Effects of loading rate and aeration on nitrogen removal and N2O emissions in intermittently aerated sequencing batch reactors treating slaughterhouse wastewater at 11°C  

加載速率和曝氣對(duì)在11°C下處理屠宰廢水的間歇曝氣序批式反應(yīng)器中氮去除和N2O排放的影響  

來源：Bioprocess and Biosystems Engineering, Volume 38, 2015, Pages 681-689

《生物過程與生物系統(tǒng)工程》，第38卷，2015年，第681-689頁

 

摘要  

這篇論文的摘要指出，研究旨在找到在11°C下使用間歇曝氣序批式反應(yīng)器（IASBR）從高濃度屠宰廢水中去除氮的最佳操作條件，以提供IASBR技術(shù)的工程控制策略。研究檢查了兩個(gè)操作參數(shù)：加載速率和曝氣速率。這兩個(gè)參數(shù)都影響了IASBR操作周期中溶解氧（DO）濃度的變化。研究發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)通過部分硝化-反硝化（PND）的高效氮去除，“DO肘點(diǎn)”必須出現(xiàn)在最后一個(gè)曝氣期結(jié)束時(shí)。銨氧化細(xì)菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）的比率與最后一個(gè)曝氣期平均DO濃度之間存在相關(guān)性；當(dāng)平均DO濃度低于4.86 mg/L時(shí)，AOB成為主要硝化菌群，這有利于通過PND的氮去除。加載速率和曝氣速率都影響了AOB和NOB的種群大小。為了實(shí)現(xiàn)通過PND的高效氮去除，可以根據(jù)本研究開發(fā)的數(shù)學(xué)方程基于平均有機(jī)加載速率預(yù)測(cè)最佳曝氣速率。研究表明，曝氣期N2O生成量隨曝氣速率增加而減少；然而，在最佳曝氣速率下非曝氣期N2O生成量最高。  

 

研究目的  

研究目的是通過優(yōu)化加載速率（有機(jī)加載速率OLR）和曝氣速率，找到在低溫（11°C）下使用IASBR處理屠宰廢水時(shí)氮去除和N2O排放的最佳操作條件，以提供工程控制策略，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的廢水處理。  

 

研究思路  

研究思路基于在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置三個(gè)IASBR反應(yīng)器，在11°C下處理屠宰廢水。實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段，測(cè)試不同平均OLR（0.61、0.82和1.02 gCOD/(L·d)）和不同曝氣速率（0.4至1.4 L空氣/分鐘）。通過監(jiān)測(cè)DO濃度、氮化物（TN、NH4+-N）、COD、TP等參數(shù)，評(píng)估處理效率。同時(shí)使用熒光原位雜交（FISH）分析微生物群落（AOB和NOB），并使用丹麥Unisense電極測(cè)量溶解N2O濃度。通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)建模，建立操作參數(shù)與處理性能之間的關(guān)系，以確定最佳條件。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 數(shù)據(jù)來自圖1：測(cè)量了不同曝氣速率下 effluent TN、TP和COD濃度。例如，在OLR為0.82 gCOD/(L·d)時(shí)，曝氣速率從0.4增加到1.2 L空氣/分鐘，TN去除效率提高。研究意義是驗(yàn)證曝氣速率對(duì)氮和磷去除的關(guān)鍵影響，幫助確定最佳曝氣條件以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定處理。  

 

2 數(shù)據(jù)來自圖2和方程：建立了最佳曝氣速率與平均OLR之間的相關(guān)性（A=1.46 OLR-0.33）。研究意義是提供預(yù)測(cè)模型，便于在實(shí)際工程中根據(jù)加載速率快速設(shè)定曝氣速率，優(yōu)化操作。  

 

3 數(shù)據(jù)來自表3和表4：測(cè)量了污泥產(chǎn)率（Y）和AOB/NOB種群比例。例如，在OLR增加時(shí)，污泥產(chǎn)率從0.26增加到0.47 gSS/gCOD去除，AOB/NOB比率隨DO濃度變化。研究意義是揭示加載速率和曝氣對(duì)微生物群落和污泥產(chǎn)量的影響，為工藝控制提供微生物學(xué)基礎(chǔ)。  

 

 

4 數(shù)據(jù)來自圖3：顯示了AOB/NOB比率與氮加載速率（NLR）和曝氣速率的相關(guān)性（R_AOB/NOB = 0.07 NLR - 4.65 A + 0.27）。研究意義是證實(shí)低DO條件有利于AOB優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)PND過程，提高氮去除效率。  

 

5 數(shù)據(jù)來自圖4和表5：測(cè)量了典型周期中溶解N2O濃度和N2O生成量。例如，在最佳曝氣速率下，非曝氣期N2O生成量最高。研究意義是量化N2O排放規(guī)律，幫助評(píng)估溫室氣體產(chǎn)生機(jī)制和減排策略。  

 

 

 

結(jié)論  

1 在12小時(shí)循環(huán)周期下，最佳曝氣速率隨OLR增加而增加（0.6、0.8和1.2 L空氣/分鐘對(duì)應(yīng)OLR 0.61、0.82和1.02 gCOD/(L·d)），AOB/NOB比率隨NLR增加或曝氣速率減少而提高。  

2 最后一個(gè)曝氣期平均DO濃度低于4.86 mg/L時(shí)，AOB成為優(yōu)勢(shì)菌群，PND效率高，表明DO濃度可作為PND性能的指示指標(biāo)。  

3 N2O生成量隨進(jìn)水TN增加而增加，曝氣期N2O生成量隨曝氣速率增加而減少，但非曝氣期在最佳曝氣速率下N2O生成量最高，這與亞硝酸鹽還原量相關(guān)。  

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

在研究中，使用丹麥Unisense的N2O微傳感器測(cè)量溶解N2O濃度，具有高靈敏度和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。這種電極能精確捕捉N2O在操作周期中的瞬時(shí)變化，如非曝氣期結(jié)束時(shí)N2O峰值（圖4）。研究意義在于，通過高分辨率數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確量化N2O生成和排放動(dòng)態(tài)，揭示曝氣速率對(duì)N2O產(chǎn)生機(jī)制的影響（如硝化菌反硝化或異養(yǎng)反硝化）。這有助于理解低溫下N2O排放規(guī)律，為優(yōu)化IASBR操作以減少溫室氣體排放提供可靠依據(jù)，并對(duì)廢水處理過程的環(huán)境評(píng)估和調(diào)控具有重要應(yīng)用價(jià)值。