基于Fe（0）-碳的生物脱氮工艺外文翻译资料

 2022-11-06 11:11:34

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基于Fe（0）-碳的生物脱氮工艺

在低碳水微氧条件下,微电解同时去除氨氮和硝酸盐

邓石海，李德胜，薛杨，魏星，李金龙，张齐

A 土木工程学院，北京交通大学，北京100044，中国

B 北京重点实验室水典型污染物控制和水质保障，北京100044，中国

亮点

微电解电子供体的反硝化作用增强。

有效的同步硝化和自养反硝化。

维持低有机碳水处理的高氮负荷。

高通量测序显示氢营养属和球衣菌属显著增加。

优势类属于beta;，alpha;，Ƴ-B，A，C -变形，以及硝化螺旋菌。

文章信息

2016年七月21收到

2016年8月5日收到修改后的表格

2016年八月6日接受

2016年8月8日可在网上找到

关键词：

Fe（0）-碳微电解 电子供体生产 自养反硝化 低有机碳废水 微生物群落

摘要

一个微电解与生物脱氮的组合工艺（MEBD）用铁屑和活性炭微电解载体进行微氧条件下氮的去除。该过程提供 NH 4–N 和总氮（TN）的去除效率分别为92.6%和95.3%，和在相应的溶解氧1plusmn;0.1毫克/升和HRT为3小时，和最佳pH值为7.6 -8.4时，TN去除率为0.373 plusmn; 0.11 kg N/(m3 d)。高通量测序分析验证，主导类属于B，A，C -变形和硝化螺旋菌。优势属噬氢菌属和球衣菌属在操作过程中明显增加，分别覆盖13.2%和6.1%的生物膜，生物膜附在反应器中间的载体上。自养反硝化使TN的去除 gt;80%。先进的微电解与生物脱氮取得了有效的同步硝化反硝化，在实践低碳水处理中的应用呈现显著的潜力。

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1.介绍

水体中的氮污染已成为世界范围内日益严重的环境问题，造成水体的富营养化，对人类健康构成潜在的危害（冈特利特，1979；Takahiro等，2013）。废水中的脱氮，地下水和地下水源保护和供水仍然是一个挑战（Shalini和约瑟夫，2013；张，2011）。因此，生物脱氮技术因其成本低、产品无污染，在脱氮方面的进展已经历了广泛的发展（Shalini和约瑟夫，2013）。废水低碳源或低碳氮比，如城市污水处理厂尾水与硝酸盐污染地下水，往往缺乏碳源以提高脱氮要求（Di Capua et al.，2015）。张（2011）提出，当BOD5/TN低于2.47时，异养反硝化明显受到抑制。因此，外加碳源，如甲醇、乙醇、乙酸，经常被加入以保证高效脱氮，这往往会产生有机残留和添加剂的浪费（穆赫辛尼bandpiet al.，2013）。在这种情况下，自养反硝化作为一个替代方法得到越来越多的关注，（Nguyenet al，2015；朱和，2012）。

自养脱氮以无机物，如硫化合物，氢（H2），或亚铁离子（Fe2 ），作为电子供体和使用无机碳（碳酸氢盐或二氧化碳）作为碳源（Nguyen等人，2015）。

几种从低有机碳或非有机碳水中去除氮的自养反硝化法已经被开发了，

Autohy-drogenotrophic反硝化（karanasios等.，2010；Khanitchaidecha和风间，2012），硫基氮（Mohseni Bandpi 等，2013），和厌氧Fe2 氧化通明法（张等，2015）。电化学生物反硝化在电解生物反应器中是用来产生H2 ，通过电在阴极电解原位直接供应H2（穆萨维等人，2012；阮等人，2015）。此外，硝酸盐可以还原成氨的零价铁（ZVI），从而提供H2和Fe2 进行零价铁化腐蚀硝化。

方程式（1）–（3）显示铁腐蚀脱氮中列出的反应（黄等，2003；朱，2012）。在这些反应的基础上，比斯瓦斯和玻色（2005）和陈等人开发了基于铁自养反硝化反应系统通过混合铁与反硝化细菌。然而，因为在中性条件下零价铁的低腐蚀率，和零价铁对反硝化菌的潜在毒性，脱氮率只获得了0.015–0.052 g N/(m3 d)。纳米零价铁也被研究人员用于增加硝酸盐还原反应效率（Shin和茶，2008）。

然而，不需的氨的生产率取决于在化学还原速率的增加（方程式（1））（朱和得到，2012）。在此基础上，尽管零价铁成本高，对生物体的粘附和零价铁的固定是很难在连续操作中强制执行。

我们以往的研究表明，电池可以形成当混合铁屑（ISS）与活性炭（AC）在中性或碱性溶液中；微电解然后有效地执行，从而产生活性氢 [H]或H2，和Fe2 ，和原电池的反应速率显着增加与添加某些催化剂一致（李，2013；黎等人，2015，）。铁屑，零价铁近于三分之一的价格，是一个主要的在钢铁厂和机械加工厂产生的

固体废物的类型（阿菜西奥，2015；谢等，2016）。根据当前政府规定，未使用的铁屑必须由钢铁工厂恢复（谢等.，2016）。在这方面，铁屑的重用可以减少脱氮的成本，同时减少铁屑的量。

因此，在这项研究中，微电解与生物脱氮的组合工艺（MEBD）使用铁屑–活性炭为基础的微电解载体（IA–MEC）进行开发和应用，从低碳水脱氮。在这个过程中，Fe（0）–碳原电池基于微电解产生的电子供体，如[H]或H2，和Fe2 在原位通过巨大的铁的牺牲微型阳极的电偶腐蚀（李等，2015；吴等，2013）；催化原电池的形成可以提高在原位的[H]或H2，以及Fe2 生产速率（方程（1））通过加速阴极和阳极之间的电子转移，显著增益自养脱氮过程。首先，电子可以提供快速、稳定的反硝化细菌通过足够数量不供应外部H2，Fe2 ，或电力。原电池这个步骤可以减少能量消费为H2或电力供应，以及避免H2在运输和储存过程中的安全风险并消除购买H2或Fe2 的高成本。一个相对简单的操作只需要一个载体供气；低成本的过程只发生在铁屑消费。此外，多孔载体有利于细菌的高效固定化；因此，在微生物和微电解之间提供有利条件的生物膜的形成和作用。这将是一个很有前途的低碳废水脱氮技术。

作为一个生物过程，微电解与生物脱氮肯定依赖于高效、稳定的微生物群落结构。高通量测序（HTS）是一种分子生物学技术，是最近开发的深入了解复杂的微生物标本的遗传信息的技术（邢等，2016）；此外，现行的废水以有机质为主。因此，以验证效率和低有机碳水处理工艺的可行性的微电解与生物脱氮，在微电解与生物脱氮系统中的性能和微生物群落分别通过高氮负荷和低有机碳条件的应用，和高通量测序的应用进行了研究。

2.材料与方法

2.1. IA–MEC和MEBD的反应机理

IA–MEC，在Fe（0）-碳电池反应的基础上在原位产生[H]或H2，和Fe2 ，是在实验室中开发的。球形催化剂载体是通过混合铁屑（从本地机器加工厂购买），活性炭，多微量元素的催化剂、粘合剂、发泡剂组成的；该载体在无氧条件下在1173 - 1273 K焙烧。载体的主要参数如下：直径为0.5–1.0 厘米，体积密度为1.2 - 1.5kg/m3,比表面积为3.3 times;104–4.2times;104 m2/kg3，孔隙率为51% - 57%，和一个压力保证轴承的2.1–2.5 MPa.

微电解与生物脱氮反应器填满了发达的IA–MEC；电子和质量可以通过附着的生物膜在水、微生物和载体之间传输。在微电解与生物脱氮中提出的反应如图1所示，有五个主要的反应。反应（2）和（4）分别表示化学药品NO3 –N的减少，通过铁屑和微生物自养反硝化。两方程符合零价铁为基础的反硝化的结果（方程式（1）–（3））。反应（1）涉及原电池反应在铁屑–活性炭为基础的微电解载体，其电子由铁阳极处的Fe（0）提供，然后通过微电流电池转移到活性炭阴极。在阳极产生Fe2 。从H2O的电离H 可以活性炭阴极得到电子从，形成[H]或H2。反应（3）介绍了氨氧化和硝化作用，这就要求微曝气；反应（5）反映了异养反硝化反应。在原水中反应（5）的低有机碳反应较弱。在上述机制的基础上，在这项研究中探索微电解与生物脱氮反应体系。

图1.在MEBD系统提出的反应机理。（a）IA - MEC（D，ISs）（阳极）；氮，交流（阴极）；多痕量金属元素催化剂；（b）生物膜，及（c）水。（1）催化微电解反应，（2）NO3–N的化学还原（3）微生物硝化作用，（4）自养微生物反硝化作用，及（5）异养微生物反硝化。

2.2.微电解与生物脱氮工艺操作系统

用一个流式有机玻璃圆柱反应器成立一个连续MEBD操作系统（图2（a））。该反应器的高度为90厘米，内径为8厘米。IA - MEC填充的反应器的高度为80厘米，从而提供了一个活性体积为4.02 L和水容量为1.86升的反应器。反应器采用下流法。水分配器时安装在底部的；空气扩散器进行曝气。水和空气分别由一个喷射泵（aks603；sekos有限，瑞士）和蠕动泵（wt600s-65；铅液有限，中国）通过在底部资料编号：[139688]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

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