流化床反应器中添加环状无纺布载体对厌氧氨氧化过程的性能和厌氧氨氧化生物膜对低溶解氧浓度的适应性的影响外文翻译资料

流化床反应器中添加环状无纺布载体对厌氧氨氧化过程的性能和厌氧氨氧化生物膜对低溶解氧浓度的适应性的影响

（王涛^a，张捍民^b,*，杨凤林^b）

a 环境工程，能源学院与环境工程，河北工业大学，天津300401，中国

b 工业生态与环境工程教育部，环境学院生物科学与技术，大连理工大学，大连116024，中国

关键词：厌氧氨氧化启动，流化床反应器，环状无纺布载体，低溶解氧适应

摘要：在填充有环状无纺布载体的实验室规模的流化床反应器中，厌氧氨氧化过程和厌氧氨氧化生物膜对低浓度溶解氧的适应性进行了研究。模拟废水中的NH₄ -N 和NO₂^--N分别有(NH₄）₂SO₄和NaNO₂提供，在运行的第17天开始出现厌氧氨氧化反应。经过67天的运行，厌氧氨氧化过程的总氮负荷达到5.78times;10^-2kg Nm^-3d^-1，131天后，氮的去除率达到（NRR）实现4.64times;10^-2kg Nm^-3d^-1。在严格厌氧的条件下，最大的NLR和NRR达到4.35times;10^-1kgNm^-3d^-1和3.83times;10^-1kg Nm^-3d^-1。随后，采取逐步增加溶解氧的策略，以2mgL^-1为增加梯度，增加溶解氧浓度到8mgL^-1。厌氧氨氧化生物膜表现对氧气的适应性。该反应器性能轻微受到溶解氧的影响，其中NLR和NRR分别下降7.08％和4.39％。荧光原位杂交分析进一步证实，低溶解氧条件下，厌氧氨氧化菌占总细菌的70.2%，另外，好氧氨氧化菌的量增加到8.5%，好氧氨氧化菌的增加减小了进水中溶解氧对反应器性能的影响。利用厌氧氨氧化生物膜对低溶解氧适的适应性可显著降低厌氧氨氧化过程对能量和材料的消耗。

1.介绍

近日，脱氮已经成为水污染治理的一个关键问题。城市污水中氮素污染物主要是会导致接收水体的富营养化。大体上，铵氮的去除是由两个组合工艺实现，硝化和反硝化过程。传统的两步脱氮过程是非常昂贵的，因为需要大量的氧和外加有机电子供体，特别是处理含有高浓度的含氨废水时(Du et al., 2015; Kartal et al.,2010)。因此，低成本，新的高效生物脱氮工艺吸引了越来越多的关注。

厌氧性氨氧化工艺作为一种有前景和经济有效的方法被提出，来去除含氨废水中的氨，因为无需溶解氧（DO）和外部有机物提供电子供体的较好的脱氮性能(Jettenet al., 1999; Meng et al., 2014; Tang et al., 2011)。厌氧氨氧化过程是在代尔夫特理工大学，荷兰的中试规模的反硝化生物反应器中首先发现的(Jetten et al., 1999)。厌氧氨氧化菌过程是由亚硝酸盐作为电子受体氧化氨产生氮气的过程(Strous et al., 1998; Kartal et al., 2013)。

然而，造成厌氧氨氧化菌倍增时间11天，生长速度长，因此厌氧氨氧化过程启动周期长，这也阻碍了其广泛的应用(Kuenen,2008)。为了缩短启动时间，选择反应器结构是必要的。生物膜反应器宜于启动，因为他们可以有效保留微生物(Meng et al.,2014; Tsushima et al., 2007; Zekker et al., 2012)。在生物膜反应器，流化床反应器（FBR）已被广泛接受，因为高效生物滞留，长期稳定的操作和简单的操作。

在一个流化床反应器，载体在厌氧氨氧化菌和厌氧氨氧化过程的启动中发挥重要作用。在1997年，玻璃珠被选定为在一个实验室规模的FBR首先用于厌氧氨氧化启动的载体(Strous et al., 1997a)。然而，该玻璃珠载体的应用出现一些问题，如产生氮气泡的堵塞和滞留。为了避免这些问题，有人提出一种开放型包装材料。随后的研究中，选择一种无纺布的生物质载体，以提高微生物的保留(Fujii et al., 2002; Nakajima et al., 2008; Qiao et al., 2008)。无纺布载体有效地附着厌氧氨氧化细菌，并且获得显著和稳定的厌氧氨氧化活性。一个或两个大的条带的无纺布被用作载体。经过长期的操作，在无纺布的载体上形成生物膜，较厚的生物膜以至于基质的扩散变得困难。为促进基质转移和增强无纺布载体上厌氧氨氧化性能，载体的形状和大小有待改进。

厌氧氨氧化过程必须在严格厌氧条件下进行，溶解氧（DO）的含量低于0.01mgL^-1(Strous et al., 1997b)。Ar/ CO ₂（95％/ 5％）的混合物经常用于吹脱厌氧氨氧化反应器和进水容器以保持厌氧条件。Ar/ CO ₂的冲洗导致能源和材料消耗显著增加。尽管如此，一些文献报道，少量的好氧氨氧化菌（AOB）可以与厌氧氨氧化菌共存，并消耗反应器反应器中的氧气，有利于厌氧氨氧化反应(Toh et al., 2002; Wang et al., 2011)。在厌氧氨氧化反应器，功能菌不单纯是厌氧氨氧化菌，而是一种共生关系，是由厌氧氨氧化菌为主的各种细菌的混合物。如果一定含量的AOB与厌氧氨氧化菌共存，该AOB可以消耗一定程度的DO,从而厌氧氨氧化过程可以实现。通过这种方式，厌氧氨氧化生物膜可以适应进水低浓度溶解氧。为拓宽厌氧氨氧化的适用范围，并提高其运行稳定性，厌氧氨氧化生物膜对低溶解氧浓度的适应性可用于一些通常包含DO的实际废水（如农业污水，水产养殖污水和食品加工废水）。

本研究旨在FBR中使用一种小的环状无纺布作为载体，研究厌氧氨氧化过程的启动和运行过程以及厌氧氨氧化生物膜对低溶解氧的适应性。小片与环状的无纺布载体用于提高反应器性能。逐步增加溶解氧浓度的策略应用于厌氧氨氧化生物膜的对于变化DO浓度的适应。进行监测反应器的脱氮性能，进行FISH分析，以检测厌氧氨氧化菌和AOB，并分析生物膜的微生物群落结构。这项研究预计将提供有关治疗的实际废水厌氧氨氧化用于工业应用的信息。

2.材料与方法

2.1反应器和载体

厌氧氨氧化过程的反应器为实验室规模的FBR（图1a）。圆筒形反应器的工作体积为2.6升，配备有一个恒温夹套保持35^◦C。为防止厌氧氨氧化细菌因为光线和藻类生长产生不利影响，反应器和进水容器密封和避光，以保持厌氧条件。，填充在反应器中的小型环状无纺布载体是由大连理工大学自主设计（图1b）。载体外径为2.5厘米和厚度约为3毫米。该载体具有以下优点：（1）从厌氧氨氧化反应所产生的氮气可以从载波之间间隙排出；（2）氮气流动可以提高基质在的生物膜上传质速率；（3）无纺布多孔的结构可以实现较好的微生物的保留。

2.2生物质来源

种子污泥是从中国的清水河污水处理厂中好氧活性污泥和从实验室规模的A/O反应器中硝化活性污泥等比例混合物。在反应器中观察到同步硝化反硝化（SND）过程进行脱氮。接种污泥的初始特性如下：混合液体悬浮固体（MLSS）2.06g/L，混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）1.37g/L，MLVSS/MLSS 66.5％。

2.3 模拟废水

模拟废水是以厌氧氨氧化菌的培养基为基础配置（范德格拉夫等，1996）。在运行的3个阶段中基质的组成如表1。NH₃-N和NO₂ 以(NH₄)₂SO₄和NaNO₂形式按照所需量加入到无机介质中。微量元素溶液为（g / L）（Strous等，1999）：EDTA 15,ZnSO₄·7H₂O0.43, CoCl₂·6H₂O 0.24,MnCl₂·4H₂O0.99, CuSO₄·5H₂O0.25, NaMoO₄·2H₂O 0.22, NiCl₂·2H₂O 0.19, NaSeO₄·10H₂O 0.21,H₃BO₄0.014, 和 NaWO₄·2H₂O 0.050。模拟废水的pH值保持在7.0-8.0，通过加入1M HCl或1M的Na₂CO₃的调整。因为N ₂有较低的价格，并且和Ar油相似的实验功能，模拟废水用N₂/CO₂（95％/5％）冲洗以保持厌氧条件并为厌氧氨氧化细菌补充碳源。每天更换模拟废水，以避免饲料成分的波动或者其它影响因素影响生物活性。

2.4操作策略

反应器采用蠕动泵连续进水，供给并运营在下列条件：温度控制在35^◦C左右和pH保持在8.0，而初始水力停留时间（HRT）是48小时。

在反应器的运行包括3个阶段：（1）厌氧氨氧化启动；（2）氮负荷的提高;（3）厌氧氨氧化生物膜对低溶解氧适应。（NH4）₂SO₄和NaNO₂最初设置均为大约50 mgN/L。通过缩短HRT或增加进水中（NH₄）₂SO₄和NaNO₂的浓度增加氮负荷。在低溶解氧适应适应阶段，进水DO浓度通过曝气和N₂/CO₂（95％/5％）吹脱进行调整。为了使厌氧氨氧化生物膜自身适应环境变化，进水中DO浓度以2mgL^-1为浓度梯度从2mgL^-1逐渐至8mgL^-1。

2.5取样和分析

研究厌氧氨氧化FBR的脱氮性能，进行了日常取样监测进水和出水水质。pH和DO的测定采用数字便携式pH计（PHS-3C，Rex）和DO计（YSI, Model55, USA),。根据标准方法，使用分光光度法测定NH4 -N，NO^2-- N和NO^3- - N。

MLSS和MLVSS被用作污泥的指标和由方程计算。

MLSS = (m₁ minus; m₀)/0.1 (1)

MLVSS = [(m₁ m₂ minus; m₀) minus; m₃]/0.1 (2)

用直径为12.5厘米滤纸过滤100ml的污泥样品，然后在烘箱中对滤纸和污泥样品在103-105^◦C干燥8小时，干燥后的重量确定为m₁。将干燥的滤纸和污泥样品放入坩锅和在马弗炉中600^◦C焚烧1小时。总重量m₃为焚烧、冷却后坩埚、污泥和滤纸的总质量。在方程（1）和（2），m₀和m₂表示滤纸和坩埚重量。

图表Fig. 1 .厌氧氨氧化方案的启动和运行实验过程。

(a)改进的FBR新颖载体：（1）进料容器中，（2）蠕动泵（3）水浴管，（4）出水口,（5）环状无纺布载体,（6）取样口，(7)温度传感器，（8）加热器，（9）加热器,（10）再循环泵；（b）环状无纺布载体的照片。

Table 1 图表

运行过程中的3个阶段中模拟废水的组成

a 基质1是启动阶段的基质组成。

b 基质2是氮负荷提升阶段的基质组成。

c 基质3是低浓度溶解氧适应阶段的基质组成。

图2.在FBR中启动阶段厌氧氨氧化过程的脱氮性能。

2.6 FISH分析

从反应器收集生物膜用于原位杂交（FISH）荧光分析，对生物膜中厌氧氨氧化菌和微生物群落结构进行研究。细胞固定和FISH分析根据标准的杂交方法进行的(Amann,1995；Third et al.，2001)。寡核苷酸探针

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[286639]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word