厌氧和有氧流化床生物膜反应器处理合成的城市污水外文翻译资料

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厌氧和有氧流化床生物膜反应器处理合成的城市污水

摘要：在这项研究中，（厌氧、有氧）流化床生物膜反应器被用来处理合成的城市污水。研究中流动速率和碳氮比将会涉及。系统的状态取决于化学需氧量，氨，和总去除率。但是当流速增至5.04到6.12升每小时会发现氨和总氮的去除率会下降。在碳氮比为3:1时总氮的去除率会下降。当碳氮比从6:1改变到3:1时，测量的厌氧柱中COD的减少量平均是3.7,3.5,3.3和3.1克。观测到的活性污泥的吸收率是0.169克vss克每COD，这大概是因为厌氧柱里充分的反硝化作用和相对长的固体停留时间。

关键词：流化床生物膜反应器（FBBR），厌氧，有氧，市政污水，合成。

介绍

活性污泥用来处理综合性污水已经有一段历史。随着污水排放量的增加以及土地资源的减少，为了提高基底转移效率和生物活性，高效的污水处理技术已经被开发出来。流化床生物膜反应器因其具体高通量,长SRT,较短的HRT,更少的残留等特点，在二十多年前就被用来处理工业和市政污水。Nguyen和Shieh（1995）设计了一个厌氧/好氧生物流化床以胺和苯酚作为待去除物来获得二氧化碳和硝化物。Kai-Chee和JUN用聚苯乙烯小球珠组建了一个外部循环逆流的流化床气提反应器（EIFBAB）。EIFBAB用来批量化处理浓度高达3000毫克每升的苯酚污水的优势已经被证明。

FBBRS被包装成颗粒状用来生物吸附并且在液体的不断循环下处于流化状态。流化载体可以是沙子，活性炭，木炭，岩浆岩和聚亚安酯，它们都提供了大量表面积供生物质吸附和生长。

FBBR的研究主要集中在反应器的结构设计，生物膜颗粒的选择，流化的流体动力学性能，按比例放大的尺度和技术参数的选择。Arnaiz等测试了两个商业材料用来作为厌氧生物质的支持物：珍珠岩和海泡石。在所有测试的有机碳浓度下，海泡石比珍珠岩的生物质吸附能力要高。Fahid等人（2004）运用实验室规模级别的FBBR（沙子做生物膜反应器载体）来测试高浓度的含硝酸盐废水中的反硝化作用。他们证实了FBBR能够高效处理硝酸盐（氮浓度达1000mgN/L）。Fernarsquo;ndez等使用实验室规模级别的、天然沸石作为支持物的流化床反应器来处理酿酒厂产生的高浓度废水。他们同时证明了在厌氧流化床（AFBR）中用沸石作为微生物载体的可行性。Khin（2004）等人测试了用土壤作为载体的FBR通过同时进行硝化和纯化过程来消除氮化物；在水力停留时间（HRT）为20小时时95%的铵根离子氮被去除。Aslan和Dahabb成功地利用流化床生物膜硝化和反硝化反应器（FBBNR/FBBDR）在低溶解氧条件下去除高浓度的氮化物。用岩浆岩作为载体的循环流化床生物反应器（CFFB）技术得到发展并用来处理废水（Cui等人，2009）。在Cui等人的研究中，在非常低HRT的条件下，CFBB中碳和氮的去除率分别为94%和78%。

为了获得颗粒载体的循环流化，颗粒表面的液体流速应该高于最终预置的载体流速。所以典型的反应器需要一个相对较高的高径比（H/D）。因为一些严格的设施标准和较高的初始投资，较高的H/D不适用于大尺寸的流化床。

一些研究已经尝试内循环流化床生物膜反应器（ILFBBR）（使用沙子和岩浆岩作为载体媒介）来处理废水。在这项研究中，在流化床上一个内部的圆柱体配置用作升管提升颗粒的流化，在外部和内部的圆柱体的对应部分是一个降管。这项工作目的在于设计一个喷流式厌氧/好氧的ILFBBR系统和探寻它对城市污水处理效率。流动的C/N比（COD/氮化物）对于操作的影响也同时被研究。

材料和方法

实验室尺寸的试验系统由亚力克玻璃制成的厌氧柱和有氧柱组成（如图一）。两个柱子均由圆柱体组成【厌氧：内径=7厘米、长度=77厘米；好氧：内径=11厘米、长度=75厘米】并设有一个内筒【厌氧：内径=3.4厘米、长度71厘米；好氧：内径=5.9厘米、长度=71厘米】。两个柱子顶端有气液固分离器和斜板分离器，用于降低液体速度和避免颗粒的损失。厌氧柱的上层末端用聚丙烯酸玻璃封闭以保持厌氧状态，气液固分离器上有液封装置。椎体被装在外圆柱体的稍微低点的部分，并以55度的倾斜角获得一个平滑的颗粒循环。用来流化的重循环流的入口被装在内圆柱底部距离2厘米（厌氧），3.5厘米（有氧）。厌氧和有氧柱的工作体积分别为2.96升和7.12升。生物膜载体是直径大约0.25到0.85毫米，密度为2.64*10³kg/m³的岩浆岩颗粒。当系统启动后，1.35kg的粗糙颗粒被装进厌氧柱中，1.54kg被装进有氧柱中。

在这个操作系统中，有氧柱中的流出污水和循环流在内部混合，然后被泵送到厌氧柱的底部。厌氧流出物从顶端流向有氧柱，有氧流出物流进二级沉降器。内循环流化在厌氧柱和有氧柱中的获得是通过两个柱的再循环流取得。颗粒从内柱升起然后在内柱与外柱之间的部分下降。压缩空气直接打进有氧柱的底部。过量的活性污泥在二级沉降器中被排出。

图一 厌氧/好氧内循环流化床生物膜反应器系统概要简图

合成的废水

合成的废水由0.19到0.38 g/L CH₃COONa; 0.24 g/L (NH₄)₂SO₄; 0.03 g/LK₂HPO₄; 0.4 g/L NaHCO₃; 0.1 g/L CaCl₂.2H₂O; 0.1 g/LMgSO₄.7H₂O，2.0 mL/L痕量金属溶液（由自来水混合而来）组成。合成废水中相应的理论上的COD值和铵根离子氮浓度分别为150到300mg/L和50mg/L，其中测试的C/N比有6:1, 5:1,4:1,和 3:1。痕量的金属溶液用蒸馏水来溶解，配方为5 g/L EDTA, 0.43 g/L ZnSO_4。7H₂O, 0.99 g/LMnCl_2.4H₂O, 5 g/L FeSO₄.7H₂O, 0.22g/LNH₄MoO₄;0.25g/LCuSO_4.5H₂O, 0.24 g/L CoCl_2.6H₂O, 0.19 g/L NiNO₃。

分析方法

分析用的样品取自流动的，厌氧柱流出污水和二级沉降器中流出物。硝酸氮和亚硝酸氮在离子色谱层析柱（DIONEX,DX-120）中被分析。铵根离子氮，总悬浮固体（TSS），不稳定悬浮固体（VSS），COD等根据标准方法（APHA等，1998）来测定。溶解氧用JENCO 9250M Dissolved Oxygen Meter来测量。

实验步骤

实验在24摄氏度到31摄氏度下操作。厌氧和有氧柱被注入1至2.5升含3.6gVSS/L的活性污泥（来自于城市污水厂）。初始的流入速率是3.6L/h,COD和铵根离子浓度为300mg/L和50mg/L（C/N比为6:1）。从有氧到厌氧的再循环比率（R_o-a）控制在2:1。7.35cm/s和4.88cm/s的表面液体流速（v_a，v₀）在两个柱子中维持稳定，这是通过控制厌氧柱（Q_a,240 L/h）和有氧柱（Q₀, 540 L/h）中的液体再循环流速达到的。有氧柱中的空气流速（Q_air）控制在200L/h的水平（溶解氧为2.2到3.5mg/L）。生物膜的形成需要一周。液体流入速率（4.32, 5.04,h和6.12L/h）也是测试项目之一，用以评估厌氧/有氧系统的效率。实验过程中系统的水力停留时间（HRT）从2.8h（流入速率3.6L/h）降到了1.65h（流入速率6.12L/h）。再进一步的测试中，污水中不同的C/N比流入速率（5:1, 4:1,3:1）被用来研究C/N比对系统操作的影响。据上可以算出系统操作的SRT为38天（根据观察到的活性污泥（分为流出的和流入的活性污泥）的生物膜总量计算）。操作条件在表1中给出。

表—厌氧/有氧内循环流化床生物反应器（ILFBBR）的运行参数(HRT为水力停留时间)

结果和讨论

在不同的HRT下，操作状态达到稳定时收集样品。不同的HRT操作阶段持续30天。样品每两天收集一次并立即分析。图2展示了不同HRT状态下COD去除的结果。尽管流入COD有小的波动，在HRT为1.65h到2.8h时COD的去除效率是稳定的。

图二 内循环流化床生物膜反应器在不同水力停留时间下COD的去除率

正如表2所示，在HRT为2.8h和1.65h时，系统对COD的总去除率平均分别为87.6%和85.6%。对应的有机物载入速率（OLR）是2.51kg CODm³/d 和4.26kg COD m³/d.操作中厌氧柱中流入的COD为71.8到84.8mg/L。总COD的去除由厌氧柱中的反硝化作用和需氧柱中的有氧生物降解组成。厌氧柱中去除的COD（COD_d）与总COD（COD_r）去除的比率可以计算出来。图3显示了不同的HRT时COD_d/COD_r。

表二 内循环流化床生物膜反应器在不同水力停留时间下COD的去除率

图三 内循环流化床生物膜反应器在不同的水力停留时间下COD_d/COD_r

系统中更短的HRT导致COD_d/COD_r的降低，HRTs为2.8,2.3,2.0,1.65h时平均COD_d/COD_r分别为58.7%,51.9%,52%,48.7%。由于在需氧柱中氨转化为硝酸盐和亚硝酸盐产率的降低，在厌氧柱中COD_d由于反硝化作用的消耗随着HRT时间的降低而降低；而系统中总COD的去除是稳定的。COD_d/COD_r的重要性在于展示了需氧柱中不同HRT时的硝化作用。

氨氧化和总氮去除

系统中氨，硝酸盐，亚硝酸盐用来探寻在硝化和反硝化作用下氮的去除率。图4展示了系统中氨的去除结果。

图四 内循环流化床生物膜反应器在不同的水力停留时间下氨的去除率

系统在HRT为2.8h和2.3h取得了稳定的去除效率。但氨去除效率在HRT为2.0h和1.65h时有所降低。表3展示了HRT为2.8，2.3，2.0和1.65h时，氨的流入浓度分别为0.28，0.26，4.6和7.9mg/L时，而对应的氨去除效率为99.6，99.7，90.2，83.0%。更短的HRT影响有氧柱的氨的硝化去除，而COD的去除是稳定的（图2）。用来降解有机物的异养微生物更适合于高流入速率，并且在氧消耗方面胜过硝化杆菌。不同的HRT时厌氧柱中流入的硝酸盐和亚硝酸盐浓度没有明显的变化（图5）。这暗示了厌氧柱中的反硝化作用效果良好。在HRT为1.65h时厌氧柱中流入的硝酸盐和亚硝酸盐的平均浓度分别为1.9和0.14mg/L。图6展示了不同HRT时系统的总氮去除效率。

表三 内循环流化床生物膜反应器在不同水力停留时间下氮的去除率

图五 厌氧柱在不同水力停留时间下进氮量和氮浓度

图六 内循环流化床生物膜反应器在不同水力停留时间下总氮去除率

流入的硝酸盐和亚硝酸盐浓度在HRT为2.8h，2.3h和2.0h时是稳定的。但是正如表3显示的，在HRT为1.65h时硝酸盐平均流入浓度降低到2.2mg/L，亚硝酸盐的平均流入浓度减低到7.2mg/L。在更短的HRT时，需氧柱中发生部分硝化作用氧化为亚硝酸盐。总氮流入量为8.9和8.5mg/L时，系统总氮去除效率为81.0%和81.9%，相应的HRT为2.8h和2.3h。在HRT为2.0h和1.65h总氮的去除效率减低到73.2%和62.9%。表3展示了由于需氧柱中更短的HRT造成的氨去除效率的降低而引起的总氮去除效率的降低。

不同的流入C/N比的操作

调整流入的COD为250,200,150mg/L,相应的流入的碳氮比分别为5:1,4:1和3:1。当流入速率（Q_in）为4.32L/h(HRT:2.3h)时保持稳定，其他参数也保持稳定。不同的流入C/N比实验的操作阶段是20天。表4展示了系统的COD,硝酸盐，亚硝酸盐，氨各项参数。表3展示了C/N比为6:1时的操作数据。系统的碳氮比从6:1改变到到3:1时，获得了COD去除效率从87.6%到94.4%的增长，系统的COD为7.1mg/L,而C/N比为3:1。系统在各个碳氮比时都取得了较高的硝化效率，氨的去除率为99.3%到99.7%。这说明硝化细菌的活动没有被有氧柱中不同的碳氮比所影响。厌氧柱中观察到了稳定的反硝化过程，在不同的碳氮比下相似的硝酸盐和亚硝酸盐浓度是相似的。碳氮比为3:1时，

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