生物炭改性曝气垂直流人工湿地强化低C/N比生活污水脱氮研究外文翻译资料

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生物炭改性曝气垂直流人工湿地强化低C/N比生活污水脱氮研究

Xu Zhou , Xuezhen Wang, Hai Zhang , Haiming Wu

摘要

近年来，间歇式曝气的垂直流人工湿地（VFCWs）被证明是一种高效的污水处理技术，可以提高有机物和氮的去除率。然而，处理低碳源废水的脱氮效果差是VFCWS的一个问题。本研究中，采用间歇曝气和生物质热解制得的生物炭对低C / N比生活污水进行脱氮处理。采用无曝气无生物炭VFCW、无曝气有生物炭VFCW、有曝气无生物炭VFCW、有曝气有生物炭VFCW等四种体系，并对其处理性能进行了比较。结果表明，添加生物炭的曝气VFCW,COD( 94.9 % )、NH₄ -N( 99.1 % )、TN( 52.7 % )的去除率较高，N₂O(60.54mu;g.m^-2.h^-1)排放量较低。结果表明，间歇曝气生物炭处理低C / N废水是一种有效、适宜的处理方法。结果表明：添加生物炭的间歇曝气生物处理工艺是处理低C/N比废水的一种有效的、适宜的技术方法。

闪光点

生物炭间歇曝气对低C/N比废水具有较好的效果。对COD ( 95 % )、NH₄ - N ( 99 % )和TN ( 53 % )的去除率较高。生物炭可以降低间歇曝气法（VFCWs）中N₂O的排放。

图形摘要

关键词

人工湿地、间歇曝气、生物炭、脱氮、氧化亚氮

1.引言

水体中过量氮排放会导致严重的环境问题，如富营养化，导致水质恶化和水生生态系统退化。(Li et al., 2014; Fan et al., 2016)人工湿地作为一种新型的废水处理技术，因其成本低、操作简单、能耗低等特点而得到广泛应用 (Kadlec and Wallace, 2008; De Rozari et al., 2016).在不同类型人工湿地中，垂直流人工湿地(VFCWs)由于其占地面积小(Zhang et al., 2009)，废水净化效率高(Jia et al., 2010)，而作为一种潜在的替代污水处理方法。尤其是，将间歇曝气技术应用于VFCWs是去除含氮化合物的好方法(Coban et al., 2015).硝化作用和反硝化作用被认为是去除曝气垂直流人工湿地中氮的最有效途径（Ding et al., 2014）。硝化作用是通过硝化细菌将氨氮（NH₄ -N）转化为硝态氮（NO3-N）的过程，硝化强度取决于曝气模式的溶解氧（DO）含量（Langergraber,2005）。反硝化过程是将NO3-N转化为氮气（N2）或一氧化二氮（N₂O），这取决于来自流入物的碳源，并且碳源可以为该过程提供电子供体（Tanner and Kadlec, 2003） 。此外，反硝化作用是总氮（TN）去除最重要的过程（Sirivedhin and Gray，2006; Vymazal，2007）。因此，VFCWs中的间歇曝气不仅能显着增强有机污染物和NH₄ -N的去除，而且还能为硝化和反硝化过程提供适当的好氧和缺氧条件，从而提高TN去除率（Wu et al., 2015）。虽然曝气VFCWs可以提供足够的溶解氧，从而促进硝化作用，但当废水中碳源不足时，会抑制反硝化细菌的反硝化作用（Shen et al., 2015）。以前的研究表明，增加水体碳源的方法有很多，其中一种解决方法是将外部碳源加入水中（He et al., 2016）。然而，添加比例是不确定的，添加不适当量的碳源可能会导致无穷无尽或过量的反硝化作用，从而影响TN的去除（Boley et al., 2000）。

最近，越来越多的文献关注生物炭作为一种新型的污水处理改良剂。生物质炭是生物质在缺氧和厌氧条件下高温热解产生的富碳固体产物( Manyagrave;,2012 )。 生物炭由于其特殊结构而具有许多优点，除了改善碳固存之外。 biocharmakes的主要特性之一是其吸收吸引力，可用于有效吸收污染水和土壤中的重金属。 此外，向水体添加生物炭可以改善水质，并减少温室气体排放（McHenry，2009）。生物炭的主要特性之一是具有吸附作用，可有效吸附污染水体和土壤中的重金属。此外，在水体中添加生物炭可以改善水质，减少温室气体排放( McHenry, 2009)。

近年来，对曝气垂直流人工湿地或生物炭进行了大量的研究（Wu et al., 2015; Song et al.,2014; Fan et al., 2016）。 然而，在碳源不足的情况下，联合间歇曝气垂直流人工湿地和生物炭提高污水TN去除率的研究很少。因此，本研究的假设是间歇曝气垂直流人工湿地添加生物炭可以增强硝化和反硝化作用。 一方面，曝气垂直流人工湿地可以提供足够的溶解氧，这可以促进硝化细菌将NH₄ -N氧化成硝态氮。 另一方面，生物炭的添加可以提供必需的碳源，以便反硝化细菌可以使用它将硝态氮还原成N₂或N₂O。 而且，使用生物炭可以减少温室气体排放。

本研究的主要目的是: ( 1 )研究间歇曝气垂直流人工湿地添加生物炭对低碳源生活污水中有机物和氮的去除效果；( 2 )分析四种不同垂直流人工湿地系统中有机物和氮的转化以及N₂O排放的变化。所得结果可为曝气生物炭垂直流人工湿地技术处理低C / N比废水提供更深入的认识。

2.材料和方法

2.1研究场地及实验系统

四种微生态垂直流人工湿地系统在在西北农林科技大学实验室同时建立并并行运行（湿地a：无生物炭无曝气；湿地b：无曝气有生物炭cw；湿地c：无生物炭间歇曝气；湿地d：间歇曝气有生物炭）。图S1展示了四种微生态垂直流人工湿地系统结构的示意图。每个微系统都高65 cm直径20 cm，由聚乙烯塑料制成的。每个微系统的床架结构分为两层，上层为15cm厚的洁净沙子，下层为50cm厚的沙砾。为提高曝气率，砾石粒径从上而下逐渐增大。出水区10cm填充粗砂砾（= 5-7cm）。中间处理区包含25cm中等粒径砾石层（= 2-4cm）。顶部包含15cm相同粒径的细砾石（= 1-2cm）和生物炭（ = 1-2cm）。生物炭和细砾石的混合比例为1：1。将垂直穿孔PVC管(长66 cm，直径3 cm )插入VFCWs中心的基质中，以原位测量DO、pH、温度等物理和化学参数。在每个微VFCW系统的顶部有一个凹槽，用于取样气体的水封。在VFCWs（湿地C和D）底部安装多孔空气鼓泡器供氧。

每个VFCWs系统以每系统12根的密度种植水芹。水芹的选择是基于其( 1 )较强的环境适应能力；( 2 )抗逆性强；( 3 )耐低温；( 4 )污染物去除效率高。在实验开始之前，用Hoagland溶液( Hoagland and Arnon, 1950 )培养植物以使其成熟并适应湿地条件。2周后，将植物移植到VFCWs中，并保持系统淹水约1个月，直到湿地植物建立。此时，从阳陵污水处理厂二沉池上清液中接种微生物到系统中。

生物炭由竹子制成，在500℃厌氧条件下碳化。 选择竹炭生物炭（BBC）的原因是（1）环境友好、成本低、样品可再生; （2）高效，有益的生态效应和丰富的来源（Xu et al., 2012）。 为了减少杂质的影响，在实验之前清洗生物炭。 该实验于2016年10月开始，历时约4个月。 整个实验期间空气温度为14-24℃。

2.2实验进水特性

为了最小化实验的可变性，本研究使用自来水制备合成废水溶液。进水由178.13 mg·L^-1 蔗糖、188.57 mg·L ^-1硫酸铵、21.94 mg·L ^-1 磷酸二氢钾、10 mg·L ^-1硫酸镁、10 mg·L^-1 硫酸亚铁和10 mg·L^-1氯化钙组成。影响因素的特性如表1所示。合成水的原始pH约为7.4plusmn;0.3，不需要进一步调整。基于先前的研究( Wu et al., 2015 )，所有微系统的水力停留时间( HRT )为72h。系统C和系统D每天以1.0L·min ^-1的气流速率间歇曝气4h (时刻0 - 1、6 - 7、12 - 13和18 - 19 )。每个VFCWs系统在每次循环周期内容纳5.5l废水，废水从VFCWs底部的出口排出。

表1.四个实验VFCW的进水和出水浓度以及去除效率.（湿地a：无生物炭无曝气；湿地b：无曝气有生物炭cw；湿地c：无生物炭间歇曝气；湿地d：间歇曝气有生物炭

2.3采样和分析

2.3.1废水取样与分析

在每个周期中，不同系统的进水和出水的废水样品在上午8：00-9：00进行采样。样品在4℃冷藏以暂时储存直至分析。分析了DO、化学需氧量( COD )、氨氮、硝态氮、亚硝酸盐氮( NO2 - N )和总氮。同时对空气和废水温度进行同步监测。特别地，为了研究氮在一个循环周期中的转化，在系统稳定运行后选择典型循环。在典型循环中，每隔1、2、4、6、10、14、24、28、32、38、48、54、60和72h对废水进行采样，所有水质指标均按标准方法测定( APHA，2005 )。溶解氧由溶解氧测定仪(美国HQ 30d 53LEDTM HACH )原位测量，该测定仪被卡在垂直穿孔PVC管的中点。用pH计( PHSJ - 4F )测定pH值。

2.3.2温室气体取样与分析

在运行期间的每个实验周期中，每天收集一次气体样品。为确保样品在一天中具有良好的代表性，气体采样定为上午9点至10点。为了调查气体的释放和昼夜变化，特别是在早上，下午和傍晚，气体在典型周期中每天采样三次。封闭室技术被用于研究和测定N₂O。在气体采样前，将温度计和风扇安装在PVC收集箱（高40cm，直径25cm）中，并在每个VFCW上安装箱子。然后用水密封箱子。完成安装后，每0,20,40,60分钟采样气体一次。另外，还同步记录了箱外和箱内的空气温度。所有样品在24小时内通过气相色谱仪（GC，Agilent Technologies 7890B

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