【研究】混合异养/自养/生物活性炭生物反应器同时去除饮用水中的硝酸盐和天然有机物

抽象

方程式M1 使用混合异养/自养/ BAC生物反应器（HHABB）以连续模式同时从饮用水中去除硝酸盐（）和天然有机物质（NOM）。HHABB由三个区室组成：乙醇异养部分，硫自养部分和生物活性炭（BAC）部分（包括缺氧和需氧部分）。实验以方程M2 浓度30mg N / L，等式M3 加载速率0.72kg N / m 3 / d，C：N比0.53和三种浓度的NOM（0.6,2.6和5.7mg C / L）进行。HHABB的总体脱氮率和效率不受NOM浓度的影响，并且在0.69-0.70 kg N / m 3的合适范围内。/ d和96.0％-97.7％。浓度为0.6 mg C / L的NOM去除效率不高，因为有机碳替代为可溶性微生物产品。在较高的NOM浓度下，溶解的有机碳，三卤甲烷形成电位和254nm的UV吸光度（UV 254）的总NOM去除效率分别为55％-65％，55％-70％和55％-65％。用于去除NOM的HHABB的更有效的区室是乙醇异养相和需氧BAC相。HHABB在去除NOM方面的效率相当高，而出水溶解的有机碳和三卤甲烷形成的潜在浓度相对较低。该研究表明，没有缺氧BAC相的HHABB可能是同时去除HACBB的可行替代方案等式M4 和NOM从全面饮用水。

关键词 ：：等式M5

; NOM; 饮用水; 同时移除; HHABB

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介绍

我ñ近年来，通过处理生物过程的饮用水已经采取下更多的考虑，特别是在北美和欧洲。各种有机和无机饮用水污染物，如天然有机物（NOM），2-甲基异冰片，土臭素，藻毒素，农药，甲基叔丁基醚，全氯乙烯，三氯乙烯，硝酸盐（等式M6 ），亚硝酸盐（等式M7 ），溴酸盐，高氯酸盐，氨氮，铁（II），锰（II）等可通过生物过程治疗（Bouwer和Crowe，1988 ; Herman和Frankenberger，1999 ; Rittmann和McCarty，2001 ; Brown 等，2005年 ;布朗，2006年）。

用于社区供水的水资源污染等式M8 是全球公共卫生问题。高浓度饮用水中等式M9 和等式M10 饮用水中存在的健康风险与发生紫绀和高浓度窒息的婴儿中发生的高铁血红蛋白血症（所谓的“蓝婴综合症”）有关。在此基础上健康的影响，世界卫生组织推荐的标准值11.3毫克等式M11 和0.9毫克等式M12 的饮用水（Wang和曲，2003 ;布迈丁和阿舒尔，2004年，WHO，1996年，2006年）。传统技术等式M13 从饮用水中去除离子交换，反渗透和电渗析，这需要高资金，操作和维护成本。这些方法的另一个缺点是产生大量浓缩盐水（Ergas和Rheinheimer，2004 ; McAdam和Judd，2006）。因此，迫切需要开发用于等式M14 从饮用水中去除的成本有效的方法。生物脱氮有望成为传统等式M15 去除技术最具吸引力的替代品。异养和自养生物都能够脱氮（Feleke和Sakakibara，2002 ; Kim 等，2004 ; McAdam和Judd，2006年 ; Sierra-Alvarez 等人。，2007 ; Ghafari 等。，2008）。需要有机碳源如葡萄糖，甲醇，乙醇等作为末端电子供体或底物的异养反硝化（HD）过程具有快速动力学。在用于HD工艺的有机基质中，考虑到其动力学参数的高值，廉价，易得性和缺乏毒性，乙醇被确定为最合适的选择之一（dos Santos 等，2004）。使用乙醇的HD过程的总体反应可以总结在下面的等式中（Matějů 等，1992）：

（1）

可以通过利用氢气或还原的硫化合物作为末端电子给体来进行自养反硝化过程。硫自养反硝化（SAD）过程的总反应可归纳为以下化学计量方程（Soares，2002）：

（2）

与HD工艺相比，SAD工艺的优点是污泥产量更少（电池产量更低），不需要有机基质，元素硫成本低，可溶性微生物产品（SMPs）释放更少，从而更容易后处理（Sierra-Alvarez 等，2007 ; Ghafari 等，2008）。HD过程还具有优于SAD过程的一些优点，例如快速动力学和碱度产生（Matějů 等，1992 ; dos Santos 等，2004）。

在所有水资源中都观察到NOM包含复杂的化合物混合物（如腐殖质，亲水酸，碳水化合物，氨基酸，羧酸等），但其在原水中的高浓度存在是主要问题之一。供水公用事业。NOM的一些组分可与消毒剂反应形成消毒副产物，例如三卤甲烷（THM），其具有健康危害和饮用水准则值。与NOM相关的另一个重要问题是配水系统中的微生物再生，这对处理后的水质产生了不利影响（Xie，2004 ; Matilainen和Sillanpää，2010）。从饮用水中去除NOM的推荐处理方法是增强凝结，颗粒活性炭（GAC）吸附和膜过滤，这需要高资本和运营成本并产生大量废物副产物（Marhaba和Pipada，2000 ; Jiang和Wang ，2003 ; Murray和Parsons，2004 ; Xie，2004）。在几个研究项目中研究了使用生物过程或组合化学/生物过程从饮用水中去除NOM（Seredyńska-Sobecka 等，2006 ; Buchanan 等，2008）; 然而，没有关于同时去除的研究方程M18 到目前为止，使用生物过程进行NOM。在先前的研究中，生物活性炭（BAC）经常被用作NOM去除的生物学过程。BAC利用GAC作为生物膜生长的介质，并且可以通过吸附和生物降解过程去除NOM（Li 等人，2004 ; Toor和Mohseni，2007 ; Buchanan 等人，2008）。

本研究的目的是研究等式M19 使用杂交异养/自养/ BAC生物反应器（HHABB）同时从饮用水中去除NOM和NOM。HHABB以在作者先前工作和三个NOM浓度下获得的最佳方程式M20 加载速率0.72kg N / m 3 / d运行。所述HHABB的性能进行了全面通过测量调查等式M21 ，等式M22 ，溶解的有机碳（DOC），三卤甲烷生成电位（THMFP），UV吸光率在254（UV 254），pH和碱度以及方程式M23 在进水和的不同部分的流出物生物反应器。

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材料和方法

实验装置

本研究中使用的实验装置示意性地显示在图1中。如图1所示，HHABB由三个隔间组成; 第一个隔室是乙醇异养反应器或“EH部分”，第二个隔室是硫自养反应器或“SA部分”，最后一个隔室是BAC部分，包括两个部分：缺氧BAC部分和好氧BAC -部分。使用水族箱鼓风机和空气扩散器对需氧BAC部分进行充气。HHABB的所有部分均由有机玻璃管构成。作为固定膜生物反应器，HHABB的所有部分都由用于生物膜形成的介质填充。EH部分填充有惰性填充材料（Bee-Cell 2000; DANAQ）。在SA部分中，具有不规则形状的硫颗粒用作自养生物膜生长的底物和介质。BAC-部分的媒体是GAC（保水剂®2000; Jacobi Carbons），也可作为吸附剂。表1总结了HHABB部件的总体规格。如表1所示，EH部分和SA部分的有效或无效体积相等（1.3L）; 因此，EH部分的水力停留时间（HRT）值等于SA部分的值。此外，BAC部分（缺氧或需氧）的每个部分的有效体积为0.22L; 因此，这些部分的HRT值约为EH部分HRT的六分之一。

图。1。

本研究中使用的实验装置：1，饲料池; 2，蠕动泵; 3，截止阀; 4，流量计; 5，EH部分; 6，采样口; 7，SA部分; 8，鼓风机; 9，缺氧BAC部分; 10，有氧BAC部分; 11，出水水库。EH部分，乙醇异养部分; SA部分，硫自养部分; BAC，生物活性炭。

表格1。

混合异养/自养/生物活性炭生物反应器零件的总体规格

		值
参数	单元	H-部分	SA-部分	缺氧BAC部分	有氧BAC部分
内径	厘米	5	5	5	5
床深	厘米	75	145	17	17
床量	大号	1.47	2.85	0.35	0.35
空隙量	大号	1.3	1.3	0.22	0.22
包装材料特性
类型	-	聚苯乙烯（Bee-Cell 2000）	硫磺颗粒	GAC（保水剂®2000）	GAC（保水剂®2000）
比表面积	m 2 / m3	650	536	5.0×10 8（非常高）	5.0×10 8（非常高）
多孔性	％	87	45	65	65
尺寸	厘米	大约1.0	0.5-1.0	0.2-0.3	0.2-0.3

BAC，生物活性炭。

饲料水质

使用自来水，KNO 3，NOM作为腐殖酸（50％-60％），NH 4 Cl，NaH 2 PO 4，微量元素溶液和乙醇（C 2 H 6 O）作为异养生成合成给水。电子供体。所有实验（不包括启动阶段）分别在大约恒定浓度的等式M24 氨氮和磷酸盐（作为营养素）下以30mg 等式M25 ，0.5mg 等式M26 和0.3mg 的值进行方程M27 。自来水的质量特征如表2所示。微量元素溶液的成分及其浓度为ZnSO 4·7H 2O为800 mg / L，MnCl 2为600 mg / L，（NH 4）6 Mo 7 O 24 ·4H 2 O为200 mg / L，CuSO 4 ·5H 2 O为400 mg / L，CoCl 2 · 6H 2 O，400 mg / L. 微量元素溶液以1.0mL / 10L进料水（0.01％v / v）使用。基于施加的C：N比0.53，将流入水中的乙醇浓度调节至15.8mg C / L. 本研究中用于制备进水和质量分析的所有化学品均为分析级。

表2。

进水中自来水的质量特性

质量参数	单元	测量数量	平均	标准偏差
pH值	-	24	7.9	0.2
EC	μmohs/厘米	24	382	19
浊	NTU	24	0.4	0.1
溶解氧（DO）	毫克/升	24	6.2	0.3
HPC	CFU / mL的	12	94.9	58.5
硬度	mg CaCO 3 / L.	12	166.1	12.7
碱度	mg CaCO 3 / L.	12	114.8	5.5
Ca 2+	毫克/升	12	52.6	3.9
Mg 2+	毫克/升	12	8.4	4.1
Na +	毫克/升	12	22.7	3.3
K +	毫克/升	12	1.0	0.1
	毫克/升	12	140.1	6.8
	毫克/升	12	65.1	4.8
Cl -	毫克/升	12	18.4	2.1
	MGN / L	12	0.00	0.00
	MGN / L	40	1.7	0.4
TOC	毫克/升	12	0.53	0.06
三卤甲烷	微克/升	12	26.2	9.1
氯仿	微克/升	12	21.9	7.7
三溴甲烷	微克/升	12	0.4	0.8
一溴二氯甲烷	微克/升	12	2.3	2.0
二溴	微克/升	12	1.6	1.4

微生物接种和生物反应器的启动

使用从具有活性污泥工艺的全规模废水处理工厂（Sahrak-e Ghodss）收集的一些污泥接种HHABB。EH部分和BAC部分通过返回活性污泥接种，SA部分接种消化污泥。微生物接种后，EH-部分和BAC-系列在分批和再循环模式下运行45天，以富集异养反硝化混合培养物，通过给水（含有等式M32 NOM和乙醇）使细菌适应环境，并加速生物膜媒体发展。同样，SA部分也分批和再循环模式运行45天，但其给水含有NaHCO 3而不是乙醇。在此期间之后，如图1所示，EH部分，SA部分和BAC部分重新排列，并以连续模式操作2周，流速逐渐增加，范围为0.5-2.6。 L / h完成启动阶段。在启动阶段中，进水浓度等式M33 在50-200毫克的范围内设定等式M34 ，并且系统的性能通过测定监测等式M35 ，等式M36 ，UV 254，DOC，pH值，碱度，并等式M37 在进水和出水生物反应器的不同部分。

实验运行

通过用蠕动泵以上流模式连续泵送进料水通过填充床柱，在三次运行中进行实验。作者先前的研究表明，等式M38 HHABB对反硝化速率，效率和出水水质的最佳加载速率为0.72 kg / m 3 / d; 因此，在本研究中，以等式M39 最佳等式M40 加载速率和3个NOM浓度0.6,2.6和5.7mg C / L 研究同时去除NOM和NOM 。在等式M41 加载速率，EH部分（或SA部分）的HRT值，BAC部分和HHABB的每个部分分别为30,5和70分钟，流速为2.6L / h。在第一次实验运行（运行I）中，浓度为0.6 mg C / L的NOM来自自来水，而在第二次和第三次实验中（运行II和运行III），NOM为腐殖酸（50％-60）在进料水中加入％）以使NOM浓度分别增加至2.6和5.7mg / L. 在每个实验中，运行生物反应器直至观察到稳态条件。当三个连续采样的样本数据的变化<5％时，假设存在稳态条件。因此，每次实验运行持续约一个月以获得稳态操作。所有实验均在室温（20℃±2℃）下进行。

为了防止生物反应器床因生物质积聚而堵塞和短路并除去夹带的气体，使用水以每小时2-3L / min的流速在5分钟内对HHABB进行反洗。此外，在每次实验运行之后，将填充材料从柱中排出，用去离子水洗涤以除去过量的生物质，然后重新装入柱中。

在该研究中，参数DOC，UV 254和THMFP用作NOM指标。为了研究HHABB性能，包括反硝化速率和效率，NOM去除效率，并影响关于进水的物理和化学质量，参数等式M42 ，等式M43 ，DOC，THMFP，UV 254，pH值，碱度，并等式M44 分别在流入和流出的测量以预定时间间隔从所需采样端口采样。

分析方法

所有质量参数方程M45 ，等式M46 DOC，THMFP，UV 254，pH，碱度和等式M47 根据标准方法（APAH / AWWA / WEF，1998）的说明测量。为了分析参数等式M48 ，方程M49 DOC，THMFP，UV 254和等式M50 ，样品通过0.45μm膜过滤器以除去样品的浊度。参数THMFP是总THM 7浓度与初始总THM浓度（THM 0）之间的差值。总THM 7通过每个样品与游离氯残留物反应7天，浓度范围为3-5mg / L，温度为25±2℃，用磷酸盐缓冲液控制pH为7.0±0.2，测定浓度。通过使用UV-可见分光光度计（Lambda 25; PerkinElmer Inc.）读取254nm处的吸光度来测量参数UV 254。

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结果和讨论

反硝化速率和效率：NOM浓度的影响

由于等式M51 是生物脱氮代谢途径中的间歇产物之一，在许多情况下，尤其是具有小于化学计量值的C：N比的HD过程，方程M52 以相当大的量累积。在先前的研究中，反硝化速率和效率的计算经常受到等式M53 累积的干扰（Mohensi-Bandpi和Elliott，1998 ; dos Santos 等，2004）。为了解决这个问题，在本研究中，将参数“的总浓度等式M54 和等式M55 作为等式M56 浓度”的定义基于在这些阴离子氮氧化态，如下所示并且在反硝化速率和效率的计算中使用：

（3）

其中方程M58 是的总浓度方程M59 和等式M60 作为等式M61 浓度，等式M62 是等式M63 浓度，等式M64 是等式M65 浓度。

图2显示了等式M66 在实验运行期间EH部分和SA部分的流入物和流出物中的值的分布。基于使用乙醇（1.05）的HD工艺的C：N比的化学计量值，对于施加的C：N比率0.53，EH部分中的最大可能脱氮效率为50％。等式M67 EH部分流出物的相应值为15mg N / L. 根据图2，平均值等式M68 在NOM浓度为0.6,2.6和5.7mg C / L（分别为试验I，试验II和试验III）的EH-部分流出物分别为15.5,15.4和14.7mg N / L; 因此，在这些情况下，EH-部分的脱氮效率分别为48.5％，48.6％和51.1％。在NOM浓度为5.7 mg C / L时，除乙醇外，相当一部分NOM用作HD工艺的电子供体，这导致反硝化效率高于仅使用乙醇的最大可能效果，但在其他实验运行中， NOM浓度低（0.6和2.6 mg C / L），对EH部分反硝化效率没有任何显着影响。在Run I，Run II和Run III中，SA部分的平均脱氮效率分别为92.2％，92.7％和95.3％，导致HHABB的合适的总脱氮效率为96.0％，96.2％和97.7％。如图所示图2，在这些情况下，等式M69 加载速率为0.72，脱氮率分别为0.69,0.69和0.70kgN / m 3 / d。与文献中报道的其他饮用水处理系统相比，HHABB中的脱氮率和效率相对较高（Soares， 2002 ; Wan等， 2009 ; Zhang等， 2009）。

图。2。

等式M70 在实验运行期间EH部分和SA部分的流入物和流出物中的值的概况。

图3表示等式M71 在不同实验运行中EH部分和SA部分的流出物中浓度的变化。方程M72 在大多数情况下，进水浓度非常低（平均为0.03 mg N / L）。如图所示图3，等式M73 堆积在EH-部分的流出物增加NOM浓度的增加，因此，最高平均等式M74 在运行III观察到的浓度（10.1毫克N / L）。在所有试验中，等式M75 通过转化为N 2气体，在SA部分中除去累积的主要部分; 如在SA部分的流出物中，等式M76 在运行I，运行II和运行III时，浓度分别显着降低至0.12,0.25和0.29mg N / L. 在较高的NOM浓度下，一些进水NOM被吸附在生物膜表面上，这种现象增加了EH部分中生物膜质量，年龄和深度的量。随着生物膜深度的增加，有机电子给体的主要部分在生物膜表面消耗，生物膜深层的C：N比降低; 因此，较高等式M77 NOM浓度下的较高积累可能是由于生物膜较深层的较低C：N比率所致（Mohensi-Bandpi和Elliott，1998 ; dos Santos 等，2004）。

图。3。

等式M78 不同实验运行中EH部分和SA部分流出物浓度的变化。

缺氧BAC-部分对反硝化过程没有任何影响，这里没有给出其流出物数据。有氧BAC-部分对最终流出物的浓度等式M79 和等式M80 浓度的影响如图4所示。离子方程M81 有毒，生物不稳定，导致水分配网络中的微生物再生; 因此，应从处理过的水中完全除去该离子。离子可以化学或生物氧化成方程M82 。化学计量的氯方程M83 氧化需求量为5.1 mg Cl 2 / mg 方程M84 （WHO，2006 ; McAdam和Judd，2007）。如图4所示，相当一部分等式M85 在SA部分的等式M86 出水中，通过硝化过程氧化成好氧BAC部分（86％-94％）; 因此，试验方程M87 I，试验II和试验III的最终流出物中的平均浓度分别测定为0.02,0.03和0.02mg N / L. 这些等式M88 浓度非常低，不需要任何进一步处理。

图。4。

有氧BAC-部分的影响方程M89 ，并等式M90 最终出水的浓度。

NOM去除效率

在生物过程中，流出物DOC来自存在于进水中的SMP和有机物质（McAdam和Judd，2007）。图5显示了不同实验运行中流入物和EH部分，SA部分和好氧BAC部分流出物中NOM指示剂（DOC，THMFP和UV 254）的浓度。缺氧BAC部分对这些参数没有任何影响; 因此，其出水数据未在此处显示。HHABB去除NOM的总效率如图6所示。

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图。5。

进水和EH部分，SA部分和好氧BAC部分流出物中天然有机物指标的浓度（平均值±SD）:( a） DOC，（b） THMFP和（c） UV 254。DOC，溶解有机碳; THMFP，三卤甲烷形成潜力。

图。6。

混合异养/自养/ BAC生物反应器在去除天然有机物指标中的总效率（平均值±SD）。

该研究的结果表明THMPF的主要成分是氯仿，并且在所有实验中形成超过76％的THMPF浓度（数据未显示）。参数THMFP的测量表明，在所有情况下，在EH部分完全去除了平均浓度为26±9μg/ L（±标准偏差）的进水THM（THM 0）。在最低NOM浓度（试验I）下，HHABB在去除NOM指标中的总效率相对较低（范围为5％-19％），因为去除的NOM的主要部分通过微生物释放的SMP补偿。相比之下，在Run II和Run III中，HHABB在去除NOM方面具有优异的性能，分别为DOC，UV 254和THMFP的59％-73％，61％-72％和58％-70％（图6）。根据图5，EH部分是用于去除NOM的HHABB最有效的隔室; 在第二阶段和第三阶段，NOM指标分别减少了33％-43％和45％-46％。EH部分的脱氮效率表明NOM的某些部分通过生物降解被去除。NOM的不可生物降解部分也可以通过吸附到生物膜上而除去。在Run II和Run III中，生物膜的颜色变为棕色，并且生物膜的厚度增加。这些观察结果证实，吸附到生物膜上是NOM去除机制之一。在EH部分之后，好氧BAC部分在通过生物降解和吸附去除NOM方面也具有合适的性能。

HHABB对DOC，UV 254和THMFP 的去除效率大致相等; 该观察结果表明，易于测量的UV 254可用于生物反应器有效性的常规监测。运行I，运行II和运行III的参数THMFP的进水浓度分别为38,172和375μg/ L，最终流出物分别降至36,59和135μg/ L; 因此，HHABB以不需要进一步处理的方式有效地去除了THMFP。在先前的研究中，为了实现NOM的类似去除效率，将BAC反应器与化学氧化过程组合。Seredyńska-Sobecka 等。（2006）观察到臭氧化增加了NOM（如DOC和UV 254）BAC反应器的去除效率。布坎南等人。（2008）观察到真空紫外反应器对原水的预处理促进了BAC对NOM（作为DOC）去除的有效性从10％-29％到44％-54％。BAC之后的其他氧化预处理过程是TiO 2 / UV / O 3 -BAC，UV / O 3 -BAC和UV / H 2 O 2 -BAC，其对NOM（作为DOC）的去除效率为52％。分别为46％和52％（Li 等，2004 ; Toor和Mohseni，2007）。

对其他质量参数的影响

图7显示了在不同实验运行中SA部分中硫酸盐产生的速率。根据等式（2），化学计量比等式M91 为7.54，但在该研究中，在运行I，运行II和运行III中分别确定比率为6.21,6.39和6.23。该观察结果证实，在SA部分中，使用流入有机物质（SMP，NOM和乙醇）作为底物，异养地进行一部分脱硝，这与SA部分中的DOC的减少一致。假设方程M92 在SAD过程中比率的化学计量值为7.54，则SAD过程的部分在不同运行中的范围为82％至85％。最大浓度等式M93 在整个运行期间的最终流出物中，确定为161.6 mg / L，远低于伊朗饮用水标准400 mg / L 等式M94 （ISIRI，1992）。

图。7。

在不同的实验运行中SA部分的硫酸盐产生速率。

据报道，异养和自养反硝化细菌的最适pH分别在7-8和6-9的范围内（Oh 等，2001）。图8显示了实验过程中HHABB不同部分的pH和碱度变化。从图8中可以看出，EH部分的流出物中的pH和碱度增加，随后沿着SA部分降低。这些参数在缺氧BAC部分没有变化，但在好氧BAC部分，由于通气过量CO 2耗尽，pH增加。如图8所示在HHABB中连续排列HD和SAD过程减少了EH部分和SA部分的pH和碱度的波动。此外，在实验运行期间，最终流出物的pH和碱度分别保持在7.9-8.0和115.4-121.3mg CaCO 3 / L的中等范围。然而，在先前的研究中，对于无机碳供应和SAD反应器的pH调节，石灰石通常与元素硫一起使用。石灰石的应用通过提高处理水硬度和降低硫表面积作为反应器每单位体积的有效生长介质降低了SAD反应器的性能（Flere和Zhang，1998 ; Soares，2002 ; Zeng和Zhang，2005 ; Wan 等。，2009）。

图。8。

混合异养/自养/ BAC生物反应器的不同阶段的pH和碱度的变化（平均值±SD）。

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结论

在该研究中，等式M95 以连续模式研究了HHABB在从饮用水中同时去除NOM和NOM的性能。在不同浓度的NOM（0.6,2.6和5.7 mg C / L）和恒定等式M96 加载速率（0.72 kg N / m 3 / d）的实验中，HHABB的脱氮率和效率确定为合适的范围分别为0.69-0.70kg N / m 3 / d和96.0％-97.7％。在NOM浓度为0.6mg C / L时，HHABB的NOM去除效率相对较低，因为大部分去除的NOM被SMP取代。相反，在较高的NOM浓度下，HHABB在NOM去除中的性能很有希望，因为DOC，THMFP和UV 254的去除效率得到的结果分别为55％-65％，55％-70％和55％-65％。该研究表明，没有缺氧BAC部分的HHABB可能是同时等式M97 从饮用水中同时去除NOM和NOM 的可行替代方案。

【研究】混合异养/自养/生物活性炭生物反应器同时去除饮用水中的硝酸盐和天然有机物

抽象

介绍

材料和方法

实验装置

表格1。

饲料水质