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一种新式高速上流式生物反应器去除肉类加工废水中碳氮磷的研究
Hajar Abyara Habibollah Younesia Nader Bahramifara Ali Akbar Zinatizadehb
a:伊朗塔比阿特莫达勒斯大学自然资源学院环境科学系
b:环境研究中心，应用化学系，化学学院，拉兹大学，克尔曼沙阿，伊朗
重点：
评价了厌氧、缺氧和好氧(A2O)生物反应器的运行性能。
研究了高效同时脱氮除磷的A2O工艺。
利用响应面法对工艺参数的影响进行了优化
利用统计模型建立了营养物质去除的数学模型。
这项研究表明使用A2O工艺处理肉类加工废水的好处。
文章信息：
文章历史:
2018年4月18日收到稿件
2018年8月29日收到修订原文
2018年9月7日录用稿件
2018年9月8日可在线查看
处理编辑: A Adalberto Noyola
关键字：
上流式厌氧/缺氧/好氧(A2O)
生物反应器
肉类加工废水
碳氮比
摘要:
设计并运行了一套以肉类加工废水为处理对象的高效上流式厌氧-缺氧-好氧(A2O)生物反应器，此工艺简单经济并以去除污水中营养物质（碳氮磷）为目的。采用响应曲面法 (RSM) 评价了水力停留时间(HRT)、 碳氮比（COD/TN）和曝气体积分数3个主要因素对反应器性能的影响。去除98.5%的COD需要的水力停留时间为7.5小时。在反硝化速率为199.4 mg / l.d的条件下，硝态氮转化率较高，为74.6 mg / l。当出水总凯氏氮(TKN)小于70mg / l 时，水力停留时间(HRT)、COD /TN 比和曝气体积分数分别为10h、100:20和60% 是有效脱氮的理想条件。在最佳条件下，水力停留时间为8h，COD / TN 为100:14，曝气体积分数为65%，出水磷为43mg / l. 但在厌氧条件下，6h 释放出93.97 mg / l 的磷。在水力停留时间为12.5 h，COD / TN 比为100:8，曝气体积分数为50% 时，出水浊度较低约为1.5 NTU，污泥体积指数(SVI)为75.9 ml / g。在此条件下，对 COD、 TKN、硝态氮、总氮和磷的去除率分别为98.33% 、92.06% 、91.97% 、90.48% 和83.48%。因此，上流式生物反应器在污水处理中的卫生用水处理中是一种很有前途的处理装置。
1.介绍
工业化和城市化限制了优质水资源的可利用性，优质水资源已经成为全球性的稀缺资源和威胁。虽然近几十年来，地下水已被用于工业、农业和家庭的供水系统，但另一种水源是必要的，以减轻地下水资源的压力（截止到2009）。废水处理和资源回收技术已被用于帮助环境工程师再利用废水，为人类社区提供清洁水，保护公众健康。近年来，以污染物检测和治理为目的的许多新的处理方法得到了发展，不过人们关注的生物反应和操作已经取得了令人瞩目的成果。
生物脱氮除磷(BNR)作为一种创新工艺被广泛应用，给污水处理厂的设计和基础带来了巨大的变化。多种生物脱氮除磷去除工艺已经被提出，如厌氧折流板反应器(ABR)和 UV / H2O2反应器（Cao and Mehrvar, 2011）. 气升式间歇反应器（SBAR），顺序分批式鼓泡塔（SBBC）(DiBella and Torregrossa, 2013) , 粒状顺序间歇反应器(GSBRs) (Chen et al., 2013), 超声波强化上流式厌氧 / 好氧 / 缺氧生物反应器(Rezaee et al., 2016), 流动床生物膜法 (MBBR) (Barwal and Chaudhary, 2016) 和连续进料和间歇排放气升式生物反应器(CFIDAB)(Asadi et al., 2016a). 高去除效率和广大微生物群落的高度多样性，这使得生物脱氮除磷去除工艺 （BNR） 技术和传统方法之间存在着巨大的差距。(Estrada-Arriaga et al., 2016).
尽管如此，研究结果还是证明了这些生物反应器的不足，因为它们在能源、电力和劳动力成本上的花费都很高，不能完全去除有机物质的痕迹，而且生态痕迹很大。(Verstraete and
Vlaeminck, 2011; Chen et al., 2013; Mai et al., 2016). 然而，文献中的结论(meerburg et al. ，2015; keating et al. ，2016)认同了废水处理厂中高效生物反应器有前景和成功的可能。高微(F / M)比和有机负荷率(OLR)、低水力停留时间(HRT)和低固体停留时间(SRT)是区分这类生物反应器的特征(Jimenez et al., 2015)。它们有较大的能力回收沉淀池中沉淀的污泥中的能源和产生甲烷。城市、工业和农业废水可以通过高效生物反应器处理，而不需要对未处理的废水进行预处理(Meerburg et al.,2015)。
与世界上许多其他食品加工业一样，食品加工业需要大量的高质量水(每年约6200万立方米)用于冷却和清洗过程，因此排放高浓度废水到环境中，包括有机物、营养物质和高浓度固体(De Sena et al., 2009)。到目前为止，利用高速生物反应器处理肉类工业废水的尝试还很少。采用活性污泥与超滤分离反硝化和硝化的双组合系统去除肉类废水中的营养物质(Bohdziewicz and Sroka, 2006)。用高速率厌氧膜生物反应器（ANMBR）对对屠宰场废水高负荷率的反应进行了评价。(Jensen et al., 2015). 上流式厌氧污泥床反应器(DelNery et al., 2008) 厌氧折板反应器与 UV / H2O2工艺相结合(Cao and Mehrvar, 2011) 以及SBR污水处理工艺（Liu et al., 2015）已被用于屠宰场废水处理.。然而，A2O 系统在本研究中的优点是使用一个简单的、设置良好的系统，此系统需要在一个小空间和低能量的环境里，污水未经预处理在单一的生物池中去除COD和营养物质。
为了更好地组织生物反应器和描述处理过程，响应曲面法可能是最佳选择。响应曲面法作为一种统计和数学方法，近年来得到了广泛的应用。这项技术定义了一系列具有一定变量范围的实验。实验数量少，减少了操作时间和成本，是响应曲面法的主要优点。每个变量的影响和综合影响是独立确定的，同时最优条件是限定的。(Hasan et al., 2011; Myers et al., 2016).
这项研究试图引入一个现代的先进的具有特殊意义的和可持续特点的系统，这个系统是以前没有的。与其他多级工艺单元处理废水的研究相比，我们的生物反应器框架可以在一种新型的高速上流单级 A2O 生物反应器中成功地实现厌氧、缺氧和好氧区的联合处理而不需要任何单元的去除。另一个有趣的地方是至今尚未报道过这种高速上流式A2O 生物反应器同时去除肉类加工废水中的营养物质和有机物质的处理能力的评价。最后，利用响应面法优化了水力停留时间、 COD / TN 比和曝气容积率的影响，以最大限度地提高同时去除 CNP 的效率。
2.材料和方法
2.1肉类加工废水及种子淤泥特性
这项研究中使用的废水是从位于伊朗阿莫尔马赞达兰的肉类和香肠工厂收集的。这个工厂生产能力为每天50吨，每天产生300立方米的废水。污水的特性列于表 s1。废水的酸碱度相对中性，加上废水中含有蛋白质及有机物，为活性污泥提供了适宜的条件。从运作中的废水处理厂取得的活性污泥被用作培养液。在接种生物反应器之前，对污泥进行了絮凝驯化的间歇实验。原污水的COD/TN/P经氯化铵和KH2PO4调整到100/5/1.
2.2生物反应器结构
工作容积为4.57升的实验室生物反应器用于这项研究，示于图1。这些实验是用一个圆柱形的柱子进行的，柱子是用有机玻璃制成的，以便于目视观察。柱子直径7.5厘米，高137厘米。取样阀门固定在外柱右侧59.5厘米的高度。生物反应器从系统最底部连续流入的肉类加工废水，其速率由蠕动泵调节(Heidolph, 5101PD, 德国)。系统间断出水流入一个3.85L的沉淀池，沉淀池加装定时器和泵（q=5.4 L/min）用来对污泥回流体积进行控制。
好氧区悬挂一个空气扩散器并可改变其位置。空气泵(UNICAM, PU 9003, England)提供充足的空气流量，供微生物在溶解氧(DO)小于2毫克 / 升的情况下生长。通过一个自动系统控制在厌氧区底部的一个缓慢旋转的搅拌器来控制曝气时间，以提供厌氧区的均匀性。为了提供缺氧条件，系统是间歇曝气(40分钟曝气，20分钟关闭) (Amini et al., 2013)。之后，缺氧区 DO浓度小于0.1 mg / L。在此条件下，氨氧化剂利用硝酸盐作为电子受体生成 N2气体。所需污泥每隔10分钟回收一次。为防止厌氧区出现富磷污泥，空气扩散器在生物反应器底部每12小时更换一次。此外，在生物反应器底部安装了一个磁性混合器，以确保混合液在整个厌氧区得到良好的混合。
2.3实验设计
采用设计专家软件7.0(DOE, Stat-Ease Inc., Minneapolis,MN, USA)对肉类加工废水处理的实验条件进行优化设计。采用中心组合设计和响应曲面法(CCD-RSM)对高速上流式厌氧、缺氧和好氧(A2O)生物反应器同时去除肉类加工废水中碳氮磷的工艺参数进行了优化。选取三个独立变量：水力停留时间(HRT)(A)、 COD/TN 比值(B)和曝气体积分数(C)，按表 s2给出的五个水平分量分别进行变化。根据 CCD-RSM 法，组织了20次基于变量的实验运行，组织了8个因子点、6个轴向点和5个重复的1个中心点的实验，得到了最佳估计值(表 s3)。在系统中不断测定COD的浓度为1500mg/L，PO43—P的浓度为45mg/L。此外，该生物反应器每次运行至少4个周期。
为了对实验数据进行验证，通过数据处理，设计了三个新的程序。然后，在最优的运行条件下，研究了PO43—P的浓度由45mg/L增至100mg/L对生物反应器运行的影响。在最后阶段，进行了在厌氧条件下长达8小时的释磷实验，探讨了 COD、硝酸盐和磷的变化趋势。自变量的响应都配备了相关模型，以下回归方程描述了自变量与因变量的相关性。
其中 ，， 和 分别是截距，线性，平方和相互作用系数。 Y 表示观察到的反应。 ，，... ， 是平方效应，XiXj，XiXk 和XjXk 是变量的相互作用效应。K 是所研究因子的个数，是随机误差。在设计专家软件中，用回归分析方法对实验数据进行了拟合，并用R2对结果进行了表达和比较。采用 CCD-RSM 技术分析和模拟了不同反应(COD 去除、 TKN 去除、 NO3--N去除率和 TN 去除率)，选择水力停留时间(A)、 COD / TN 比值(B)和曝气体积分数(C)作为函数的三个独立变量。用方差分析方法分析变量之间的相互作用及其对反应的影响，p 值小于0.05表明模型项之间的差异是显著的。此外，模型是否被接受或放弃的基础是p 值是否在95%的置信区间。
2.4分析方法
从生物反应器的进出水中采集样品进行分析。 采用标准方法(APHA，1999)测定化学需氧量(COD)、五天生化需氧量(BOD5)( 5-day BOD test, 5210B)和污泥浓度(MLSS)。采用分光光度计(UNICO SQ-4802, USA)测定了硝酸盐和磷的含量，波长分别为203nm和690 nm。采用凯氏定氮法测定铵态氮、有机氮和总氮值。采用污泥监测沉降30min 后活性污泥的污泥指数特性。使用分离漏斗根据正己烷的溶解度对油脂进行定量测定(APHA, 1999)。
3.结果和讨论
补充模型对COD、TKN 、TN、硝酸盐和磷的影响在表 s4中进行了描述。表 s5列出了 COD、 TKN、 NO3--N 和 TN 去除率的四次模型的系数和方差分析结果。用方差分析法检验模型精度的详细结果见表1。
3.1COD去除
由于反应器运行过程中变量的变化，二次模型可以更好地解释 COD 的去除。从表1可以看出，HRT (A)和曝气容积分数(C)的线性关系。HRT 和 COD / TN 比值(AB)的相互作用。COD / TN 比值和曝气容积分数(BC)的相互作用效应以及 COD / TN 比值(B2)的平方效应都是描述 COD 去除效率的重要模型项。不管怎样，COD / TN 比值(B)的线性效应、水力停留时间(A2)和曝气体积分数(C2)的平方效应与P值小于0.05无关。F 值和 p 值显示了系数和交互变量
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