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木屑和麦秆作为代替性生物滤料介质用于脱氮反应器处理高硝酸盐水产业或者其他废水的研究
Willie Jones B. Saliling b, Philip W. Westerman a, Thomas M. Losordo a, *
(a. 北卡罗来纳州立大学生物与农业工程系，7625Raleigh，北卡罗来纳州27695-7625，美国
b. 菲律宾南部棉兰老岛大学农业与生物系统工程系，9407 Cotabato，菲律宾)
【摘 要】这项研究评估了作为廉价且易获得的木屑和麦秆作为昂贵塑料介质的替代品用于水产养殖废水或其他高硝酸盐水的反硝化脱氮过程。使用9个3.8 L实验室规模的反应堆（堆积高度times;直径为40 cm times; 10 cm）来比较木屑，麦秆和Kaldnes塑料介质在合成水产养殖废水中去除硝酸盐的性能。依次将这些上流式反应器加载在恒定流速和NO3-N的三种浓度分别为50、120和200 mg / L的进水中分别至少持续4周。这些实验表明，木片和麦秆对Kaldnes塑料介质产生了相当的脱氮率。从含有200 mg NO3-N / L流入物浓度的废水中除去了多达99%的硝酸盐。对于200 mg NO3-N / L进水浓度的伪稳态脱氮率，木屑平均达到（1360 plusmn; 40）g N /（m3 d），麦秆达到了（1360 plusmn; 80）g N /（m3 d），而Kaldnes塑料介质的为（1330 plusmn; 70）g N /（m3 d）。这些值不是反应器的最大潜力，因为通过反应器的硝酸盐分布表明，反应器下半部分的硝酸盐还原是整个反应器的平均值的两倍以上。与除去的单位NO3-N的COD消耗量最高的Kaldnes塑料介质（3.41-3.95）相比，木屑和麦秆的该值为（3.34-3.64）与（3.26-3.46）。实验流出的氨浓度接近零，而亚硝酸盐对于所有反应器类型和负载率都约为2.0 mg NO2-N / L。在脱氮过程中，碱度和pH值增加，而氧化还原电位随着硝酸盐去除而降低。
在140天的实验期间，木屑和麦秆分别消耗减损了16.2％和37.7％。有包括变色和结构转型物理退化的迹象，介质的碳氮比也有所降低。木屑和麦秆可用作生物脱氮的过滤介质，但必须考虑两种材料的使用寿命所带来的限制。
【关键词】麦秆；木屑；脱硝反应；水产养殖；介质退化；生物滤池
投稿时间2006年7月26日；录用时间：2007年6月28日
*通讯作者电子邮箱地址：tlosordo@ncsu.edu（T.M. Losordo）
copy;2007 Elsevier B.V.保留所有权利
1. 引言
比起全球其他动物食品生产部门，水产养殖的增长速度更快（FAO，2002）。水产养殖者不断寻找新的方法占用更少的水、土地和环境消耗来生产更多的鱼。现有的循环水产养殖系统（RAS）技术，以最大限度地利用有限的土地和水资源。一个良好的循环系统设计体系应包括单位过程中所除去固体废物和二氧化碳，增加氧气并控制氨、亚硝酸盐浓度、pH和病原菌含量等于或高于其产生速率（Losordo等人，1998）。
在这些生产系统中，为了最大限度减少水需求，通常会导致产生含有低容量且高浓度的固体、营养物质和COD的废物流（Twarowska等人，1997）。Chen等人（2002）指出废水中硝态氮浓度可达100 mg / L。硝态氮含量的增加可能会潜在导致接收水域中产生富营养化和有毒藻类。在硝酸盐浓度升高的消费者中，地下水污染也可能引起高铁血红蛋白血症的危险。
对于硝酸盐排放的担忧鼓励RAS设计人员通过实施脱氮单元过程或作为离开系统的废水的管道处理来控制废物流中的硝酸盐氮。脱氮是细菌将硝酸盐氮转化为二氮（N2）气体的过程。由于空间需求减少，使用附加的生长过程（如使用结构化介质的生物过滤器）相比悬浮生长过程在水产养殖应用中更受到青睐。然而，这种方法的限制之一是塑料介质的成本相对较高（通常超过1000美元/立方米）。许多研究调查了饮用水、住宅废水和农业径流测试农业和木材副产品作为结构化生物过滤介质的脱氮。Soareshe与Abeliovich（1998）、Aslan与Turkman（2003）的研究结果表明，麦秆可以用作生物过滤介质和饮用水脱氮的碳源。 Lowengart等人（1993）也使用麦秆来给混浊和富含氮的灌溉水脱氮。类似地，Blowes等人（1994）已经证明木屑可以用作生物过滤介质来处理径流和灌溉水。Kim等人（2003）调查了在生物滞留研究中使用木屑和麦秆去除硝酸盐。Robertson等人（2000）评估了锯屑、叶片堆肥、未加工的谷物种子和木制板材作为硝酸盐水流动的反应性屏障。最近，Robertson等人（2005年）报道了市售的木质生物过滤介质（品牌为Nitrextrade;）预处理住宅化粪池出水以除去硝酸盐氮。Volokita等人（1996）研究了将破碎报纸作为反硝化柱中的生物过滤介质。
在上述饮用水和地下水研究中，硝酸盐氮的去除率由于底物（NO3-N）浓度低、碳排放有限而导致脱氮过程效率的降低。在Robertson等人（2005）的住宅废水研究中，由于住宅废水中溶解的有机碳的可获得性，实现了较高的脱氮率。然而，在这两种情况下，从农业和（或）木材产品介质中可以获得最小的碳用于脱氮。Greenan等人（2006）在一篇比较碳基底层对地下排水的反硝化作用的研究中指出使用硬木屑的反应器可提供的脱氮率仅66.0mg N /（kg d）。这些研究是在180天内底物NO3-N浓度为10~80 mg / L下进行的。
本研究的重点是调查两种常用的农林副产品（麦秆和木屑）作为脱氮反应器的生物过滤介质的可行性。在农场低成本的管道末端处理中，可以将这些介质用于从强化循环淡水养殖生产系统产生的污水中去除硝态氮。尽管其高脱氮率和水产养殖废水使用水产养殖污泥中溶解的有机碳已被证明是可能的（Shnel等人，2002），为了减少本研究的并发症，我们选择利用甲醇作为反硝化处理的碳源。本研究的重点是保持与高浓度硝酸盐-氮浓度相似的再循环系统废水的一致的脱硝率，以确定潜在的脱氮能力、使用寿命以及与在厌氧生物过滤器反应器中使用这些类型的介质有关的问题。为了比较实验介质与市售生物过滤介质的反应速率，在本研究中使用塑料介质作为对照。
2. 材料和方法
2.1 实验室设置
根据循环水产养殖系统的化学特征，在9台3.8升的台式L型上流式生物过滤器（图1）中盛有合成的废水（以下称为废水）。三个生物过滤器每个都包含三种类型的介质之一：硬木屑，麦秸和Kaldnes塑料介质（Kaldnes Miljoslash;teknologi AS，Toslash;nsberg，挪威）。Kaldnes介质由高密度聚乙烯制成，平均直径为10 mm，高度为7 mm，近似有效比表面积（SSA）为500 m2 / m3（Oslash;degaard等人，2000）。虽然这种介质如今被广泛用作移动床硝化反应器的介质，但它也被用于固定床脱氮应用中，因为介质床可以定期流化以排除任何累积或过量的生物生长（Michaels等人，2006）。
图1. 本研究中使用的上流式生物反应器示意图
木屑颗粒的尺寸侧边约为8 - 50 mm，厚度为2 - 15 mm，而麦秆被切碎成约20 - 35 mm的长度。3.8 L填充柱反应器由长为40 cm、直径为10.16 cm（4英寸）的透明PVC管制成。将PVC柱的端部用塑料屏蔽覆盖以保持生物过滤介质，并装配有三道10.16cm times; 2.54cm（4英寸times; 1英寸，插入）的PVC减速。三道2.54 cm的减速点出口配有2.54cm times; 0.635cm（1英寸times; 1/4英寸，带倒钩）的减速机配件。这些减速器配件与透明乙烯基管件相连接，实现反应器内物质的流入和流出。在柱上不同高度（10 cm、20 cm和30 cm）钻三个孔，并且将0.635 cm（NPT，带1/4英寸倒钩）的适配器穿入这些孔中，这些开口用于提取液体样品。
通过0.635 cm（1/4英寸）的透明乙烯基管将废水流入物送入反应器的底部。同样，采用乙烯基管用于将流出物从反应器（这是流过系统）的顶部输送出去。乙烯基管道至少每2周清洁一次，以最大限度地减少流入物和流出物管线内的生物膜和固体积聚。实施了此维护程序，可以使得进水和排放管线中的反硝化最小化。
流向九个生物反应器的流体由多口蠕动泵组（Masterflex L/S驱动，8滚柱泵头，小盒型号07519-85，Cole-Parmer Instrument Company，Vernon Hills，IL）提供。每隔一天调整泵头旋转速度（RPM），以确保流速尽可能接近15 mL / min。如果特定的端口流速降至10 mL / min以下，则更换蠕动管（Santoprene）。如果大多数端口流速低于15 mL / min，则调节泵速。蠕动泵（费希尔科学变流蠕动泵，亚特兰大，佐治亚州）用于从插入多端口泵和废物储罐之间的透明乙烯基管的T型连接器中提取流入样品。
一个473 L（125加仑）的聚乙烯储罐用作废水储罐。该罐具有两天的废水供应能力，所有的入口和出口都用硅酮密封剂密封，以尽可能减少空气进入而导致的废水被动氧化。通过储罐底部的两个扩散石头释放氮气，以保持储存的废水中的低溶解氧（DO）浓度。
2.2 合成废水制备
用肥料级硝酸钠溶液（苏打的高产硝酸盐，志愿采购集团有限公司，得克萨斯州）提供浓度分别为50 mg / L、120 mg / L和200 mg / L的NO3 NO2-N来配制废水。废水的组成如表1所示。混合物通过回顾和比较先前相关研究的合成废水（Phillips，1998；Menoud等人，1999）和弗吉尼亚理工学院、州立大学（巴西，2000）和北卡罗来纳州立大学（NCSU）的Fish Barn中RAS单位RAS废水的表征。 北卡罗来纳州立大学（NCSU）的Fish Barn的描述可以在Losordo等人（2000）中相关研究中找到。
表1 本研究中使用的合成水产养殖废水的配方
2.3 质量损失和介质的碳氮比
在反应器填充之前，将介质在70 - 104℃下烘干至少24小时。称重并记录放置在每个反应器中的干燥介质。同样，将麦秆干燥至恒重，其中一些取自每个反应器，直到每个反应器具有大致相同干重的介质。
在脱氮试验完成后，再次测量介质的质量。将培养基彻底洗涤，直到最终生物膜附着于培养基。然后，将培养基按照与之前相同的程序进行烘箱干燥并称重。质量的损失提供了媒体退化的客观量度。在研究过程中，媒体的出现也被观察和记录，作为降解的主观测量。此措施包括颜色的变化以及每列中介质的高度。
为了支持测量体重减轻量，并确定过滤介质的碳氮比。干燥的麦秸和木屑样品用实验室研磨机（2 mm）处理，并分析样本的总碳量和总氮量。在脱氮试验后，从塔高度的每个部分取出培养基样品。将一半的干燥样品切碎并进行实验室分析。选择介质样品，确保每个部分都被选取了样本。
2.4 多孔性
在脱氮试验前后都测定反应器介质的孔隙率。填充床分为四个部分，由采样口的位置划分。用空的反应器（无介质）充满水，同时跟踪填充反应器每个部分所需的体积。为了验证这些结果，排出部分并记录每个部分的体积。将溶胀（浸泡）的介质倒入反应器中，然后如前所述填充和排出反应器。预期空隙体积对应于柱体积与介质和介质之间的差异。介质的孔隙率计算为空隙体积除以没有介质的反应器的体积。
2.5 脱氮驯化和性能测试
为了用细菌接种生物过滤介质，首先将9个生物反应器装入来自NCSU Fish Barn的富含硝酸盐的水产养殖废水中，并保持静止（无流动）状态48小时。用于该程序的废水来自排放到流出物储存池的4室沉降池系统的上清液。Chen等人（2002）描述了废物处理和沉淀池系统，预计这种流出物具有大量的反硝化细菌细胞，因为以前对沉降池的流入和排出废水的研究记录了硝酸盐还原的情况（Chen等人，2002）。在静态期后，废物储罐装满了更多相同的来源的废水，并在闭环中循环通过反应器，返回储罐。这种循环继续进行，直到储罐中废水的硝酸盐-氮浓度大幅度下降为止。在驯化期内，通过添加硝酸盐和甲醇（Acros Organics，莫里斯平原，新泽西州）来改变储罐中的废水以改善细菌生长。在水产养殖废水中再循环9天后，合成废水的进料口开始流入NO3 NO2-N浓度为50 mg / L的溶液。
图2. 三种不同加载速率LR1、LR2和LR3下进水和出水中NO3 NO2-N浓度（见表2）
在本研究中，所有的反应器都是从合成废水的共同来源进料的。反应器以约15 mL / min的速率进料约1个月。 NO3 NO2-N浓度分别为50 mg / L、120 mg / L和200 mg / L，这些分别对应于340 g N /（m3 d）、810 g N /（m3
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