短程硝化和厌氧氨氧化工艺：一种用于处理高强度光电工业废水的方法外文翻译资料

短程硝化和厌氧氨氧化工艺：一种用于处理高强度光电工业废水的方法

原文作者 Achlesh Daverey ^a, Sin-Han Su ^a, Yu-Tzu Huang ^b, Shiou-Shiou Chen ^b, Shihwu Sung ^c, Jih-Gaw Lin ^a,*

摘要：亚硝酸盐的完全自养脱氮（CANON）工艺是用一个18 L的序批式反应器（SBR）来处理含有高浓度氨氮（3712plusmn;120 mgNH₄ -N）的光电工业废水，在容积负荷为909 g N m^minus;3 d^minus;1、水力停留时间为4天时，总氮和NH₄ -N的去除率分别约为89%和98%。CANON工艺的巨大改革表现为高DO（超过1mg·L^-1）曝气和高亚硝酸盐（超过100 mg L^-1）浓缩，其中高DO曝气的抑制作用是可逆的，而亚硝酸盐、游离氨和游离亚硝酸的协同抑制作用是不可逆的。反应器温度在17℃和37℃之间的​波动不会影响CANON系统的性能。CANON能在高氮负荷下稳定控制超过一个月，通过PCR分析可以检测到好氧和厌氧性氨氧化细菌共存于反应器中。第487天时，通过qPCR检测分析发现厌氧氨氧化菌的数量在258天内增加了约5倍。

关键词：光电废水；厌氧氨氧化；短程硝化；序批式反应器。

1 引言

由于氮对环境存在潜在威胁，故如何从废水中去除氮的研究获得了很大的关注。一般来说，如硝化-反硝化和厌氧氨氧化（anammox）之类的生物方法常被用于去除废水中的氮。在这些方法中厌氧氨氧化工艺已经普遍应用于工业废水，因为它以亚硝酸盐作为电子受体（van Graaf 等人， 1996）直接将氨转换成氮气，是一种去除氨的快捷循环方式。与传统的工艺（硝化-反硝化）相比，用厌氧氨氧化工艺去除污水中氮具有许多优点，因为它是一个单一的反应器中厌氧自养系统，消耗较少的能量，也不需要添加额外的碳源（Siegrist等人，2008； van Graaf等，1996）。然而，这个过程取决于可用的亚硝酸盐，这实际上是一种不常见的废水，而另一方面亚硝酸盐还可以通过短程硝化过程产生。因此，在一个单一反应器中，结合短程硝化作用，兼有厌氧氨氧化菌和好氧氨氧化菌（AOB）的厌氧氨氧化反应，可以克服传统厌氧氨氧化过程中的缺点。这个过程就被称为亚硝酸盐的完全自养脱氮（CANON） (Sliekers 等， 2002；Third 等，2001)。在这个过程中，首先在低浓度氧气的条件下，氨在AOB作用下部分转化成亚硝酸盐（式（1））；其后，厌氧氨氧化菌将氨和亚硝酸盐转化为为氮气（式（2））。CANON工艺的总化学计量式如（3）所示（Strous，2000）。

1NH₃ 1.5O₂→NO₂^minus; H₂O H （1）

1NH₃ 1.3NO₂^minus; H →1.02N₂ 0.26NO₃^minus; 2H₂O （2）

1NH₃ 0.85O₂→0.11NO₃^minus; 0.44N₂ 1.43H₂O 0.14H （3）

由于厌氧氨氧化菌的生长速度缓慢，对于不同的反应器都有过研究，如流化床反应器（van Graaf等人，1996），序批式反应器（Strous等，1998），膜生物反应器（Trigo等人，2006）。在这些反应器中，序批式反应器（SBR）被认为是最适合厌氧氨氧化菌生长的反应器，因为其能完全滞留生物量 ，从而有效地降低细菌的倍增时间（在流化床反应器中需要30天，在SBR中只需11天）（ Strous等人，1998；van Graaf 等人，1996）。

在过去的几年里，为了满足世界各地日益对电子设备的需求，高科技产业如光电和半导体行业也快速发展起来，并在台湾经济中起着至关重要的作用。这些工业产生的废水是复杂的，危险的，这就需要在将污水排放到环境之前进行适当处理，以满足污水排放标准。由于工业废水缺乏人体必需的微量元素和营养物质，故有必要进行污水的生物脱氮。只有少数研究报道有关高科技工业废水的生物脱氮（Chen等，2003； Daverey等人，2012； Kumar等，2012）。迄今为止，没文献报道关于用CANON工艺来处理含高浓度氨氮的光电工业废水的研究。所以，目前的研究侧重于在一个18 L实验规模的SBR中应用CANON工艺对高浓度的光电工业废水进行脱氮。

2 材料和方法

2.1 序批式反应器（SBR）的实验装置和操作条件

一个SBR反应器的工作容积是18 L，是利用之前已经建好用来处理合成废水的装置，现在用来研究光电工业废水脱氮。图1（a）是SBR启动的示意图。直径为3 cm的聚氨酯球（生物载体）分别插在反应器中以提高生物量保留率，载体（合计数目100个）放置为在反应器壁表面的单层上面的空气扩散器和搅拌器上，放置在反应器中的载体的总体积为750立方厘米。在反应器中使用的液体介质的总体积为18 L，SBR以24小时为一个周期循环操作，其中进料和反应阶段为23.4小时，沉淀阶段为0.45小时，调整阶段为0.15小时。如图 1（b）所示，将培养期延长至12小时，是为了避免冲击负荷。蠕动泵和一个出水端口供给废水进入反应器，并排出上清液；DO浓度保持在低于0.5 mg L^-1，DO控制器系统（站内IG模型1000CE，LA）配备DO仪和滚针风量阀。通过使用一个恒温装置，将反应器的温度在初始94天保持在37℃，之后保持在25℃（从95天到199天和416 天到487 天。第200天至415天之间在环境温度（17.5-36℃）下运行。通过在流入的废水中投加碳酸氢钠（NaHCO₃）作为CaCO₃计，将出水的碱度控制在800〜850 mg L^-1。

图1

（a）18L序批式反应器（SBR）以及载体的配置，（b）在SBR分配的操作循环的示意图

2.2 接种污泥和饲养媒介

污泥取自处理合成废水的反应器，（Lan等人，2011）接种到SBR反应器中，用于研究发展中的CANON工艺。最初（第1天），反应器中混合液的挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）为1370 mg L^-1。在第94日，将台湾一个安全垃圾填埋场的渗滤液处理厂收集的新接种污泥接种到反应器中，反应器的MLVSS浓度增加至2800 mg L^-1。从这个垃圾填埋渗滤液处理厂的污泥可以同时检测到厌氧氨氧化菌、亚硝化类微生物和反硝化菌。此外，由于亚硝酸盐的累积会产生抑制作用，故需要排除一部分，在第306天从反应器中排出一部分污泥（16克），加入新的接种污泥（31克）以恢复反应器的性能。经过排出和补给污泥后，MLVSS的浓度约是2589 mg L^-1。进料废水是从位于台湾台南的光电产业收集而来，并储存在4℃冰箱中。废水的特性见表1。由表1可见，该废水具有强碱性（pH值9.7），富含无机氮，其中NH₄ -N（3712plusmn;120 mg L^-1）和TKN浓度（3799plusmn;9 mg L^-1）几乎是相同的。以矿质培养基和微量元素（Sliekers等人，2002）作为营养物供给废水来满足厌氧氨氧化菌的聚合和生长。矿物培养基（以mg·L^-1计）的主要成分为 KHCO₃，1250；KH₂PO₄，25；CaCl₂·2H₂O，300；MgSO₄·7H₂O，200 和 FeSO₄, 6.25。此外，NaHCO₃主要作为污水中厌氧氨氧化菌和硝化细菌的无机碳源。在将厌氧氨氧化菌引入到反应器之前，调节废水的pH值至其最佳的适应范围，即7.8-8.0。

表1 原始光电工业废水的主要特点。

2.3 微生物分析

为了识别微生物群落和量化厌氧氨氧化菌，分别在第229天（抑制反应器性能之前）、304天（抑制反应器性能期间）、487天（高脱氮率下的稳定状态）从反应器出水端口提取完全混合式悬浮生物样品，用聚合酶链反应（PCR）和定量PCR技术进行检测。有关PCR实验见之前报道（Daverey等，2012）。样品的总基因组DNA是用电源土壤DNA分离试剂盒（MO BIO实验室，美国）进行提取，DNA浓度是用基因定量光度计（Amersham Biosciences社制，匹兹堡，宾夕法尼亚州，美国）来测定。在96孔渐变掌上型基因扩增仪（科贝特研究有限公司，奥地利）上进行PCR反应，每次反应有25mu;l容积的液体，包含1mu;l的DNA模板（约50毫微克），每种引物1mu;l（10mu;M），9.5mu;l无菌水和12.5mu;l Taq酶PCR主要混合液(Genomics BioSd amp; Tech, Taiwan)。用于检测AOB、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化细菌和厌氧氨氧化菌的引物组分别是amoA-1F/amoA-2R（Rotthauwe等，1997），Nitro-1198f/Nitro1423r（Knapp和Graham，2007）和NSR-1113f/NSR-1264r（Dionisi等人，2002），nirS-1F/nirS-6R（Braker等，1998），以及AnnirS379F/AnnirS821R（Li等，2011）。针对厌氧氨氧化菌的物种特异性，引物组KS-qF3/KS-qR3用于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis（KS），而BAqF/ BAqR用于Candidatus Brocadia anammoxidans（BA）。通过琼脂糖凝胶电泳和DNA测序来确保PCR检测的结果。用于qPCR分析的引物分别是BACT1369F/PROK1492R（Suzuki等人，2000）和Amx809F/Amx1066R（Tsushima等人，2007），用于检测所述真细菌和大多数的厌氧氨氧化菌。每次反应有10mu;l容积，包含1mu;l的DNA模板（约50毫微克），每种引物（10mu;M）0.5mu;l，3mu;l无菌水和5mu;lSsoFasttrade;EvaGreenreg;Supermix的荧光染料。循环参数如下：变性30秒，95℃；40次循环5秒，95℃；退火5秒，用BACT1369F/PROK1492R时温度为54℃，或用Amx809F/Amx1066R时温度为58℃；随后是解离阶段（95℃维持15秒，65℃维持15秒，然后缓慢加热到95℃）。熔解曲线没有检测到峰值（峰值显示引物二聚体的构件物和其他非特异性PCR扩增产物的关联性），qPCR的标准曲线（见补充图S2）的 R²值总是大于0.99，琼脂糖凝胶电泳确保了 qPCR产物的特异性。

2.4 分析方法

氮化合物、TKN、悬浮固体（SS）、挥发性悬浮固体（VSS）和混合液悬浮固体（MLSS）浓度，MLVSS及碱度都是根据标准方法（APHA，1998）每周测定两次或三次。进水和出水中NH₄ -N、NO₂^--N和NO₃^{- 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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