稻秆脱氮生物反应器的营养去除效率外文翻译资料

 2022-11-05 11:41:55

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稻秆脱氮生物反应器的营养去除效率

Xinqiang Lianga,b,*, Limin Lina, Yushi Yea, Jiatao Gua, Zhibo Wangb, Lixian Xua, Yi Jina, Qiukai Rua,Guangming Tiana

a环境与资源学院，浙江大学，杭州310058，中国

b水污染控制和环境安全重点实验室，浙江省，杭州310058，中国

重点

稻秆脱氮生物反应器也具有一定的PO43--P去除能力。

稻秆脱氮生物反应器在24h水力停留时间，中等营养负荷率下表现良好。

最佳操作条件下的总有机碳水平是可以接受的。

摘要：

在脱氮生物反应器中使用稻秆作为碳源，用于去除农业污水中的营养物质。通过以下方式评估营养去除效率：(1)营养负荷率(低，中，高)；(2)水力停留时间；(3)与另一碳源(木片)的比较。结果表明，在长水力停留时间(水力停留时间，24h)下，稻秆生物反应器废水中硝态氮(NO3--N)，氨氮(NH4 -N)，总氮(TN)和正磷酸盐(PO43-)与中等营养负荷率(NO3--N：10-15mgN/L，NH4 -N：10-15mgN/L，PO43--P：1.0-1.5mgP/L)相比，分别减少了53％，25％，40％和35％，相应的脱氮速率(DR)为0.40mgN/L/h。此外，稻秆生物反应器在中等营养负荷率和24h水力停留时间条件下，营养物去除效率明显比木片生物反应器高于(plt;0.05)的。

关键词：反硝化反应器，农业污水，脱氮除磷，营养物去除，稻草

1.引言

过去几十年集约农业发展是中国经济发展的主要因素之一。但也导致了一些重要的环境问题，如富营养化和水质恶化。据中国环境保护部统计，中国农业部门对中国目前的水污染占全国数据的43.7％（COD），57.2％（TN），67.4％（TP）。为了保持生态系统健康与经济发展的平衡，打击农业非点源污染非常重要，是中国面临的最大挑战之一。解决农业非点源污染的工程技术主要包括湿地建设，生态混凝土沟渠等。然而，存在污水性能差和工厂管理困难等问题。

最近，脱氮生物反应器技术的发展引起了研究者的高度关注。目前的研究结果表明，在最佳条件下，墙体和床层的脱氮能力分别达到3.60gNm-3d-1和22g Nm-3d-1。Robertson和Merkley设计的木片流入生物反应器将农业污水中的NO3--N浓度从4.8mg/L降低到1.04mg/L，反应器流速为24L/min，在表面流湿地构建方面比同一区域报道的下降了40倍左右。另外一种填充玉米芯的生物反应器，在农业污水初始进水NO3--N含量为50mgN/L的条件下，NO3—N的去除率达到98％(Wang等，2013)。这些脱氮反应器具有结构新颖，处理效率高，运行成本低的优点，是能够控制农业非点源污染的新方法。

脱氮生物反应器不需要额外的土地，可以嵌入农业污水沟的底部，这可以极大地影响营养物质的迁移和转化过程。然而，脱氮反应器的效率主要受碳源，营养负荷率，HRT(水力停留时间)等影响。除了聚己内酯和聚羟基链烷酸酯等合成聚合物外，使用富含纤维素的天然材料(如小麦秸秆，棉花，松树皮和螃蟹壳几丁质)作为外部碳源可提高脱氮生物反应器的脱氮效率。稻秆是最常见且最便宜的富含纤维素的材料之一，已被证明是脱氮生物反应器的有效碳源。稻秆的分解比木片等材料快得多。因此，一些研究人员已经解决了稻秆生物反应器中总有机碳(TOC)释放相对较高的问题。

从根本上说，农业污水的营养负荷率和水力停留时间往往呈现暂时的变化。整个作物生长季节的污水流量的高变异性和相应的营养负荷率对于脱氮生物反应器的性能是有问题的。调整水力停留时间有助于改善特定脱氮生物反应器中的营养物去除率。

在这项研究中，采用稻秆碳源的脱氮生物反应器，检测营养物(NO3--N，NH4 -N，TN和PO43--P)去除率是否随着更长的水力停留时间和特定的初始营养负荷率而提高。此外，讨论了生物反应器出水中的非营养因子(温度，pH，溶解氧(DO)，氧化还原电位(ORP)和TOC)。研究目的是通过脱氮生物反应器促进替代原有的农业污水沟，以减轻周围水体富营养化的风险。

2.实验

2.1脱氮反应器模拟设计

本研究中使用的脱氮生物反应器是试点规模建造的，并在室温(约25℃)下进行测试。生物反应器由三个匹配单元组成：每个单元的容器长2米，宽0.3米，深0.4米，设3个堆填区(碳源区，污泥层和层状层)。碳源区为0.3米厚，位于油罐底部。将稻秆或木片切成2-3cm长的片段并装入生物反应器的该区域;从当地农业沟渠收集装入反应器顶层(约0.1mu;m厚)的污泥和碎屑(粒径2-3cm)。防水壁可防止污水直接通过生物反应器。脱氮生物反应器被设计成保持低浓度的N和P峰值流量流过反应器的顶部，同时在反应器底部的生物反应区中引导具有高浓度N和P的低梯度流。这样可确保无障碍污水和高营养物质的去除效率。

2.2实验方法

根据以往的研究结果和我们当地的调查结果，农业污水系统在不同地区和时间方面不同。通常，农业污水的营养负荷率如下：NO3--N：0.04-20.00mgN/L，NH4 -N：0.00-15.66mgN/L，PO43--P：0.00-2.00mgP/L;NO3--N/NH4 -N比在0.5-2以内，而TN/TP比约为12-17;污水沟的实际水力停留时间在流量范围内在0.4-40小时范围内。因此，脱氮生物反应器以三种营养负荷率运行：(1)低：NO3--N：4-6mgN/L，NH4 -N：4-6mgN/L，PO43--P：0.4-0.6mgP/L;(2)培养基：NO3--N：10-15mgN/L，NH4 -N：10-15mgN/L，PO43--P：1.0-1.5mgP/L;和(3)高：NO3--N：20-25mgN/L，NH4 -N：20-25mgN/L，PO43--P：2.0-2.5mgP/L。水力停留时间设定为6h，12h和24h。作为碳源，将稻秆(纤维素含量39.6％，3kg)与木片(水杉，纤维素含量gt;60％，6kg)进行比较。每个实验都是独立的，三次重复：重新填充碳源材料，污泥和碎屑，并在实验开始前将反应器重新浸入相应的废水中7天。通过蠕动泵通过三个处理单元诱导流动，并将溢出物引导至出水池。在26天的操作期间，沿着6米长的反应器以1米的间隔收集出水和样品，最初10天每天一次，然后每2或3天一次。

2.3分析方法

在抽样24h内分析水样。使用连续流动分析仪(Bran Luebbe，AA3，Germany)测定NO3--N，NH4 -N，总N和PO43--P的浓度。通过便携式溶解氧计(JPBJ-608;LEICI，中国上海)测定溶解氧(DO)，pH计(PHS-3E;LEICI，中国上海)测定pH和温度，并通过TOC分析仪(MultiN/C2100;AnalytikJenaAG，德国) 测定TOC。

2.4计算和统计分析

为了比较生物反应器的性能和实际应用对废水质量的估算，引入了营养物(NO3--N，NH4 -N，TN，PO43--P)和脱氮率(DR)的去除效率和去除速率常数(k)。DR(mgN/L/h)定义为每单位体积反应器每单位时间去除的硝酸氮的体积。去除效率表示相对去除量，用等式：

去除效率=(C2-C1)/C0times;100％ (1)

其中C0是进水的营养浓度，C1是出水的营养浓度。

在这种脱氮生物反应器的混合反应器中，营养转化可以用等式(2)：

QC0 Vr=QC1 VdC1/dt (2)

其中Q是进水的流量，V是脱氮生物反应器中碳源区的体积，r是生物反应器中的营养转化速率。

由于生物反应器中的水力停留时间是Q除以V(Q/V)的结果。(1)可以转换为方程(3):

C0 Tr=C1 TdC1/dt (3)

基于一阶动力学理论，r等于kC1。因此，(3)可以用公式(4)解决：

C1=C0{1-exp[-(t/T)(1 TK)]}/(1 TK) (4)

当生物反应器稳定运行时，(4)可以显示如下：

C1=C0/(1 TK) (5)

总的来说，去除率常数(k)与 C0/C1和T(水力停留时间) 是直接相关的。

在 PASW 统计 18.0 (以前 spss 统计，spss 公司，芝加哥，美国) 的0.05 概率水平上，对每个实验的数据进行了统计学的比较，单向方差分析 (lsd) 测试。为所有性状计算了 triplicates 的算术方法，并分别向方差分析提出了每个实验的数据。

3.结果与讨论

3.1不同实验条件下的物理化学变化

根据(a)营养负荷率的出水中的(b)水力停留时间;(c)稻秆或木片这三个实验条件的不同，图1给出了一些废水中的关键物理化学参数(温度，pH，DO，ORP和TOC)。出水温度和pH在所有实验条件下相似，与进水的平均值相似，分别为21.6-27.0℃和5.7-7.5。废水中的DO受到水力停留时间的很大影响。在12h和24h水力停留时间时，出水DO明显低于进水(约6.0mg/L)，低于1.5至3.5mg/L。类似地，出水的氧化还原电位(ORP)也显着低进水中的 (plt;0.05)，值从3.35降至2.80mV。在中等初始营养负荷下观察到最低的TOC，并且在低初始负荷下最高。此外，在24h水力停留时间时，出水TOC最高(3.80-4.00mg/L)，值高于进水的1.5-2.5mg/L。使用稻秆时TOC的积累显着高于使用木片时(plt;0.05)。

图1根据实验条件不同(a)营养负荷率;(b)水力停留时间;(c)稻秆或木片，生物反应器出水中温度，溶解氧DO，pH，氧化还原电位ORP和总有机碳TOC水平不同。

在中等营养负荷率和24h水力停留时间的操作条件下，生物反应器出水的所有这些物理化学参数在10天后稳定(图2)。温度控制在21.6-26.7℃的范围内，可以实现生物反应器NO3--N的高去除效率。DO沿生物反应器减少至约1.8mg/L，以使脱氮细菌能够很好地存活。出水的pH值测量/保持在稳定值约6-6.5，这适合于脱氮。此外，出水的ORP低于进水，推测反应器固定的污染物和碳的去除率超过生成率。

图2中等营养负荷率和24h水力停留时间水稻稻秆生物反应器的进水和出水温度，溶解氧，pH值和ORP变化(平均值，plt;0.05)。

3.2初始营养负荷率对养分去除效率和脱氮率的影响

在这种脱氮生物反应器中，NO3--N去除依赖于微生物反硝化过程；NH4 -N的去除主要依赖于吸附(离子交换吸附)，微生物活性(硝化和氨氧化)；PO4 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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