一種玉米葉水解液及其制備方法和應用與流程

本發明屬于環境工程、生物領域，涉及一種玉米葉水解液的制備及其作為好氧反硝化碳源在高溫環境下脫除廢水中的硝酸根與亞硝酸根的應用以及煙氣中的氮氧化物NO_X。

背景技術：

氮污染最主要的來源是農業生產活動。農藥化肥通過地表徑流或降水帶入等方式進入地表水體，造成富營養化，甚至污染地下水。另一方面，由于漁牧養殖產業的蓬勃發展，集約型養殖可能會對環境造成嚴重的危害，是潛在危險系數很高的污染源，造成了大量的含氮農業廢水的排放，同樣會造成水體富營養化及地下水的嚴重污染。由于能源需求日益強勁，化石燃料的用量與排放量不斷增加，導致大氣中活性氮濃度不斷上升，然后又通過干濕沉降等方式轉移到水體和土壤表面，通過氧化作用溶于水體中。氮污染不僅破壞生態系統，也嚴重危害到人體健康。

生物脫氮工藝已經廣泛用于治理不同含氮化合物的廢水，這是因為它投資和運營費用低以及對環境的二次污染較小。反硝化需要充足的外源有機碳作為電子供體將硝酸鹽還原為氮氣。在污水生物處理中，碳源費用占設備運行和管理成本一半以上。尋找高效低成本的碳源可以在一定程度上解決碳源成本高的問題。農林業有機物即木質纖維素物質由于其經濟性以及來源廣泛，有作為反硝化碳源的巨大潛力。但是有些農林業有機物如棉花有更高的經濟價值，因此使用農林業廢棄物作為反硝化碳源能在脫氮同時實現廢物資源化，更具實際意義。由于纖維素是由線性的葡萄糖聚合物通過氫鍵連接，并與半纖維素和木質素緊密結合在一起，其復雜的三維結構會阻礙微生物獲得可利用的碳源。另外，使用農林業有機物作固體碳源存在著許多問題亟待解決，如釋碳速度無法控制，反硝化效率較低，需要較長的水力停留時間，容易造成填料堵塞等。因此，若先將農林業廢棄物進行預處理，破壞木質素，從三維結構中分離纖維素和半纖維素，同時分解纖維素和半纖維素從而提高生物可降解性繼而提高反硝化速率。J.B.Park等通過將廢棄植物(主要是番茄葉和黃瓜葉)厭氧消化處理30天提取出富含有機碳的液體，將其作為碳源處理硝態氮含量大于300mg/L的水耕廢水，去除率在維持在85％以上，但是30天的預處理時間過于耗時。因此，非常有必要探索出一種經濟有效的農業廢棄物作為反硝化碳源并通過低廉高效的預處理方法提高其脫氮性能。

技術實現要素：

本發明之目的是提供一種低成本高效的反硝化碳源及其用途。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種玉米葉水解液的制備方法，包括如下步驟：

(1)將玉米葉粉碎后，通過篩分，選取10～40目的玉米葉顆粒；

(2)向玉米葉顆粒中加入水和氫氧化鈉，使體系中玉米葉與水的固液比為45～90g/L，使氫氧化鈉濃度為0.005～0.01mol/L；

(3)將步驟(2)的混合物于40℃～45℃振蕩培養，處理時間為12～36h后制得玉米葉水解液。

步驟(1)選取20～40目的玉米葉顆粒。

步驟(2)玉米葉與水的固液比為60g/L。

步驟(4)處理時間為24h。

上述方法制備的玉米葉水解液的應用，將玉米葉水解液作為反硝化碳源用于含氮廢水的脫氮處理，或用于含氮氧化物NO_x煙氣脫硝處理。

所述含氮廢水脫氮處理的溫度為30～50℃；所述含氮氧化物NO_X煙氣脫硝處理的溫度為30～50℃。

所述含氮廢水的pH值為8.0±1.0。

應用的具體步驟是：將不含碳源的反硝化培養基成分加入玉米葉水解液中，并加入活化后螯臺球菌(Chelatococcus daeguensis)TAD1的菌液，在初始溫度為30～50℃，振蕩培養12～36h；所述螯臺球菌TAD1，由中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心保藏，其保藏編號是CGMCC No.5226。

所述螯臺球菌TAD1經以玉米葉水解液為唯一碳源的反硝化培養基中馴化，保存于甘油管中。

所述反硝化培養基的成分如下(g/L)：KNO₃ 1；Na₂HPO₄·7H₂O 0.8；KH₂PO₄ 1.5；MgSO₄·7H₂O 0.2；微量元素溶液2mL；pH 7.0；所述微量元素溶液成份(g/L)：EDTA 50.0；ZnSO₄ 2.2；CaCl₂ 5.5；MnCl₂·4H₂O 5.06；FeSO₄·7H₂O 5.0；(NH₄)₆Mo₇O₂·4H₂O 1.1；CuSO₄·5H₂O 1.57；CoCl₂·6H₂O 1.61。

螯臺球菌TAD1的活化：將甘油管保存的螯臺球菌(Chelatococcus daeguensis)TAD1接種至液體種子培養基中在初始溫度為50℃，160rpm的振蕩培養箱培養12h；所述種子培養基的成分如下(g/L)：蛋白胨10，酵母提取物5，NaCl 5，pH 7.5。該培養基使用前在121℃下滅菌20min。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

(1)農業廢棄物玉米葉經過簡單的預處理后的到的水解液富含可生物降解的有機物，為好氧反硝化菌提供充足的碳源，能應用于快速處理硝酸鹽廢水或含NOx的煙氣。

(2)玉米葉水解液作為碳源時，該菌株可在30～50℃下在12小時內對初始濃度為300mg/L硝酸鹽氮去除率達96.5％以上，并且沒有亞硝酸鹽積累。

(3)該玉米葉水解液應用于反硝化碳源可解決生物脫氮工藝中傳統碳源成本高以及固體碳源效率低的難題。

所述螯臺球菌(Chelatococcus daeguensis)TAD1，由中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心保藏，地址：北京市朝陽區北辰西路1號院3號，其保藏編號是CGMCC No.5226，保藏日期為2011年9月6日。已在公開號CN102373169A的中國專利中公開，屬于現有技術。

附圖說明

圖1為不同玉米葉粉碎粒徑下其水解液作為反硝化碳源的性能比較圖。

圖2為不同NaOH濃度下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能比較圖。

圖3為不同固液比下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能比較圖。

圖4為不同預處理溫度下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能比較圖。

圖5為不同預處理時間下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能比較圖。

圖6為不同初始NO₃^--N濃度下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能比較圖。

圖7為煙氣脫硝生物過濾系統示意圖，鼓風機1、填料床2、支撐板3、循環液4、加熱套5、循環泵6。

圖8為在真實煙氣環境下玉米葉水解液作為反硝化碳源的脫硝性能。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述，但本發明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數，可參照常規技術進行。

實施例1：菌種的馴化

將玉米葉粉碎，加堿量為0.03mol/L，玉米葉與水的固液比為90g/L，在40℃下靜置24h。將不含碳源的反硝化培養基成分加入其水解液中，滅菌后以10％體積比的接種量加入螯臺球菌TAD1于其中，在初始溫度為50℃，160rpm的振蕩培養箱培養12h，然后移取10mL菌液至含90mL以玉米葉水解液為唯一碳源的反硝化培養基中，重復上述步驟三次。取0.1mL的菌液后加入無菌生理鹽水稀釋至10^-1梯度的菌液，然后從10^-1梯度的菌液中取0.1mL并稀釋至10^-2梯度的菌液，如此類推制備出10^-1～10^-8不同梯度的菌懸液，分別取0.1mL涂布至反硝化固體培養基，其中10^-4～10^-6做三個平行樣，在恒溫恒濕培養箱中放置24h。從平板上挑取能以玉米葉水解液為唯一碳源進行好氧反硝化的TAD1菌株，保存于甘油管中。

實施例2：玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能測定

1、不同玉米葉粉碎粒徑下其水解液作為反硝化碳源的性能

考察不同的粉碎粒徑對玉米葉釋碳性能的影響，以及菌株TAD1利用其作為碳源進行好氧反硝化的情況，粒徑10～20目、20～40目、40～80目、80目及更細，并以不經粉碎的玉米葉(10～20mm)作為對比。具體操作步驟如下：

保持預處理的其他條件不變，加堿量為0.03mol/L，玉米葉與水的固液比為90g/L，溫度為40℃，處理24h后得到水解液。將不含碳源的反硝化培養基成分加入90mL的玉米葉水解液中，滅菌后加入10mL活化后TAD1的菌液于其中，在初始溫度為50℃，160rpm的振蕩培養箱培養12h。

測定預處理24h后的玉米葉水解液的COD，取接種TAD1后0h和12h的樣檢測硝酸氮、亞硝酸氮，結果如圖1所示，隨著玉米葉粒徑不斷減少，水解液中的COD不斷增高，最高達20.53g/L。但是玉米葉粒徑越小，吸水率越高，水解液中含水量越低，COD也會因此上升。硝酸鹽去除率在20～40目粒徑時達到峰值78.70％，所利用的玉米葉COD濃度為10.65g/L。在粒徑為10～20目時，COD為5.90g/L，NO₃^--N去除率為75.08％，與最大值相差不遠。雖然在5種不同粒徑下培養12h后的NO₂^--N積累不超過5.88mg/L，但是NO₂^--N比NO₃^--N對生物有更嚴重的危害。NO₂^--N濃度先減少后增加，在粒徑為10～20目、20～40目時沒有亞硝酸鹽的積累。由此可見，COD的增加與反硝化率并不是正相關。這可能由于粒徑越小，比表面積越大，玉米葉更能充分被NaOH水解，從而更進一步分解木質纖維素，但是粒徑太小的玉米葉可能更徹底分解為一些碳水化合物，它們并不能有效促進TAD1的生長。另外，粉碎粒徑越小，成本越高。因此，從經濟角度考慮，10～40目的粒徑可以幫助玉米葉釋放出合適的碳源供TAD1利用進行好氧反硝化。

2、不同NaOH濃度下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能

玉米葉粉碎粒徑為10～40目，玉米葉與水的固液比為90g/L，預處理溫度為40℃，預處理時間為24h，設置NaOH濃度為0、0.005、0.01、0.02、0.03和0.04mol/L。接種10mL菌液進入90mL的含反硝化培養基成分的玉米葉水解液中，在初始溫度為50℃，160rpm的振蕩培養箱培養12h，考察NaOH濃度對釋出COD和TAD1利用其水解液作碳源進行好氧反硝化的影響。

測定預處理24h后的玉米葉水解液的COD，取接種TAD1后0h和12h的樣檢測硝酸氮、亞硝酸氮，結果如圖2所示，玉米葉中的內源微生物如纖維素降解菌會有助于玉米葉溶出小分子有機碳，但高堿度可能抑制這些微生物的生長，使水解液中的COD降低。在六種不同NaOH濃度處理后的水解液的COD值均大于9g/L，但NO₃^--N去除率卻有顯著的差異，說明當NaOH高于0.01mol/L時，水解液中的有機碳并不適于TAD1利用，從而降低NO₃^--N去除率。在不同NaOH濃度處理后的水解液作為碳源時，均沒有NO₂^--N的積累。因此，0.01mol/L的NaOH濃度是預處理的最優條件。由于預處理所需的堿濃度很低，預處理的費用大大節省。

3、不同固液比下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能比較

粉碎粒徑為10～40目，NaOH濃度為0.01mol/L，預處理溫度為40℃，預處理時間為24h，設置玉米葉與水的固液比分別為30、45、60、75、90g/L。接種10mL菌液進入90mL的含反硝化培養基成分的玉米葉水解液中，在初始溫度為50℃，160rpm的振蕩培養箱培養12h，考察固液比對釋出COD和TAD1利用其水解液作碳源進行好氧反硝化的影響。

測定預處理24h后的玉米葉水解液的COD，取接種TAD1后0h和12h的樣檢測硝酸氮、亞硝酸氮，結果如圖3所示，COD與固液比呈正相關。NO₃^--N去除率在比為60g/L時達到最大值89.81％(此時COD為9.27g/L)，當固液比進一步增加時，NO₃^--N去除率并沒有隨之提高。在不同固液比處理后的水解液作為碳源時，NO₃^--N去除率均高于83％，但是當固液比為30g/L時，12h后NO₂^--N濃度高達32.50mg/L，而其他固液比下均沒有NO₂^--N的積累，表明30g/L不足以使玉米葉釋出足夠的有機碳供給TAD1進行好氧反硝化。因此，60g/L的固液比是最適宜的預處理條件。

4、不同預處理溫度下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能比較

粉碎粒徑為10～40目，NaOH濃度為0.01mol/L，玉米葉與水的固液比為60g/L，預處理時間為24h，設置預處理溫度為30、35、40、45、50、55、60℃，接種10mL菌液進入90mL的含反硝化培養基成分的玉米葉水解液中，在初始溫度為50℃，160rpm的振蕩培養箱培養12h，考察溫度對玉米葉溶出COD和TAD1利用其水解液作碳源進行好氧反硝化的影響。

測定預處理24h后的玉米葉水解液的COD，取接種TAD1后0h和12h的樣檢測硝酸氮、亞硝酸氮，結果如圖4所示，COD隨著溫度的增加先上升后下降，在40℃時達到最大值10.82g/L。NO₃^--N去除率在30～45℃時并沒有明顯差別，均高于90％。但是在30℃和40℃下，12h后NO₂^--N分別積累了3.2mg/L和3.0mg/L，而預處理溫度高于40℃時并沒有亞硝酸鹽的存在。這可能是由于有能力把玉米葉分解為可被TAD1所利用的有機碳源的內源微生物適宜在40～45℃下生長，溫度高于45℃抑制這些微生物的生長，COD和NO₃^--N去除率均急劇下降。因此，從經濟角度考慮，40℃是最適宜的預處理溫度。

5、不同預處理時間下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能比較

粉碎粒徑為10～40目，NaOH濃度為0.01mol/L，玉米葉與水的固液比為60g/L，預處理溫度為40℃，設置預處理時間為6、12、18、24、30、36、48h，接種10mL菌液進入90mL的含反硝化培養基成分的玉米葉水解液中，考察溫度對玉米葉溶出COD和TAD1利用其水解液作碳源進行好氧反硝化的影響。

測定預處理后的玉米葉水解液的COD，取接種TAD1后0h和12h的樣檢測硝酸氮、亞硝酸氮，結果如圖5所示，COD隨著預處理時間先增加后減少，在18h達到峰值11.03g/L，當預處理時間超過24h后COD急劇下降。NO₃^--N去除率最大值為92.02％出現在24h的預處理時間，雖然48h的NO₃^--N去除率為85.82％，但是NO₂^--N積累了9.80mg/L。以上現象是由于時間過短不足以溶出適量的可供TAD1所利用的有機碳，而時間過長就會有機碳會被內源微生物消耗，因此預處理時間過短或過長都會造成不完全反硝化。經過合適的預處理時間后，玉米葉會分解一些可生物利用的小分子有機碳，同時一些內源微生物如纖維素降解菌會分解難降解的木質纖維素使其轉化為可被TAD1所利用的碳源。因此，24h的預處理時間可以使玉米葉水解液中富含易被TAD1利用的碳源。

6、不同初始NO₃^--N濃度下玉米葉水解液作為反硝化碳源的性能比較

粉碎粒徑為10～40目，NaOH濃度為0.01mol/L，玉米葉與水的固液比為60g/L，預處理溫度為40℃，預處理時間為24h。初始NO₃^--N濃度為100、150、200、250、300mg/L，保持玉米葉濃度不變，接種10mL菌液進入90mL的含反硝化培養基成分的玉米葉水解液中，考察不同初始NO₃^--N對玉米葉水解液作為反硝化碳源的影響。

測定預處理24h后的玉米葉水解液的COD，取接種TAD1后0h和10h的樣檢測硝酸氮、亞硝酸氮，結果如圖6所示，在初始NO₃^--N為0～250mg/L時，硝酸鹽去除率和反硝化率都與濃度呈正相關，最大值在250mg/L時獲得，分別為96.91％與24.55mg/(L h)。而當濃度為300mg/L時，處理10h后，NO₃^--N去除率為96.61mg/L，但伴隨著17.05mg/L的亞硝酸鹽積累，處理12h后亞硝酸鹽消耗殆盡，反硝化率為24.32mg/(L h)。玉米葉水解液碳源的反硝化性能比傳統碳源高效可能是玉米葉水解后有各種各樣可利用的糖類以及有機酸類碳源為微生物提供電子供體，使其代謝活動更加旺盛，在短時間內進入對數生長期，快速利用氮源達到脫氮的目的。

實施例3：玉米葉水解液碳源用于真實煙氣脫硝處理

利用生物滴濾塔在50℃左右進行脫除NO_x的實驗。生物過濾系統如圖7所示，鼓風機1、填料床2、支撐板3、循環液4、加熱套5、循環泵6。將玉米葉水解液作為碳源，并加入反硝化培養基組分于其中，用作生物濾塔掛膜期循環液的營養組分，考察系統在實際煙氣波動的情況下運行的穩定性。

每天更換一次含10％新鮮TAD1的營養液，待硝酸鹽去除效率提高至80％后，逐漸降低營養液中硝酸鹽的濃度并通入煙氣，最終營養液中停止加入硝酸鹽并通入煙氣。2周后便形成成熟的生物膜，說明TAD1快速利用玉米葉水解液碳源生長。煙氣流速為1L·min^-1，停留時間為70s。實際煙氣波動較大，進口NO在350ppm～600ppm范圍內波動。由于煙氣波動較大，從通入煙氣后使用煙氣分析儀每天測定一次NO_x含量，7天計算一次平均值，以周為單位考察玉米葉水解液碳源用于真實煙氣脫硝的性能，結果如圖8所示，NO_x去除率由第一周的45.3％上升至第5周的88.4％，然后在第6周稍有下降，為85.2％，第7周又上升至91.5％。另外，從第4周開始系統運行進入穩定期，去除率維持在84.9～92.3％之間,說明玉米葉水解液能為好氧反硝化菌提供充足的碳源，使此生物滴濾塔在煙氣波動條件下能有效去除NO_x。

該實例證明在實際煙氣波動條件下，玉米葉水解液碳源對于真實煙氣生物脫除NO_x有較好的效果。

實施例4：玉米葉水解液碳源用于填埋場滲濾液脫氮處理

將該玉米葉水解液反硝化碳源用于某填埋場滲濾液的脫氮處理。廢水進水NO₃^--N為320mg/L，BOD₅/N僅為0.3，水溫在30℃左右，處理工藝為生物曝氣濾池。

由于廢水中BOD₅嚴重不足需要大量的外加碳源為微生物提供電子供體。加入玉米葉水解液作為反硝化碳源，調節廢水pH至8左右，將TAD1按1％的接種量添加到曝氣生物池中，處理后平均NO₃^--N為9.1mg/L，去除率為97.2％，并且沒有亞硝酸鹽積累。相比于此前工藝所利用的傳統碳源——甲醇，玉米葉水解液作為反硝化碳源縮短一半的水力停留時間，而且節省了成本。由于處理后廢水含有較低色度，加入活性炭以吸附去除色度。玉米葉水解液反硝化碳源明顯提高了系統的脫氮效率，該玉米葉水解液能應用于低成本處理高硝氮廢水。

實施例5：玉米葉水解液碳源用于污泥中溫消化上清液脫氮處理

將該玉米葉水解液反硝化碳源用于某污水處理廠的污泥中溫消化上清液的脫氮處理。廢水進水NO₃^--N約為100mg/L，NH₄⁺-N約為600mg/L，COD/N約為0.5～2，其中只有20％的COD具有生物可降解性，水溫在35℃左右。

由于廢水中可生物降解的碳源嚴重不足需要大量的外加碳源為微生物提供電子供體。加入玉米葉水解液作為反硝化碳源，調節廢水pH至8左右，將TAD1按2％的接種量添加至曝氣生物濾池中，處理后平均NO₃^--N為6.3mg/L，去除率為94.7％，并且沒有亞硝酸鹽積累。NH₄⁺-N為16.8mg/L，去除率為97.2％。與以甲醇、乙醇為碳源的工藝相比，玉米葉水解液作為反硝化碳源縮短超過一半的水力停留時間，而且碳源費用也大為降低。玉米葉水解液反硝化碳源明顯提高了系統的脫氮效率與運營成本，該玉米葉水解液能應用于處理高氨氮廢水。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。