有较高的cod浓度。

40、(2)应用本技术得到的高效碳源处理水，出水的出水总氮最低仅为5.20mg/l，另外，出水氨氮、出水总磷、出水cod和出水bod分别在0.13mg/l、0.02mg/l、33.30mg/l和6.94mg/l，均满足废水处理一级a排放标准，且具有较好的脱氮和净化效果。

41、(3)通过统计碳源使用乙酸钠和高效碳源的成本发现，使用高效复合碳源一年费用约为946万元(1080元/吨，日均24吨)，比乙酸钠减少111.8万元，最保守测算下降10.6％，大幅度降低了碳源成本。

42、(4)本技术通过对玉米秸秆进行预处理，并控制复合酶液的各原料重量种类和掺量以及复合厌氧菌剂的原料种类和掺量，使出水的出水总氮、出水氨氮、出水总磷、出水cod和出水bod的日均分别在6.22mg/l、0.15mg/l、0.02mg/l、32.43mg/l和6.42mg/l，具有较高的脱氮效果。

43、(5)本技术将高效碳源原料中的玉米芯进行改性，控制硫酸溶液和硫酸溶液的体积比，使出水的出水总氮、出水氨氮、出水总磷、出水cod和出水bod的日均分别在5.20mg/l、0.13mg/l、0.02mg/l、33.30mg/l和6.94mg/l，进一步提高了高效碳源的脱氮效果。