缺氧-好氧序批式反应器中的硝化作用 与好氧反硝化作用外文翻译资料

缺氧-好氧序批式反应器中的硝化作用

与好氧反硝化作用

原文作者：Juan C. Alzate Marin^a，*, Alejandro H. Caravelli^a,

Noemiacute; E. Zaritzky^a，b

a：Centro de Investigacioacute;n y Desarrollo en Criotecnologiacute;a de Alimentos (CIDCA), CCT-La Plata-CONICET, Facultad de Ciencias Exactas, UNLP, 47 y 116, B1900AJJ La Plata, Argentina

b：Facultad de Ingenieriacute;a, UNLP, 48 y 115, B1900AJJ La Plata, Argentina

摘要：这项研究的目的是评估使用暴露于缺氧/好氧（AN/OX）相的实验室规模的分批反应器（SBR）去除氮（N）的可行性，重点是实现好氧脱氮。此过程将最大限度地减少N₂ O温室气体的排放。研究了不同操作参数对反应器性能的影响：循环持续时间，AN/OX比，pH，溶解氧浓度（DOC）和有机负荷。在pH = 7.5，有机负荷低（440 mgCOD/（L·天））和12小时循环提供高曝气，AN/OX比= 0.5：1.0的条件下，可获得最高的无机氮去除率（NiR），接近70％。 DOC高于4.0 mgO₂/ L。在好氧阶段进行了硝化处理，然后进行了高速率的有氧反硝化处理。有氧反硝化作用可归因于使用聚羟基链烷酸酯/糖原储存的糖原蓄积生物的表型形成生物（TFO）。拟议的AN/OX系统构成了一种环保的N去除工艺，提供N₂作为最终产品。 这项研究的目的是评估使用暴露于缺氧/好氧（AN/OX）相的实验室规模的分批反应器（SBR）去除氮（N）的可行性，重点是实现好氧脱氮。此过程将最大限度地减少N2 O温室气体的排放。研究了不同操作参数对反应器性能的影响：循环持续时间，AN/OX比，pH，溶解氧浓度（DOC）和有机负荷。在pH = 7.5，有机负荷低（440 mgCOD /（L·天））和12小时循环提供高曝气，AN/OX比= 0.5：1.0的条件下，可获得最高的无机氮去除率（NiR），接近70％。 DOC高于4.0 mgO₂/ L。在好氧阶段进行了硝化处理，然后进行了高速率的有氧反硝化处理。有氧反硝化作用可归因于使用聚羟基链烷酸酯/糖原储存的糖原蓄积生物的表型形成生物（TFO）。拟议的AN/OX系统构成了一种环保的N去除工艺，提供N ₂作为最终产品。

关键词：缺氧-好氧序批式反应器为脱氮提供了一个良好的环境；硝化和好氧反硝化可被认为是⼀种生态友好的过程；高氧浓度和延长的好氧期有利于脱氧；缺氧-好氧机制有利于糖原积累生物的生长；有氧反硝化作用归因于糖原积累生物

1.介绍

生物营养去除（BNR）是满足严格排放要求的最经济和可持续的技术（Xu等人，2013）。生物脱氮（N）涉及两个过程：硝化和脱氮。硝化作用是由自养细菌进行的好氧过程，其中氨（NH₃）被氨氧化细菌（AOB）氧化成亚硝酸盐，然后亚硝酸盐将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。氧化细菌（NOB）。脱氮是异养细菌利用亚硝酸盐或硝酸盐作为电子受体进行的缺氧过程。反硝化几乎完全在兼性厌氧或微需氧条件下发生； 但是，在高溶解氧浓度（DOC）下可以实现完全脱氮。 好氧反硝化（ADN）可以在曝气反应堆中提供多种优势（Ahn，2006）。

在大多数BNR系统中，缺氧阶段位于好氧区的上游，称为缺氧前配置，例如：缺氧/缺氧（AN/OX）过程。为了使硝酸盐或亚硝酸盐进入缺氧区，需要较高的混合液再循环率。基于缺氧后脱氮的系统将缺氧池置于需氧池的下游，因此不需要将混合液从需氧池再循环至缺氧阶段。但是，含氧/缺氧（OX/AN）系统通常会导致化学需氧量（COD）的总消耗；因此，应提供外源碳源进行缺氧后的脱氮。缺氧后的脱氮也可能由碳储量（如聚羟基链烷酸酯（PHAs）和糖原）驱动（Coats等，2011）。可以在低DOC的情况下同时进行硝化和反硝化（SND）（Zeng等，2003）

OX/AN，AN/OX和SND工艺也有缺点。在OX/AN系统中，通过在开放的缺氧盆中混合而转移氧气而产生的微需氧条件可对脱硝率产生抑制作用（Ploacute;sz等，2003）。在AN/OX系统中，DO从好氧区返回缺氧盆地的现象大大增加了这个问题。另外，在低O₂浓度下，N₂O可能是反硝化作用的最终产物，而不是N₂。这种现象主要发生在采用SND工艺的间歇式反应器（SBR）中，亚硝酸盐的积累（gt; 1 mg/L）似乎会触发N₂O的产生，而在较高的水平下也可能会抑制脱氮率（Zeng等，2003）

N₂O是一种温室气体，可将热量捕集到大气中。在完全缺氧的条件下，异养脱氮会产生N₂O排放（Tallec等，2008）。在存在氧气的情况下，较高的N₂O产生量主要是由于两个原因：首先，氧气会抑制一氧化二氮还原酶的活性，导致N₂O的积累（von Schulthess等，1994）。其次，在低DOC的情况下，氮通过亚硝酸盐去除，即铵被氧化为亚硝酸盐，而亚硝酸盐则被AOB脱氮成N₂/ N₂O（Kampschreur等，2009）。硝化反硝化作用主要是由于O₂限制而增加了N₂O的排放（Kampschreur等，2009）。据报道，在0.4 mgO₂/L的条件下，较高的N₂O排放量，而在该浓度以上，则观察到较低的排放量（Tallec等，2008）。

为了使N₂O的排放最小化，在高氧浓度下通过耦合硝化-脱氮过程去除N的研究还不够充分。在这个系统中，硝化剂和好氧反硝化细菌可以被富集。厌氧/有氧（ANA/OX）过程可以丰富两种生物：聚磷酸盐累积生物（PAO）和糖原累积生物（GAO）（Mino 等，1998），它们能够在内部存储碳作为PHA和糖原。反硝化PAO（DPAO）和反硝化GAO（DGAO）能够使用PHA/糖原作为碳源进行反硝化。

PAO负责增强生物除磷（EBPR）。PAO可在厌氧条件下转化细胞内PHA中的挥发性脂肪酸（VFA）。为此，将多磷酸盐（poly-P）和糖原的细胞内颗粒分别用作能源和降低功率。在有氧阶段，PHA用于维持，细胞生长以及糖原和多聚P的补充（Oehmen等，2007）。 GAO能够在没有氧气的情况下吸收VFA，并将其存储为PHA，使用糖原作为能量来源而非多聚P（Muszynacute;ski等，2013）。由于没有合成Poly-P，因此预计GAO的碳和能量储备更高，如PHA和糖原。基于此分析，假定可以使用富含硝化剂和DGAO的ANA/OX系统进行N去除。

氧化还原电位（ORP）是溶液接收或给予电子的能力的量度，分别指示氧化或还原环境。厌氧多磷酸盐分解的ORP值通常在50至200 mV之间，而 50至 150 mV被认为是有氧磷吸收的范围（WEF，2013）。氧化环境不利于选择PAO，因为GAO是可能在污泥中富集的微生物。本研究的目的是评估使用暴露于缺氧/缺氧相的生物系统实现脱氮的可行性，DOC高于有氧期间为1.0 mg/L。为此，分别使用以乙酸盐和硫酸铵作为碳源，能量源和氮源的SBR，着重于在有氧阶段实现完全硝化然后好氧脱氮。为了避免亚硝化反硝化产生N₂O，控制了亚硝酸盐的产生。监控ORP有利于GAO而不是PAO的增长，因此，大量的细胞内碳和能量储备可用于进行脱氮过程。在不同的操作条件下进行了实验：（i）低充气和低有机负荷，（ii）低充气和高有机负荷，（iii）高充气和低有机负荷。研究了诸如循环持续时间，AN/OX比，pH，DOC和有机负荷等操作参数对SBR性能的影响。

2.方法

2.1活性污泥反应器及运行条件

实验容量为1.2L的实验室规模的SBR运行了10个月。 SBR用CIDCA实验室规模的活性污泥厂中的非EBPR污泥播种。 SBR的连续循环包括以下阶段：反应阶段为缺氧和好氧，生物质沉降，最后吸出上清液。除了在沉降和拉伸期间外，用塔顶混合器以100rpm的搅拌速度将反应器完全混合。

通过数据采集和控制系统（DACS）自动控制阶段的持续时间，混合器的开/关控制，供气，蠕动和排泄蠕动泵以及关键参数（pH，温度和DO）。该系统是在CIDCA的电子实验室开发的。用pH探针（美国德克萨斯州休斯顿的菲尼克斯）测量pH。通过反应器底部的多孔扩散器间歇地引入空气。溶解氧浓度通过DO探针（Ingold Mettler Toledo，Urdorf，瑞士）测量，并通过DACS表示为氧饱和度百分比（OSL）。

用净水非稳态方法测量了SBR中的氧气转移系数（k_La，h-1）（AlAhmady，2006）。 k_La是好氧废水处理以及需要厌氧或缺氧条件时的重要参数。该测试包括通过添加硫酸钠除去一定量水中的溶解氧。当反应器中的DOC达到0 mgO₂/L时，曝气打开到饱和水平。在通气期间的几个点测量DOC。SBR中的k_La通过以下公式的积分来测量：

(1)

其中OTR为氧气传输速率（mgO₂/L·h），DOC *为工作温度下水中氧气的饱和浓度（mgO₂/L），DOC为时间的溶解氧浓度（mgO₂/L）（ t）。对于DOC *和DOC之间的差异，给出了氧气转移过程的驱动力。

k_La是在100 rpm的搅拌速率，标准温度（20℃）和不同的曝气速率（vvm，L /（L·h））的范围为0.2至2.3 L /（L·min）。

在SBR的工作温度（25°C）下，氧气的传质速率可以估算如下（Al-Ahmady，2006）：

(2)

在存在微生物的情况下，氧气吸收率（OUR，mgO2 /（L h））由以下表达式确定：

(3)

其中qO₂是特定的氧气吸收率（mgO₂ /（mgCOD_B h）） X为生物质浓度（mgCOD_B/L）。存在生物质时DO的质量平衡可表示为：

(4)

在不同的操作条件下进行了三个实验：（i）低曝气和低有机负荷（实验A），（ii）低曝气和高有机负荷（实验B）和（iii）高曝气和低有机负荷（实验C） ）。其中OTR由公式确定（1）。

图1 实验室规模的序批式反应器（SBR）的示意图

表1 实验期间的操作条件

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