不同气水比下组合式A/O移动床生物膜反应器去除生活污水中生物营养物的性能

摘要

在本实验研究中，采用连续上流式实验室规模的组合式A/O移动床生物膜反应器(mbbr)， A/O体积比为50%，内部NO为100%_3.⁻以巴士拉省(伊拉克南部)为例，采用全硝化-反硝化工艺处理60 L/d的生活污水。A/O处理系统由有效容积(15凋落)的有机玻璃方形缺氧反应器、有效容积(30凋落)的有机玻璃方形好氧反应器和250凋落的有机玻璃方形主沉淀池和终沉淀池组成。圆柱形K1塑料Kaldnes载体，密度为0.93 g/cm^3.添加到具有60％填充率的两种反应器中，以达到生物膜附着的方法。A / O处理系统在批量模式下运行四周以进行生物膜的开发;然后将系统以连续上流模式运行，总液压保留时间（HRT）等于18小时和五种不同的气体：水比例（5：1,7：1,10：1,15：1和20：1）为了调查气体的影响：水比对A / O系统的总性能。研究结果说明了气体：水比对除去NH的消除没有影响₄⁺最佳气水比为7:1,TP、TN、nhh的平均去除率为R%₄⁺-N，COD分别为84.49％，78.67％，97.27％和95.56％。在该气体的值下：水比，有氧MBBR和缺氧MBBR中的溶解氧（DO）的平均值分别为3.96mg / L和0.181mg / L.

1.导言

一个多世纪以来，人们一直使用传统的技术来处理城市污水，如传统活性污泥技术。由于水力负荷和有机负荷的增加，这些技术需要进行多次扩展，以产生更高质量的污水，并严格限制污水的排放r各种污染物。为了应对所有挑战，传统活性污泥法甚至进行了多次修改，但它仍然存在一些缺点，如污泥上升、污泥处理和占地面积大。因此，有必要提出一种具有最小反应器体积的替代和成功技术，以便针对传统活性污泥法的缺点，提出了移动床生物膜（MBB）工艺[1- - - - - -4］.

如今，MBB技术已成为在不同条件下处理废水的最著名和替代工艺，特别是用于从垃圾渗滤液等不同类型废水中去除氮和磷[5]，国内污水[2，3.，6- - - - - -13]、奶类废水[14，15]，奶酪厂废水[16]，造纸工业废水[17和养鱼废水[18]。首先，该技术于1990年在挪威开发，然后于1995年引入美国；2009年，全球50多个国家的600多家城市和工业废水处理厂使用MBB技术[4，19］.面交技术是基于生物膜的原则,提供附加和悬浮生物系统的优势,以更可靠的比活性污泥法去除有机碳和营养没有任何缺点,通过添加小聚乙烯媒体元素的密度小于水的密度(< 1克/厘米^3.)并以较大的表面积进入反应器进行生物膜附着。通过这种方式，与悬浮生长过程相比，介质元素将允许反应器中生物质的高浓度，并且反应器体积完全混合，反应器中没有任何未使用或死的部分[3.，14，20.- - - - - -24］.

在MBB工艺连续运行25年后，研究人员得出结论，该技术的主要优点包括：[24- - - - - -26]:（1)小的压头损失(2）没有污泥回收（3）体积小，结构紧凑（4）减少污泥产量，无任何污泥膨胀问题（5）提高处理能力（6）无需过滤器通道和周期性反作粉

生活污水中60%到70%的总氮（TN）是铵（NH₄⁺-N)，由尿素迅速分解而来[27，28］.在生活污水中，总磷(TP)是一种必需的营养物质，是细胞能量循环的一部分。它被用于洗涤剂、清洁剂和肥料中，也存在于人和动物的粪便中。高浓度的总氮和总磷会导致废水毒性、富营养化和耗氧等问题。由于富营养化率的调控，排入环境的废水中TN和TP浓度的控制越来越严格，这导致在污水处理设施的设计和运行中，TN和TP成为主要考虑因素[2，3.］.

从废水中去除可以通过硝化过程（在通气条件下）和反硝化过程（在缺氧或厌氧条件下）来实现[2，25］.从废水中除去的生物营养素中最重要的问题是去除NH₄⁺-N[29］.在好氧反应器中，在充分硝化过程中，NH_3.⁺-N首先转化为亚硝酸盐（NO₂⁻)借亚硝基菌细菌，然后硝基杆菌微生物氧化NO₂⁻硝酸(没有_3.⁻) ［7，25，30.］.北半球_3.⁺-氮氧化强烈依赖于溶解氧浓度（DO）；至少2 在全硝化过程中，通常使用mg/L的DO，而DO浓度在0.5–1.5范围内 部分硝化（NH）过程中mg/L_3.⁺-N氧化为NO₂⁻（仅限）[30.- - - - - -35]另一方面，反硝化过程可在缺氧和/或厌氧反应器（DO）中实现 < 0.5 mg/L），通过使用NO_3.⁻没有₂⁻作为有机物氧化的电子受体而不是氧;没有_3.⁻转换为否₂⁻然后转化成一氧化二氮(N₂在₂O转化为一氧化氮（NO），最后将NO转化为氮气（n₂) ［25，29，36，37］.

在本研究中，气体的影响 : 去除化学需氧量（COD）、NH的水比₄⁺-N，TN和来自Basrah省（南伊拉克南部）的国内废水的TP采用溢出的A / O移动床生物膜反应器，50％A / O体积比，100％内部硝酸盐再循环比和两种反应器中的60％载体填充率。为了评估气体的最佳值：水比，A / O系统在五种不同比例下运行（5：1,7：1,10：1,15：1和20：1）。

2。材料和方法

2.1。实验装置

采用连续上流式实验室级组合A/O mbbr系列处理伊拉克南部巴士拉省60 L/天的生活废水。A/O处理系统由有机玻璃方形初级沉淀池(0.75 m × 0.75 m × 0.5 m)、有机玻璃方形厌氧反应器(总有效容积为15升(0.25 m × 0.25 m × 0.3 m)、有机玻璃方形初级沉淀池(0.75 m × 0.75 m × 0.5 m)、有机玻璃方形厌氧反应器(0.25 m × 0.25 m × 0.3 m)、有机玻璃方形好氧反应器，总有效容积为30升(0.35 m × 0.35 m × 0.3 m)，最终澄清池为0.75 m × 0.75 m × 0.5 m。构建缺氧MBBR以实现反硝化过程，构建好氧MBBR以提供全硝化过程。为了采集样品，每个反应器都设有采样端口。在本研究中，圆柱形塑料Kaldnes K1载体(25 mm × 10 mm) 500 m²/ m^3.表面生长面积和0.93 g/cm^3.密度用于缺氧和有氧MBBR中的附着生物膜生长，填充率等于60％。使用具有两毫米的开口直径的小尺寸筛来保留生物膜载体元件在MBBR内部。数字1展示了实验室规模的A/O mbbr的草图。

通过曝气系统的作用，将生物膜载体保持在有氧反应器内的连续运动，这由来自有氧MBBR底部的两种精细气泡漫射器，空气压缩机，容量等于150L / min，轮廓调节阀门。促进剂MBBR在反应器中心的螺旋桨混合器中搅拌，固定螺旋桨速度为50rpm。使用水族箱加热器控制反应器内的温度在25℃±1°C的范围内。

2.2。操作程序

研究实验时间为2018年5月至2018年10月底(约6个月)。A/O系统的反应器接种HAMDAN(伊拉克南部巴士拉省)城市污水处理厂的活性污泥。首先，将种子污泥用小筛子筛除无机物，然后在室温下曝气3天。最后，曝气污泥与生活污水的混合比例为67%，每个A/O反应器的填充率为34%。启动阶段以间歇式运行系统开始(2小时充气，18小时曝气:在好氧MBBR中水的比例等于10/1，在缺氧MBBR中混合，2小时沉淀时间，2小时100%排放周期)。Kaldnes K1培养基元件在批处理模式下驯化4周以形成生物膜。

启动期结束后，载体元件上出现生物膜，混合液悬浮物（MLSS）的总浓度达到2364 mg/L和3640 在第5周开始时，A/O系统以连续模式运行，总HRT为18 小时（缺氧HRT为6小时） 小时和好氧HRT为12小时），100%内部硝酸盐循环率，五种不同气体和水的比例为5 : 1, 7 : 1, 10 : 1, 15 : 1，和20 : 1.在此操作模式下，缺氧MBBR和好氧MBBR中的pH平均浓度分别为7.64和7.47，而总MLS的平均浓度为2151 毫克/升和3219 mg/L。

所有的铵、总磷、总氮和化学需氧量样品每周从A/O系统采集2次，并按照APHA(2005)中提到的标准方法进行分析[38]取样前，立即在两个反应器中测量pH、DO和温度。Kaldnes K1载体元素中附着生物膜的浓度根据以下方法获得：[11，12，17，39］.

3.结果和讨论

continuous-upflow的实验室规模的总和与50%的A / O / O MBBRs体积比建成60 L /天国内废水在巴士拉(伊拉克南部)完整no3却流程(浓度在有氧MBBR≥2 mg / L)同时去除COD、TN、TP。处理系统运行时无污泥回用，总HRT为18 h，内部NO_3.⁻循环比为100％，5种不同的气体：水比（5：1,7：1,10：1,15：1和20：1），以评估气体的最佳价值：水比为最佳营养物质去除。A / O系统的实验操作数据在表中呈现1和2如图所示2- - - - - -11．

硝化过程在很大程度上依赖于DO浓度对生长速率的影响亚硝基菌和硝基杆菌微生物。根据Wiesmann，DO浓度对的影响硝基杆菌细菌（约1.1 mg / L）大于亚硝基菌细菌（约0.3 mg / L）[40］.公园和Noguera观察了特定人口增长的变化硝基杆菌低溶解氧浓度下的细菌[41.］.好氧反应器中DO的浓度和内部NO的浓度_3.⁻循环比对缺氧反应器中的DO浓度有很大影响，从而影响脱氮速率。缺氧MBBR中DO的增加可以抑制脱氮反应，因为氧是电子受体，而不是NO_3.⁻，而参与反硝化作用的酶会被好氧条件的作用所抑制[2，3.，42.］.随着硝化速率的增加，在缺氧反应器中DO浓度保持在允许限值(DO < 0.5 mg/L)的情况下，反硝化速率也会增加，更多的有机碳会被去除[2，3.，43.］.在NH的缺氧条件下₄⁺通过反硝化磷酸盐积聚的生物来消耗-N和鳕鱼以仅使用不使用的一些TP_3.⁻作为电子受体[2，3.，44.，45.];还有一些nh₄⁺-N仅通过使用NO直接转化为二氮气体₂⁻作为电子受体[46.，47.］.在好氧条件下，COD是由异养微生物与聚磷细菌的竞争消耗的，而DO是由异养微生物与聚磷细菌的竞争消耗的亚硝基菌细菌,硝基杆菌细菌、聚磷细菌和异养微生物[2，3.，25］.

不同气体条件下A/O MBBR中DO的平均浓度 : 含水率如图所示2.在第一个连续流动操作模式下，当气体 : 含水率等于5 : 1、好氧MBBR和缺氧MBBR中DO的平均浓度均为2.43 mg/L（标准偏差（sd） = 0.17 mg/L）和0.126 毫克/升（标准偏差） = 0.03 mg/L），当气体 : 水的比例增加到7 : 1，两个A/O MBBR中的DO平均浓度增加了62.96%（DO） = 3.96 mg/L，含sd = 0.11 mg/L）和43.65%（DO） = 0.181 mg/L，含sd = 0.01 mg/L）。NO的连续循环_3.⁻从好氧区到缺氧区，导致缺氧MBBR中DO浓度增加，气体浓度增加 : 含水率增加，缺氧MBBR中的溶解氧增加，直到超过允许极限（0.5 mg/L），达到0.65 毫克/升（标准偏差） = 0.08 当气体 : 水的比例变为10 : 1.汽油 : 水的比例为10 : 1,15 : 1，和20 : 1，A/O MBBR处理系统变得类似于有2个好氧MBBR的好氧系统，因为缺氧MBBR中的DO超过了实现脱氮过程所需的允许限值，其中缺氧MBBR中的DO平均浓度达到0.94 毫克/升（标准偏差） = 0.04 mg/L）在气体中 : 水的比例为15 : 1和1.2 毫克/升（标准偏差） = 0.16 mg/L）在气体中 : 水的比例为20 : 1.

本研究获得的结果表明，A / O MBBR处理系统具有50％A / O体积比以高效率为去除NH₄⁺-N和COD，气体没有显着影响：水比在系统效率上，其中均为NH₄⁺-N和COD在不同气水比(5:1,7:1,10:1,15:1和20:1)下的变化范围分别为88.77% (sd = 4.94%) ~ 99.56% (sd = 0.24%)和91.27% (sd = 2.24%) ~ 97.51% (sd = 0.59%)。当气水比为5:1时，NH的平均流出量₄⁺-N和COD分别为4.34mg / L（SD = 1.36mg / L）和25.9mg / L（SD = 3.49mg / L），而这些浓度为<1mg / L用于NH₄⁺-N和<13mg / L用于鳕鱼：水比在7：1-20：1的范围内。

气体：水比显着影响A / O MBR处理系统去除TN和TP的性能。在气体下：水比为5：1，r％的Tn和Tp的55.46％（Sd = 8.11％）和73.05％（SD = 11.6％），而平均流出物是20.5mg / L（SD = 4.3 mg/L) and 1.01 mg/L (sd = 0.23 mg/L), respectively. As gas : water ratio increased to 7 : 1, R% of both TN and TP increased by 41.85% (R% = 78.67% with sd = 4.04%) and by 15.66% (R% = 84.49% with sd = 3.23%), respectively. At this value of gas : water ratio, the average effluent of TN becomes <10 mg/L, while that of TP becomes <1 mg/L; these values of average effluent concentration can meet many standards of wastewater treatment. When gas : water increased to 10 : 1, R% of TN and TP dramatically decreased by 37.13% and 49.91%, respectively, while the average effluent concentration increased to 20.15 mg/L (sd = 2.62 mg/L) for TN and to 1.52 mg/L (sd = 0.18 mg/L) for TP. At gas : water ratio of 15 : 1–20 : 1, R% of TN and TP is in the range from 45.33% (sd = 1.97%) to 48.44% (sd = 6.68%), and from 25.02% (sd = 7.7%) to 32.47%(sd = 6.36%), respectively, while the average effluent of TN is >22 mg/L and average effluent of TP is >2.4 mg/L. Finally, the system of A/O MBBRs with 50% A/O volume ratio works efficiently for simultaneous nutrients and organic carbon removals only with gas : water ratio of 7 : 1.

4.结论

根据本研究获得的结果，可以绘制以下结论：（1)在有氧反应器，A / O体积比和内部没有的浓度。_3.⁻循环利用率对缺氧反应器中DO的浓度有很大影响，进而对反硝化速率有很大影响(2）NO的持续循环利用_3.⁻从好氧区到缺氧区导致缺氧MBBR中DO浓度增加，直到超过允许限值（0.5 mg/L），并达到0.65 气体压力下的mg/L : 含水率10 : 1.（3）A / O MBBR处理系统具有50％A / O体积比和内部没有_3.⁻回收率为100%，高效去除NH₄⁺-N和COD，气水比对系统性能无影响（4）煤气 : 当A/O体积比为50%且内部NO_3.⁻去除TN和TP的回收率为100%（5）最佳气水比为7:1,TP、TN、nhh的平均去除率较高₄⁺-N、 COD分别为84.49%、78.67%、97.27%和95.56% : 含水率，好氧MBBR和缺氧MBBR的平均溶解氧为3.96 mg/L和0.181 分别为mg/L（6）具有50%A/O体积比的A/O MBBR处理系统，内部_3.⁻回收率为100％，气体：在全硝化反硝化过程下7：1的水比对于同时营养和有机碳去除去非常有用和足够的技术

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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