不同流动条件下有机物对通道反应器含氮化合物转化率的影响外文翻译资料

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不同流动条件下有机物对通道反应器含氮化合物转化率的影响

摘 要

本研究探讨了高溶解有机物（DO）和各种流动条件下深层混合膜通道反应器中有机物对含氮化合物保存率的影响。 进行了一系列批次测试，以检查有机物质（含和不含葡萄糖）对含氮化合物变化的影响。 实验结果表明，在所有流动条件下增加有机物浓度降低了硝酸盐和总氮的浓度; 然而，在水体中发生了亚硝酸盐的增加。 此外，含氮化合物的转化途径从氨化和硝化转变为同化，铵氧化和脱氮。而且，改变流动性也显着影响了硝化和脱硝自转的转化率。当添加或加工物质时，如果流动速度在紊流状态下增加，亚硝酸盐对气态产物的速率会大大提高;增加速度似乎只是抑制了从硝酸盐转化为亚硝酸盐的速率。相反，当没有添加有机物质时，铵氧化速率超过了所有流动状态下的亚硝酸盐氧化速率。实验结果进一步证明，亚硝酸盐氧化是低有机物条件下硝化的速率限制过程。另一方面，当存在足够量的有机物质时，亚硝酸盐对气态产物和硝酸盐至亚硝酸盐的过程主要分布在层流和紊流状态下的脱氮速率。 1998 Elsevier科学有限公司保留所有权利

关键词 通道反应器，混合膜，有机物，氮转化，流动条件，转化率，流体动力学

简介

生物除氮是从废水中除去氮的高效手段，包括同化，氨化，硝化和反硝化。氨通常是用于掺入有机化合物和同化成新的细胞组分的最容易获得的底物（Orhon和Artan，1994）。 氨化是一种通过微生物活动分解成最小化有机天然化合物的过程。 硝化由铵氧化（硝化）和亚硝酸盐氧化（硝化）组成。 相反，反硝化过程包括以下两个步骤：将硝酸盐转化成亚硝酸盐（即脱硝）和亚硝酸盐气态产物（即脱硝）。

硝化在高溶解有机物（DO）和低有机物浓度下发生。 在高有机质和低氧水平下，脱氮占主导地位。 在生物膜系统中，底物的有效扩散不同，微生物的厚度也不同。此外，水体和生物膜之间的质量传输在不同的流体动力学条件下变化。 将生物膜系统与活性污泥系统进行比较显示，前者更难理解，特别是有机物对氮转化的影响。

最近的调查研究了有机物质如何影响硝化（Hanaki et al，1990; Rittmann，1992; Zhang et al，1995; Okabe et al，1996）。 他们注意到的是硝化速率降低，亚硝酸盐积聚和氧气竞争。 Rittmann（1992）指出，乙酸盐浓缩的增加将导致铵态氮通量降低，因为硝化物被迫深入生物膜。 张等人 （1995）报道当葡萄糖浓度在DO浓度小于2.3mg / L的进料溶液中增加时，异养体与硝化物竞争氧。此外，根据Okabe等人（1996）研究发现较高的碳氮比延缓了硝化细菌，特别是N0₂氧化剂的积累导致完全硝化的启动时间相当长。

脱氮率取决于有机质，DO亚硝酸盐浓度和硝酸盐浓度以及反硝化微生物群体（Nakajima et al。，1985; Strand et al。，1985; Masuda et al。，1991; Richter and Kruner ，1994）。 Strand（1986）证实，暴露于需氧培养基的微生物膜中氧化脱氮的速率可以与缺氧培养物中观察到的氧化脱氮速率一样高，条件是有机物和微生物生物量丰富。在后来的研究中，Richter和Kruner（1994）提出，生物净化系统的氧化和未氧化操作之间氧化氮的差异可能高达31.3％。此外，如Watanabe等人所述，碳氮比的增加提高了在空气相中的相同氧分压下脱氮的效率。 （1995）。

世界上许多地区仍然有化粪池系统，直接排放了一部分生活废水和经过处理的工业废水。 Leu et al（1996）指出，低速度在开放通道中产生具有低水平有机物质的含氮化合物的转化率。 然而，在先前关于含氮化合物转化的文献中的不足的信息严重限制了当操作条件或反应器类型变化时的直接比较。 因此，在本研究中，我们不仅研究了高DO浓度下含氮化合物转化途径中有机物变化的影响，而且试图阐明速度变化对转化速率的影响。在各种有机物条件下的化合物。

材料和方法

实验描述

图1 人工航道系统示意图

实验在20℃的实验室环境中进行。 图1显示了设备的布局。 人工渠道宽0.3米，长6.35米。 使用0.1m高的尾堰来控制速度和深度。 瓷砖被用来支持生物质。 使用大桶来耗散能量并稳定水。 使用回收泵控制流速。 回收罐的体积为80L。 该系统采用来自生活污水处理厂的混合培养物; 生物膜的适应时间长于2年。 使生物膜在低有机物质条件下生长，其中化学需氧量（COD）浓度总是低于40mg / l，DO浓度保持在3mg / l至5mg / l之间。 生物膜积聚在通道床上，厚度可能已经超过几百微米并且相对均匀。 在每个批次测试之前和之后，生物膜生长并适应至少一周的稳定流速。流速也保持不变，在0.82厘米/秒。pH值范围从7到7.5。

用于适应生物的物质的组成类似于生活废水。通过混合原始合成底物和自来水，将样品的COD浓度维持在250mg / L。通过使用全脂奶粉和表1中所列的一些实验室级化合物来配制原料合成基质。接下来，通过DO计监测水体中的溶解氧浓度。 然后使用标准方法（APHA，1985）分析可溶性COD和悬浮固体（SS）的浓度。 此外，亚硝酸盐，硝酸盐和氨氮的浓度通过利用分段分析来确定。 氨，亚硝酸盐和亚硝酸盐 硝酸盐的分析范围和精度分别为0.6plusmn;30,0.2plusmn;10和0.5plusmn;25ppm N（Skalar Analytical B.V.，Breda，荷兰）。

实验程序由以下步骤组成。首先，从可调泵的流速确定。第二，打开回收罐中的空气压缩机，DO浓度保持在5和6mg / L之间。第三，将流速泵转动并将所需的葡萄糖或硫酸铵加入通道系统中。第四，从通道水中取水样。在混合基底一小时后，在循环罐的中心每小时进行取样，其中测量DO，COD，SS，亚硝酸盐，硝酸盐和铵的浓度。累积地，在两种不同的有机物质条件下进行12次运行。通过加入外部葡萄糖（40g）将高有机物条件下的初始COD浓度调节为约150mg / L;在这些测试期间不加入含氮化合物。在混合葡萄糖一小时后，分析第一水样品，显示可溶性COD浓度降低至100plusmn;120mg /L。在低有机物条件下，只加入硫酸铵样品的铵态氮浓度调节在7plusmn;10mg / L。 值得注意的是，初始COD浓度类似于适应条件

表1实验1中原料合成基质的组成

流量条件

在这项研究中，实验速度设置在0.36和2.2cm / s之间。频繁的速度变化使得人们难以理解低速对氮转化速率的影响。在解决这一问题时，雷诺数（Re）通常用于描述速度对各种低温条件下含氮化合物转化率变化的影响。在输入通道中，等效直径（De）可以表示为De =（WH）/（2H W）。其中W表示通道的宽度，H表示低深度，水的粘度和密度假定为m = 0.01g /（cm.s），r = 1g / cm 3，W = 30cm，H10cm。因此，Re（在不同的低速下计算）在858和5280内。表2显示了低速和雷诺数之间的关系。许多研究表明，临界雷诺数可用于区分流动通道中的层流动力和湍流动力。这项研究证实，这样一个关键的雷诺兹数发生在约3800。

表2.雷诺数与流速之间的关系

*驯化速度

结果与讨论

有机物和SS浓度的变化

图2描述了在各种有机物条件下COD和SS浓度随时间的变化。 当不加入葡萄糖时，COD浓度显然没有消除。 此外， 如图2（a）和（b）所示，SS浓度缓慢衰减，导致可能是由于生物质的质量损失和水体中悬浮固体的水解。 当加入葡萄糖时，SS浓度没有显着变化。 如图。 如图2（c）和（d）所示，COD浓度降低至约20plusmn;60mg / l。 有趣的是， 图2（c）表明，当湍流条件下，COD的去除率显着增加。 此外，当加入葡萄糖时，似乎没有发生生物膜的脱落。

在低COD条件下含氮化合物的转化，在实验中，pH总是小于8的事实解释了为什么不可能发生铵汽提，并且铵被氧化成亚硝酸盐。 铵氧化是影响铵去除速率的主要机制。 图3（a）显示，试验时间的增加略微增加了氮铵去除的速率

相反，当不存在可降解的有机物质时，铵氮去除率将稳步增加。

硝化反应器中的亚硝酸盐积累常常归因于环境因素的抑制。 以前的研究注意到几个因素，如低氧，温度变化，pH值升高和氨的存在（Balmelle等，1992; Yang和Alleman，1992; Cecen和Gonenc，1995）。 图3（b）表明：（a）通道反应器在低COD条件下具有轻微的亚硝酸盐积累，和（b）其浓度通常随试验时间线性变化。 众所周知，亚硝酸盐和硝酸盐通常在生物膜的表面附近产生，并且它们可以在生产过程中用于硝化层的两侧。 根据我们的测试，由混合膜的内层中的铵降解产生的氧气百分比导致亚硝酸盐的累积。 从上述结果，我们可以推断，水体中亚硝酸盐氮产生的恒定速率是水体与水体之间亚硝酸盐反应的限制速率

翻译时出错生物质。 如图。 如图3（c）所示，在低COD条件下，硝态氮也随着试验时间的增加而线性增加。 这个结果还表明，水体中硝酸盐生成的恒定速率可以解释为硝酸盐浓度的限制速率

图2 不同有机质和流动条件下COD和SS浓度随试验时间的变化 （a）及（b）：无葡萄糖加入；（c）及（d）：加入葡萄糖。图3.变化中的浓度的氮的化合物巳常识测试时间在各种或shy;有机质和流动条件。（a）（d）：无葡萄糖添加；（e）（h）：加入葡萄糖； A Re = 858; Re = - 1595; -... - Re = 2332; -0- Re = 3806; -6.- Re = 4544; 0- = 5280 Re

在水体中的总氮包括有机氮、硝酸盐、亚硝酸盐和铵态氮。 在这项研究中，铵氮和氧化氮（NO2 N NO3 N）是促成总氮的信号组分，因为仅添加葡萄糖或硫酸铵。 值得注意的是，没有分析水体中的有机氮浓度。 根据图3（d）所示，当不加入葡萄糖时，总氮浓度仅随试验时间稍有增加。 此外，将总氮浓度的增加与含有机氮的悬浮固体的减少相比较，揭示了在低有机条件下发生氨化。

在高COD条件下含氮化合物的转化

当加入葡萄糖时，铵氮浓度随试验时间线性降低，如图 3（e）。比较图2（c）图3（e）显示，铵的去除速率不随有机物浓度变化。较高的有机物浓度显然提高了同化的速率，这是由于异养组织的代谢的改善，补偿了有机物质对氮化的抑制。 Hanaki et al. （1990）在悬浮生长反应堆中达到类似的观察结果。图3（g）显示，在高有机物条件下，硝态氮浓度随试验时间呈指数下降。根据这一结果，硝酸盐对亚硝酸盐的速率超过了在混合lms体系中亚硝酸盐氧化的速率。此外，水体中亚硝酸盐浓度的增加和硝酸盐浓度的降低意味着亚硝酸盐氧化过程在高DO和COD条件下发生。此外，图2（c）图3（g）表明硝酸盐和COD的去除是时间依赖性的。该比较还揭示了有机物的浓度在增加硝酸盐转化为亚硝酸盐的速率中起着显着的作用，特别是当水体中的COD％NO 3 N比超过10时。此外，COD％NO 3 N比在高DO条件下超过缺氧条件下。

亚硝酸盐氮的浓度显着增加，然后达到一定值，从图5的比较可以看出。 3（f）和（b）。 另外， 图3（f）和（g）表明硝酸盐和亚硝酸盐变化的浓度显示不同的趋势。 这个结果表明硝酸盐到亚硝酸盐的转化也显着在亚硝酸盐积累的速率。 在高有机物条件下，总氮随试验时间减少，如图1所示。 3（h）。 水体中总氮消除的途径包括亚硝酸盐去除和铵同化。 消除总氮浓度的趋势类似于硝酸盐氮去除的趋势。 比较图。 图2（c） 图3（h）表明，各种有机物质，而不是硝酸盐的去除，轻微地影响总氮的去除率。 有机物对硝酸盐去除率的影响大于亚硝酸盐的去除率。 亚硝酸盐在生产中直接产生，并在生物膜的内层中除去，其始终保持缺氧条件。 然而，在高DO条件下消除了从水体中使用的硝酸盐。 因此，当DO浓度较高时，水体中的有机物含量越高，必须去除硝酸盐

含氮化合物转化的途径

如通常已知的，含氮化合物可引起储层的富营养

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