CASS工艺处理低碳源生活废水-氧化二氮排放的最小化：进水方式和曝气率的影响外文翻译资料

 2022-02-27 21:34:10

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CASS工艺处理低碳源生活废水-氧化二氮排放的最小化：进水方式和曝气率的影响

Weihao Liang, Chao Yu, Hongqiang Ren, Jinju Geng, Lili Ding, Ke Xu

摘要

废水处理过程中的一氧化二氮（N2O）排放可以通过改变操作条件而减少，例如有机碳供应和溶解氧来减轻。为了评价低碳源生活污水处理过程中N2O排放的控制参数，研究了不同进水方式和曝气率下循环活性污泥系统（CASS）的N2O排放。结果表明，与间歇进水相比，连续进料增强了氮的去除和减少了N2O排放，而较高的通气率导致较少的N2O排放。N2O主要在间歇进水CASS的非曝气阶段产生，反硝化作用产生的N2O量在连续进水下减少，表明连续进水中的碳源缓解了反硝化还原酶之间的电子竞争。此外，基于高生产能力16S rRNA基因测序的分类学分析显示，在连续进水CASS中，反硝化细菌，尤其是N2O还原菌的丰度较高。

关键词：一氧化二氮、进水方式、曝气率、活性污泥循环系统、微生物群落

背景

一氧化二氮（N2O）被认为是主要的臭氧消耗物质和在全球变暖过程中具有重要作用的温室气体，其温室气体效应约为碳氧化物的300倍（CO2）（Kampschreur et al., 2009)。废水处理占N2O人为排放的3.2%-10.2％，主要产生于废水的运输和生物处理过程（Desloover et al., 2012)。报告的全规模植物的N2O排放因子（相对于氮负荷排放的N2O-N的量）变化很大，范围从0％到25％（Law et al., 2012)。因此，废水处理中N2O排放的来源、机理和最小化越来越受到关注。N2O主要通过废水处理厂（WWTPs）的硝化和反硝化生物脱氮（BNR）发生（Kampschreur et al., 2009）。并且通常包括三种途径，其成果仍然存在争议：（1）硝化反硝化（ND）：当氨氧化细菌（AOB）使用亚硝酸盐作为交替电子受体时作为副产物产生的N2O代替O2 （Kampschreur et al., 2008a; Yu et al., 2010)；（2）异养反硝化（HD）：由于氮还原酶活性不平衡，异养反硝化菌在硝酸盐或亚硝酸盐还原过程中积累了N2O（Lu and Chandran, 2010)；（3）羟胺氧化：N2O由亚硝酸盐O2氧化NH2OH或N2O2H2分解产生（Wunderlin et al., 2012).污水处理厂的工艺设计和运行参数主导了N2O排放的规模和可变性。一些参数被普遍接受，在N2O生成中起主要作用。如亚硝酸盐积累、溶解氧限制、有机碳源不足等（Kampschreur et al., 2008a; Lu and Chandran, 2010)。对于序批式反应器（SBR）系统，通常认为在曝气阶段N2O对总N2O产生的贡献更大（Rodriguez-Caballero et al., 2015)。但是，没有详细说明在沉降阶段N2O排放速率和数量特征。一些研究还报道了反硝化作用产生的N2O不容忽视。 (Gabarro et al.2014)发现在部分亚硝化反应器的缺氧阶段产生60％的N2O。

对于污水处理厂中的高水平氮去除，生活污水中的碳源（COD浓度小于200 mg / L，COD / N比低于4）通常不足。因此，为了使出水中的氮浓度达到排放限值及以下，这种废水应该用新型高性能生物反应器进行处理。循环活性污泥系统在小规模污水处理厂处理低碳源生活污水时，可以达到较高的污染物去除效率。CASS工艺是序批式反应器（SBR）系统的变体，其结合了生物选择器和进间歇反应器。通常，CASS系统采用简单的、重复的、基于时间顺序，其在基本循环中包括填充-曝气、沉降和出水。由于配置灵活、操作简单、更经济的占地面积，该工艺已广泛应用于城市污水和各种工业污水处理厂，特别是中国的小型污水处理厂（Wang et al., 2012)。同时，由于强烈的电子竞争，处理低碳源生活污水也会导致大量的N2O排放。迄今为止，在CASS过程中对N2O排放的研究有限。

鉴于废水处理系统是高度工程化的系统，有机会通过改善运行条件来减轻N2O排放。有机碳供应和溶解氧是N2O生成的两个重要因素，可以通过改变进水方式和曝气率来控制。间歇进水和连续进水方式都可以在CASS中使用。然而，由于流入量的波动，许多CASS采用间歇进水来确保高污染物的去除率。过多的曝气抑制反硝化作用并增加成本，而不充分的曝气会恶化出水质量。在废水处理系统中更改这两个操作参数很方便。因此，本研究旨在研究CASS不同运行模式的影响，包括不同的进水方式和曝气速率对CASS反应器处理低碳源城市污水排放N2O的影响。同时对碳和氮的去除进行了研究，以探索降低N2O排放和CASS令人满意性能的最佳操作方式。此外，基于高通量16S rRNA基因测序，通过微生物群落分析探索N2O产生源。

方法

实验装置

实验在实验室规模的CASS反应器中进行，有效体积为4.66升（43厘米长，11厘米宽，10厘米高），如图1所示。向反应器中加入合成水，并接种从中国南京仙林市污水处理厂CASS二沉池收集的活性污泥。在整个研究期间，混合液悬浮固体（MLSS）浓度维持在约3000mg/ L，并且水温为20℃。氧气由空气泵通过多孔石材扩散器供应，通气速率由气体流量计控制。

在本研究中，CASS反应在两种不同的进水方式下运行（图1)。在模式1中，在间歇进水条件下具有不同通气速率，即50,40,30和20L/h的四个CASS反应器（A1，A2，A3和A4）并排操作。在模式2中，由于合成废水在整个循环中连续进料，因此进水方式改为连续进水。在连续进料条件下，四个CASS反应器（B1，B2，B3和B4）的通气速率与模式1相同。反应器的循环时间为4.8小时，循环包括以下阶段（图1）：在连续进料，2小时阶段，1小时沉降，1小时倾析下分批进料或空转进料48分钟。在每个循环中排出1.86L（总体积的40％）上清液，并且在倾析后将2.80L液体保留在反应器中。合成废水在最初的48分钟内或在整个循环期间使用蠕动泵进料，水力停留时间为12小时。浪费一定量的污泥混合物以将固体保留时间（SRT）控制在约20天。所有测量均在反应器运行20天（1SRT）后进行，并达到稳定的性能，表明流出物中的氮化合物浓度稳定。合成废水的组成（每升）：50mg葡萄糖，80mg NH4Cl，100mg蛋白胨，13mg KH2PO4，25mg MgSO4 7H2O， 11mg CaCl2 2H2O和0.6mL痕量金属溶液（下面给出的组合物）产生的进水化学需氧量（COD），NH -N和TN约为150,21，和36毫克/升。通过添加Na2CO3将pH调节至7.8。1升痕量金属溶液：1.5g FeCl3-6H2O，0.15g H3BO3，0.03g CuSO4-5H2O，0.18g KI， 0.12g MnCl2-4H2O，0.06g Na2MoO4-2H2O，0.12g ZnSO4-7H2O，0.15g CoCl2 - 6H2O和10g EDTA。

分析方法

化学需氧量( COD )、NH4 、NO3-、NO2-、总氮( TN )、MLSS和混合液挥发性悬浮固体( MLVSS )的分析按照标准方法测定(APHA, 2005)。使用氧气(SG6, METTLER TOLEDO Inc., USA)和pH计( FE20, METTLER TOLEDO Inc., USA)测量溶解氧、pH值和温度值。使用微型传感器(Unisense, Denmark )测量气相和液相中的N2O浓度，并根据报道的方法计算N2O排放率(Kampschreur)，所有测量和分析一式三份。

16S rRNA基因扩增测序和数据分析的程序

选择从A3和B3收集的活性污泥作为16S rRNA基因扩增子测序的样品，按照DNA提取，16S rRNA基因PCR扩增和PCR产物纯化的顺序进行处理。为了扩增和测序16S rRNA基因的V1V2高变区，选择正向引物（50-AGAGTTTGATYMTGGCTCAG-30）和反向引物（50-TGCTGCCTCCCGTAGGAGT-30），将不同的8碱基条形码和鸟嘌呤连接到50端每种底漆（Zhu et al., 2015)。然后使用Illumina测序平台（Miseq, Illumina Inc., USA）将纯化的产物送去测序。获取的数据由Sickle和Mothur程序处理，以消除低质量的序列并减少噪音。最后，通过RDP分类器将过滤的序列分配给分类单元。具体方法和数据分析可在补充材料中找到。

Fig. 1. Schematic description of CASS and the operation modes of two feeding strategies.

结果与结论

中国社会科学院的观点

为了更好地理解在两种进水方式下不同曝气速率的CASS中的氮转化特性，每隔30分钟分析DO、NH4 -N、NO2--N、NO3--N、TN浓度和COD，结果如图2和3所示。如图2和3所示，在曝气阶段，A1、A2、A3和A4中的平均DO浓度分别为3.44、2.87、2.60和1.02 mg/L，而B1、B2、B3和B4中的平均DO浓度分别为2.58、1.78、1.04和0.57 mg/L，这是由于不同的曝气速率。在沉降阶段，活性污泥中的DO浓度降至0.01 mg / L以下。在连续进水的曝气期间NO2 积累低于间歇进水CASS。连续进水反应器中最高的NO2-N浓度为2.7-5.9 mg / L，间歇进水反应器中的浓度为4.64-12.41 mg / L。由于部分进水有机物在进水期间被活性污泥吸附或除去，曝气初期四批进料反应器的COD浓度为51.56-64.44 mg / L，前30天降至28.44-41.67 mg / L min后面变化很小。在曝气的头30分钟，所有四个反应器的TN略有下降，在随后的时间里变化不大。这可能是由于可降解COD在曝气期间被异养微生物排出。与间歇进水相同，在连续进水的曝气期间没有观察到TN的大幅波动，但是随着NO3--N的降低，TN浓度在沉淀阶段显著降低。曝气期间，连续进水的COD浓度在0-90分钟内高于间歇进水，表明连续进水提供的充足碳源缓解了反硝化的抑制。推测好氧阶段活性污泥吸附的有机物在沉淀阶段DO耗尽时，促进了异营养脱氮对NO3-和T

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