一种新的改善氧化沟中氮去除的步骤曝气法外文翻译资料

 2022-11-06 14:42:26

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一种新的改善氧化沟中氮去除的步骤曝气法

1 介绍

作为改良活性污泥法的氧化沟（OD）已经在世界各地使用多年，并且在氧化沟中的除氮已经是一个长时间的热门研究课题。根据目前的理论，通过同时硝化和反硝化（SND）在交替的缺氧区实现了氧化沟中的氮去除。通过用表面曝气设备控制氧气供应，可以在通道内形成交替的缺氧区，在我们以前的研究中称为点曝气。点曝气是指在氧化沟的几个点处的曝气，其中形成几个交替的缺氧 - 氧化区。理想的情况是，在需氧区通过硝化增加硝酸盐相当于在缺氧区通过脱硝来还原硝酸盐。因此，表面曝气设备的设置和溶解氧（DO）的控制对于改善氧化沟工艺去除氮的很关键。

然而，在点式曝气下精确控制溶解氧浓度和缺氧分区比例是非常困难的。存在的交替的缺氧 - 氧化区越多，控制溶解氧和缺氧 - 氧化区的比例越困难。因此，已经发现一些氧化沟工艺的氮去除效率不理想。已经表明通过优化曝气条件，可以增强除氮，克服流入物中每日波动对除氮的影响。然而，由于废水处理厂的水质标准变得越来越严格，以满足节能需求，所以表面曝气反应堆的问题（例如低氧供应效率和高能量消耗）已经变得不可避免。因此，具有微孔曝气的氧化沟工艺已经受到越来越多的科学关注。在具有气泡膜扩散器的中试规模沟渠系统中研究了气流速率和搅动对氧气传递效率的影响。利用微孔曝气建立了中试卡罗素氧化沟，确定了同时硝化和脱硝的最佳溶解氧状态。通过优化氧气供应，在微孔曝气的全面氧化沟中增强了氮的去除。在氧化沟中使用微孔曝气提高了氧传递效率并降低了能量消耗。然而，微孔曝气区设置在氧化沟的几个点上，例如表面曝气设备，因此，该方法基本上仍被认为是点曝气。精确控制溶解氧和缺氧 - 分区比例以改善除氮的需求不能忽视。因此，必须使用更合适的方法来增强除氮。

基于上述氧化沟中的点式曝气的问题，提出了一种新的步骤曝气方法以增强除氮。步骤曝气是指通过聚集微孔曝气区在氧化沟的部分中的连续曝气，并且氧化沟系统包括一个交替的缺氧区。为了改善氮的去除，这项研究建立了一个全尺寸卡罗素氧化沟的步骤曝气。对于具有微孔曝气的Carrousel氧化沟，确定在步骤曝气下的最佳缺氧 - 氧化分区比例。此外，通过微生物群落分布分析了步骤曝气下高性能除氮的机理。这项研究提出了一种新颖的曝气模式的氧化沟与微孔曝气，可以显着增强氮的去除。

2 方法

2.1污水处理厂描述

在中国昆明的污水处理厂中，采用了六槽式Carrousel氧化沟工艺，处理能力为80000m3/d。使用具有相同进水水质和独立回流污泥系统的三组方法（A，B和C）。走廊的宽度为7米。 Carrousel氧化沟采用微孔曝气系统，有效深度为4.0 m。氧化沟中的四个走廊都装有扩散盘，扩散盘通过管道和阀门分成许多部分。每个部件的面积基本相同，并且为每个部件安装阀门和气体流量计。每个部件的气流可以通过阀门和气体流量计调节，而每个部件的操作是独立的。污水处理厂的进水混合均匀分布到分布井中的三组氧化沟。因此，三组氧化沟的进水质量和数量是相同的，实验过程中进水质量如下：

BOD5 = 360plusmn;86 mg / L，COD = 620plusmn;240 mg / L，TN = 45.5 plusmn;6.3mg / L，NH4 -N = 25.1plusmn;4.1mg / L。

2.2运行条件

在Carrousel氧化沟中，对A组采用步骤曝气（图1a），其涉及在氧化沟系统中的连续通气部分，包括一个交替的缺氧 - 氧化区。 B组采用点曝气（图1b），其涉及氧化沟系统中的四个曝气区，包括四个交替的缺氧区。在不同的曝气模式下，两组氧化沟系统只使用一个鼓风机，在实验过程中通过控制气体流量计和阀门，每个曝气区域的空气流量是相同的。因此，氧化沟的总曝气输入与曝气区的面积近似成比例。因此，曝气区的面积用于表示氧化沟系统的总曝气输入。通过控制氧化沟的曝气区面积，可以在步骤曝气操作中调节总曝气输入。两组的其他操作参数相同（水力停留时间（HRT）= 12h，污泥保留时间（SRT）= 30plusmn;5 d，污泥浓度= 5000plusmn;500 mg/L，进水流量= 1110plusmn;10 m3 /h，污泥过量流量= 200plusmn;30 m3/d，循环污泥量= 1000plusmn;10 m3/h）。

2.3化学分析

根据标准方法（APHA，1998）分析可溶性化学需氧量（SCOD），总氮（TN），铵，硝酸盐和亚硝酸盐。最大比吸收速率（AUR）的测定与我们以前的出版物中所描述的相同。

基于最大特异性脱氮速率评价脱氮细菌的活性。将来自氧化沟的1000mL生物质的等分试样置于烧杯（1000mL）中并保持在20℃。将硝酸钾加入烧杯中以获得20mg/L的初始硝酸盐浓度。初始COD为300mg/L，其通过加入乙酸钠获得。随时间取8个样品以确定脱氮速率，其基于NO3--N的消耗（线性相关系数R2gt; 0.98）。

2.4通过高通量454焦磷酸测序分析微生物群落

使用Power Soil DNA Isolation Kit从用于DNA提取的系统中提取具有相同比例的缺氧和氧化区的两种曝气模式的污泥样品。合并上述DNA混合物并使用靶向V3-V5区域的引物357F（5-CCTACGGGAGGCAGCAG-3）和926R（5-CCGTCAATTCMTTTRAGT-3）通过PCR扩增。 25mL的PCR混合物含有2.5mu;L的10times;Ex Taq缓冲液，2mu;L的dNTP混合物，16.50mu;L的超纯灭菌水，每种引物的1mu;M等分试样（10mu;M），0.125mu;L的ExTaq（TaKaRa，大连，中国）和2mu;LDNA（2ng /mu;L）。热循环步骤如下：93℃3分钟，然后是27个循环，在94℃30秒，55℃45秒，72℃1分钟，最后延伸步骤在72℃10分钟。通过使用Roche 454 GS FLX Titanium测序仪的焦磷酸测序来测定16S rRNA基因的V3-V5区域的PCR产物的组成。

2.5统计分析

应用Qiime软件（Caporaso和Kuczynski，2010）去除含有多于一个不明确碱基（N）的序列和具有单碱基高重复区（同源）gt; 8的序列。短于200bp或更长的序列1000 bps。使用Mothur软件应用中的uchime方法进行嵌合体测序。 RDP的焦磷酸测序管道中的“RDP Align”工具用于比对有效序列。将多样品种的姬形物种丰度和分布图表用作OTU表。通过在Mothur中采用metastats顺序来构建在门和属水平上相同OTU的簇，以分析组之间的显着差异。通过应用MEGAN4软件产生了进化树和丰富的信息。

3结果与讨论

3.1曝气区对氮去除的影响

在具有各种曝气区的步骤曝气模式下，Carrousel氧化沟的去除氮的稳定性显示在图1中。当曝气区占据氧化沟体积（曝气面积/氧化沟，A / O）的1/7-1/4时，系统显示出高的硝化效应，流出物的平均浓度为NH4 -N小于1mg/L。当曝气区的体积减小时，TN去除效果逐渐增强。 TN在流出物中从13.2mg/L降至5.2mg / L。相应的去除效率从71.1％增加到88.9％。在整个操作过程中未观察到亚硝酸盐积累。此外，流出物中的COD浓度低于30mg/L，这表明当曝气区占氧化物体积的1/7时，溶解氧供应足以除去NH4 -N和有机物沟。随着缺氧区的增加，TN去除效果相应增强。同时，随着曝气区的减少，需氧微生物对进水碳源的消耗进一步减少。提高了脱氮用碳源的利用率，最终提高了TN去除效率。

然而，由于氧化沟过程中的曝气区降至总体积的1/8和1/9，流出物NH4 -N浓度分别增加至2.67mg/L和6.44mg/L，表明NH4 -N不能完全氧化，因为对系统的曝气输入不足。当曝气区占据氧化沟体积的1/4和1/5时，污泥体积指数（SVI）分别为约112plusmn;16 mL/g和122plusmn;9mL/g。 SVI随着曝气区体积的减小而逐渐增加，当A/O降至1/6和1/7时，SVI为136plusmn;17mL/g和142plusmn;14mL/g。当A/O为1/8和1/9时，SVI增加至170-180mL/g。污泥的显微镜检查显示污泥中有许多丝状菌，污泥处于轻微膨胀状态。这种现象是由于溶解氧输入不足而导致的丝状细菌的过度繁殖引起的。

3.2延长好氧区对缺氧分区比例的影响

由于氧化沟过程中的高流速，当污水流入缺氧区时，溶解氧浓度不能在AAO过程中立即在短距离内降低至缺氧条件（DO lt;0.5mg / L）。在曝气区之后有延长的需氧区，溶解氧浓度高于0.5mg / L。延长好氧区的长度主要受活性污泥的氧消耗速率的影响（通过将硝化杆菌的氧消耗，异养细菌的氧消耗速率和污泥的内源呼吸速率加在一起而获得的速率）氧化沟的流速，以及曝气部的溶解氧浓度。从图中可以看出，如图3a所示，延长好氧区的长度与充气区的溶解氧浓度呈正相关。延长好氧区的长度随着曝气区溶解氧浓度的增加而逐渐增加。当曝气区的溶解氧浓度为2.0mg/L时，延长好氧区的长度大于20m。在点式曝气下曝气区的溶解氧在1.0-1.5mg/L的范围内。由于在步骤曝气中发生连续曝气，在曝气区末端的溶解氧约为2-3mg/L。因此，延长好氧区是氧化沟需氧区的主要部分，对氧化沟的缺氧分区比例有显着影响。在具有微孔曝气的氧化沟的设计中，必须更多地注意延长的需氧区。然而，长度不与溶解氧浓度成比例。这主要是因为增加曝气强度以增加溶解氧浓度增加了通气区末端的流速，导致延长的好氧区的长度进一步增加。

在通气更频繁的点曝气下的好氧区的体积显着大于具有相同曝气区面积（相同的曝气输入）的步骤曝气下的通气区的体积。当曝气区占据氧化沟槽体积的1/7时，好氧区分别占点和阶梯曝气下氧化沟总体积的28％和20％（图3b）。因此，可以增强TN去除效果，因为在步骤曝气下存在较大的缺氧区。

由于延长好氧区的长度受溶解氧和其它因素的影响，因此难以控制具有微孔曝气的氧化沟的缺氧-分区比例。延长的需氧区域越多，控制缺氧-分区比例越困难。在步骤充气中仅形成一个延长的需氧区，以便更容易在步骤充气模式下控制氧化沟的缺氧-分区比例。

3.3步骤曝气除氮的性能

图4示出了当曝气区两者都占据氧化沟的体积的1/7时在两种曝气模式下的氮去除。在两种曝气模式下获得了较好的硝化效果，NH4 -N的去除效率分别为98.1％和98.4％。在步骤曝气和点曝气下，流出物中NH4 -N的平均浓度分别为0.53plusmn;0.11mg/L和0.42plusmn;0.09mg/L。步骤曝气的TN去除效率为89.3％，点曝气的TN去除效率为77.6％。步骤曝气下的流出物TN约为5.3plusmn;0.56mg/L，在点式曝气下小于11.1plusmn;1.2mg/L（图4b）。显然，当使用相同的曝气区时，步骤曝气下的TN去除效率高于点曝气下的TN去除效率。

根据对两种曝气模式下氧化沟的缺氧分区比例分配的分析，可以发现，在曝气区面积相同的情况下，步骤曝气模式下缺氧区的体积较大，这可能是较高在步骤曝气模式下的TN去除效率。点曝气下的好氧区通过减少曝气区减少到氧化沟总体积的20％。在点式曝气下系统稳定运行三个月期间，流出物NH4 -N浓度为0.79plusmn;0.32mg/L，TN浓度降至8.3plusmn;2.3mg/L。这一发现证明，通过减少通气点下需氧区的体积可以提高TN去除效率。然而，在相同比例的缺氧和含氧区，步骤曝气下的NH4 -N和TN去除效率仍高于点曝气下的NH4 -N和TN去除效率。在相同比例的缺氧和氧气区下，在步骤曝气和点曝气下的活性污泥的AUR分别为1.81plusmn;0.13mgNH4 -N/gMLSS h和1.64plusmn;0.15mg NH4 -N/gMLSS h。这一发现表明，曝气区在步骤曝气下聚集在氧化沟的连续部分中，导致更高的溶解氧浓度，这证明有利于硝化细菌的生长并提高硝化能力。

氧化沟过程中的TN去除途径是氨汽提，同化和硝化-反硝化。然而，假设氨汽提是可忽略的，因为沟槽中混合液的pH通常低于7.5。表1中的氮质量平衡在具有相同工艺参数的两种曝气模式下比较，例如缺氧和氧化区的比例，流入TN负载，SRT，HRT和MLSS。在两种曝气模式下，平均18％的流入物TN通过以废泥的形式同化而除去。 TN分别在步骤曝气和点曝气下占据流入物TN的11％（141kgTN/d）和17％（221kgTN/d）。脱氮是两种曝气模式下的主要TN去除途径。通过分别在步骤曝气和点曝气下的脱氮来除去约942kgTN/d和833kgTN / d。显然，在步骤曝气下通过脱硝比在点曝气下去除更多的TN。因此，在相同比例的缺氧和含氧区，步骤曝气有利于在具有微孔曝气的Carrousel氧化沟中的脱氮。

3.4微生物群落分布

来自氧化沟的样品在步骤和点曝气模式下的焦磷酸测序分别产生8144和9764个有效序列读数。序列的数量与以前的研究相当。对于从焦磷酸测序确定的序列，分别在步骤曝气和点曝气的3％截止处鉴定1588和1906个操作分类单位（OTU）。图。图5显示了两种曝气模式在门层的相对细菌群落丰度。提供相对丰度高于0.5％的门。 Proteobacteria，Chloroflexi和Bacteroidetes是这两个系统中的主要细菌，这与大多数报告的研究结果一致（George等人，2011; Zanget等人，2008; Trilok等人，20

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