在MBR中利用农业废弃物作为固体碳源和生物膜载体的比选与应用

在MBR中利用农业废弃物作为固体碳源和生物膜载体的比选与应用重点：1. 农业废弃物可用作碳源和生物载体。2. 出水COD出现轻微增加，但处于可接受范围。3. 混合液和微生物活性没有被农业废弃物影响。4. 稻秆在TN去除上是最有效的。摘要这篇文献研究了农业废弃物作为固体碳源的可行性和所确定的农业废弃物在提高反硝化能力上的效果。八种农业废弃物分别在MBR实验中评估了它们的释碳能力、反硝化性能、浸出液元素和表面性状。结果表明了丝瓜络、麦秆、玉米芯和稻秆具有较高的释碳能力，可达到13.17-21.07 mg/(gday) COD、3.33-7.33 mg/(gday) BOD5和8.64-10.71 mg/(gday) 可利用碳。相应的，它们表现出良好的反硝化性能，可达到105.3-140.1 mg NO3-/g N。接着选取稻秆、丝瓜络和玉米芯应用在MBR中。结果表明这三种农业废弃物在促进反硝化过程上是有效的，TN去除率从43.44%（对照MBR实验）分别增长到82.34、68.92和62.97%。关键词：农业废弃物；固体碳源；生物膜载体；C/N比；反硝化1. 引言生物反硝化作用是从污水中脱氮中的一种可靠方法，并且反硝化率很大程度上依赖与所使用基质的C/N比。但是，由于实际污水的较低C/N比，一般低于4或者5，限制了由异养菌主导的反硝化效果。作为外加碳源和电子供体的甲醇、乙醇和醋酸通常为反硝化菌而添加，但是它们通常都需要高成本、高耗能和高运行条件。因此，在生物脱氮系统中选择应用合适的碳源和控制合适的C/N比是非常重要的。同时，中国每年产生大量的农业废弃物。根据中国统计年鉴7，在20022011年中国主要食用农作物的年平均废弃物产量达到5.2108吨，并且19%直接露天焚烧。大规模的焚烧农业废弃物不仅造成严重的空气污染，同时浪费了大量经济生物资源，这已经演变成一个严重的社会环境问题并引起了公众的关注。如何有效的利用农业废弃物不仅成为解决大气污染的迫切需求，同时也是发展资源节约型社会的基本要求。幸运的是，人们已经注意到农业废弃物主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，因此它们可作为持续缓释碳源和增长的生物群落载体，这使得农业废弃物成为了反硝化菌所需的最具潜力的固体碳源和生物膜载体。这些农业废弃物因其在硝化反应和COD去除中最小的副作用、最低的花费和在同步硝化反硝化上最好的效果而非常有应用前景。一些实验已经验证了农业废弃物作为外加碳源在反硝化中的效果8-12。像玉米、麦秆、稻壳和稻秆等碳源已经用于实验，结果证明了这些材料可以用于提升反硝化能力的修正基底。前人的研究更多的关注于不同的碳基底在反硝化中的效果，而较少的关注了作为电子受体的碳源在反硝化过程中的特性和农业废弃物作为传统碳源的替代品在污水处理中的影响效果。因此，本研究的首要目的是评估农业废弃物作为固体碳源和生物膜载体的可行性。第二个目的是考查所选农业废弃物在提高脱氮方面的效果。本研究中，在同一批实验中检查了八种农业废弃物的释碳能力、反硝化性能、浸出液元素和吸附能力。在随即的考查中，所选农业废弃物被应用于不同的MBR中去提高反硝化效果。不同农业废弃物在MBR中的应用效果最终和对照MBR（无任何外加条件）实验做比较。2. 材料和方法2.1 实验材料实验采用的玉米芯、花生壳、丝瓜络、麦秸、棉秆、稻草、稻壳、芦苇等8种常见农作物废弃物材料收集于江苏省南京市江宁地区。收集后切割成直径为0.52mm不规则大小，干燥后备用。2.2 农业废弃物的比选2.2.1 释碳能力试验 COD、BOD5和可吸入碳值被用于来描述不同的农业废弃物的碳释放能力。 COD和BOD5释放实验,分别称取3g(干重)农作物废弃物材料进行灭菌操作后放人500ml锥形瓶中，用400ml去离子水浸泡，置于25恒温培养箱中，分别于第1、2、4、6、9、12天时取样分析不同农作物废弃物浸出液中COD浓度，在第6天时取样分析农作物废弃物浸出液中BOD5值。瓦讷克等人对测量可吸入C的方法进行改良。0.5克干重的农业废弃物和来自膜生物反应器的100毫升的活性污泥混合液（污泥浓度为8156毫克/升）被添加到600毫升的密封瓶。在30毫升小烧杯中填充15毫升的0.5 M KOH 放入罐中使与二氧化碳分离。封瓶后，上部空间用氮气气冲洗10 min，然后在25C 培养4天。在室内培养后，从烧瓶取出5毫升的CO2分离溶液，使其在在100毫升的烧瓶里与10毫升的10% BaCl2溶液和酚酞从混合后。这种溶液返滴定的标准是0.1 M HCl量来确定被吸收二氧化碳量，可吸入C的量可表示为CO2C G1碳基的干重。2.2.2反硝化性能试验碳源的反硝化潜力表现为是氧化态氮的量，这可以通过控制活性污泥的给定的碳消耗数量来减少。反硝化潜力可以通过测试氮的吸收率（NUR）来评估。修改后的工艺程序如下：八种农业废弃物（各1克）分别加入到八个密封瓶（1升），然后将100毫克NO3N（硝酸钾），200毫升的硝化污泥和去离子水添加到每个瓶至体积为1 L。将烧瓶放在恒温磁力搅拌器（150转，20C）中，每隔4小时测量NO3N和NO2N的浓度。当反应器中的NO3N浓度低于20 mg/L的时候，加入硝酸钾到反应器中保持NO3N在100毫克/升，直到NO3N 和NO2N的浓度不变。脱氮总量，记为W（NO3N）和W（NO2N），是去除氮的总和除以所有的间隔得到（一个时间间隔定义为NO3 N浓度由100 mg/L下降到低于20毫克/升的时间）。每个时间间隔，去除氮可以根据反应前后的NO3N和NO2n的浓度之间的差分计算。反硝化过程如下：: NO3 NO2 NO N2 O N2 。其中，60%的COD是用于转换NO2 N 到 N2。因此，碳源的反硝化潜力可表示为DP = W（NO3N）+ 0.6W（NO2N）。2.2.3浸泡试验测定了添加农业废弃物的浸出液组成和失重率。八种干重3g的农业废弃物分别放置在装有400毫升去离子水的密闭烧瓶里，在25 下培养45天。随后，过滤后的混合液在70104的干燥箱中烘干至恒重。失重率由浸泡前后的重量之差计算得出。用ICP-OES(电感耦合等离子体发射光谱法)分析浸出液中的Ca、K、Mg、Na，用ICP-MS（电感耦合等离子体质谱仪）测量分析浸出液中的Al，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu、Sr、Cd、Ba、Pb。利用扫描电子显微镜（SEM）来分析这些农业废弃物浸泡前后的表面性状。用自动吸附仪测定它们的比表面积。2.4分析方法 根据 NEPA（国家环境政策法）来测定COD、BOD5、TN、NH3N，NO3N、NO2N和MLSS，分别对应于AWWA（美国水业协会)的标准方法。 荧光原位杂交（FISH）与rRNA寡核苷酸探针是用来描述不同的膜生物反应器的微生物群落。鱼分析的样品制备是根据由 Aoi 等人描述的协议描述执行的。探针序列，以及探针和杂交条件的特异性，如表1所示。原位杂交技术是根据阿曼等人描述的协议进行的。傅里叶变换红外光谱（FTIR）被用来描述来自在不同的膜生物反应器的混合白液的主要官能团的变化。红外光谱仪来记录 4 cm1的分辨率，光谱范围在4000400 cm1。3. 结果和讨论3.1 释碳能力在C释放量测试的溶液中表明COD浓度的变化。根据该图，在碳源释放过程中有2个阶段。在最初的两天内，农业废弃物显示了有机物的快速释放。例如，小麦秸秆、稻草、花生壳、稻壳在最初的2天中释放了超过95% COD。在之后，COD释放量经历了一个缓慢的速度，并且稳定了6天。在稳定期的COD释放量如下：丝瓜络 芦苇 玉米芯 麦秸 稻草 花生壳 棉花秆 稻壳。这两个阶段的释放过程可能归因于下面的原因：在第一阶段中，水溶性有机物在农业废弃物中溶解并增大。然而，在第二阶段中，不溶性有机物质由于细菌的酶活性缓慢释放到溶液中。表2表明了农业废弃物的碳释放能力和反硝化潜力。八个农业废弃物的碳释放能力各有不同。相关分析表明，有一个，COD释放能力和可吸入C存在着显著的线性关系（R = 0.9409，P0.01），同时BOD5的释放能力和可吸入C也存在着显著的线性关系（R = 0.7259，P0.05）。因此，COD、BOD5和可吸入C可用于表征不同的农业废弃物的碳释放量。考虑COD、BOD5和可吸入C、丝瓜络、玉米芯、麦秸和稻草被发现有一个全面的更高层次的碳释放量。从表2中明确指出，这四种农业废弃物具有较高的反硝化作用，与碳释放能力相对应。这一发现可以用来帮助选择适当的农业废弃物，提高反硝化作用。值得注意的是芦苇有较强的化学需氧量，但具有较差的反硝化作用。这种现象表明，芦苇释放的芦苇含有更多的可溶性的非生物降解的化学需氧量或缓慢生物降解的化学需氧量比其他农业废弃物，使芦苇不适合作为碳源使用。3.2 减重在生物降解和细菌对农业废弃物的利用下，这些材料的重量将随着时间的推移逐渐减少。在45天后的浸出试验中表明了不同农业废弃物的失重率，详见表2。从这个表中可观察到，重量损失率从38.53变到71.69%。相关分析表明，失重率和碳释放量之间无显著相关性。这是因为一些农业废弃物中的木质素和灰烬不能用作反硝化碳源，但是，它们可能会被降解或溶解在水中，然后导致重量损失。当Soares和Abeliovich以小麦秸秆为碳源时也证实了这个观点。3.3 农业废弃物沥滤液中的元素农业废弃物在水中浸泡时会释放一些金属元素。表3表明浸泡45天后沥滤液中的金属元素。钾、钠、镁、钙在八种沥滤液中被检测出来，浓度单位为mg/L，正如所知，钾、钠、镁可以用来保持酶的活性，钙可以帮助稳定微生物细胞壁。因此，农业废弃物的添加可以促进微生物的活性。另外，一些微量金属元素，如铁、铜、锰、钴和镍，也在沥滤液中被测定出来，浓度单位为毫克每升，这些元素作为辅助因子的酶也扮演着重要的角色。此外，一些非必要的元素，如Cr、Cd和Pb也被发现。然而，它们的浓度均远远低于抑制浓度。3.4 表面形态具有较大的表面的生物膜载体为细菌的增值和提升细菌种群提供更多的有利条件。玉米芯、丝瓜络、棉杆、稻草、稻壳具有相对大的表面积（见表2），在较低的增值率下，以上这些都有利于硝化细菌的繁殖。除了表面积以外，表面粗糙度也是一个重要的重要的属性，它将影响附着力和微生物生长。图3是一个关于实验前和实验后的农业废弃物的图像。在浸泡前，玉米芯、秸秆、稻壳和芦苇的表面是光滑的，上面没有凹凸不平。花生壳和稻草的表面是凹凸不平的，花生壳有着密实的结构表明，稻草的表明是明显的纤维结构。而丝瓜络和棉秆的表面很粗糙，具有较大的突起和空隙。浸泡后，人们可以看到大量的孔隙结构出现这些农业废弃物上。增加的孔隙结构为细菌附着和生长提供了更多的空间。此外，这些农业废弃物仍然保持了稳定的物理结构。这可能与粗纤维和木质素的农业废弃物成分相关，这是不容易被生物降解的；相反，它提供了更多的孔隙结构与可溶性亚物质的利用。因此，农业废弃物可作为生物膜载体。表1 16S 核糖体RNA寡核苷酸探针用于FISH分析及其特点。探针探针序列特异性核糖体RNA靶标部位5记号DAF(%)EUB338NSO190NIT3RRP1088GCTGCCTCCCGTAGGAGTCGATCCCCTGCTTTTCTCCCCTGTGCTCCATGCTCCGCGTTGCCGGACTTAACC细菌总数 16S 338355 CY3 20氨氧化细菌 16S 189207 CY3 55硝化细菌 16S 10351052 FITC 40反硝化细菌 16S 10881104 HEX 25表2不同农业废弃物的碳有效性、失重率和表面积材料 玉米穗 花生壳 丝瓜络 棉秆 稻草 芦苇COD释放量 (mgCODg1day1) 16.53 9.88 21.07 6.45 4.67 18.98BOD5释放量(mgBOD5 g1 day1) 7.33 3.5 4.83 3.83 2.17 2.33可吸入C(mgg1 day1) 10.13 7.54 10.71 9.01 2.26 3.25反硝化潜力mgNO3Ng1) 119.16 61.3 140.1 40.2 36.1 42.4失重率(%) 38.53 45.32 53.83 43.97 42.82 41.64表面积(m2 g1) 1.5655 0.0465 1.4135 1.8252 1.4335 0.93203.5 加入农业废弃物后MBR性能基于碳源释放能力和表面形态，选择将丝瓜络,玉米穗轴和稻草添加到三个独立的膜-生物反应器，同时设置一个控制没有任何的添加的MBR。四个膜-生物反应器并行操作，原理如图1所示。其合成废水的COD为202.7716.75 mg /L， 总氮含量为40.972.82 mg/L，氨氮含量为40.742. 90 mg/L，总磷含量为5.070.41 mg/L。四个膜-生物反应器操作的水力停留时间为8h，污泥龄为30天，混合液悬浮固体浓度8000 mg/L，温度为25度。从理论上讲，脱氮所需的化学计量碳与氮的比是2.86。然而，并不是所有的有机物质可用于燃料脱氮，实际的C/N比通常控制在7.0-11.6之间能更好的脱氮23。根据碳源释放能力和反硝化潜力，每天应添加6.3g丝瓜络，7.7g玉米穗轴和10g稻草。图4比较了添加农业废物的MBR与无添加控制MBR的性能。 开始后的30天内，四个MBR全部达到了一个稳定状态。很明显从图4(a)中可以看出,平均总氮去除率分别为无添加控制的MBR 43.44%，丝瓜络的为68.92%，玉米棒子的为62.97%，稻草为82.34%。结果显示, 和控制下的MBR相比添加了农业废料的MBR取得了更好的TN去除结果。丝瓜络,玉米穗轴和稻草将脱氮率从30.79 mg/ NO3Ng day增强到49.08mg/ NO3Ng day，这远远高于大多数其他列替代碳基质的研究报告率8、9、12。最有可能的是由于脱氮率较高的废水的处理和操作MBR的特点。膜滞留和附着农业废物使MBR有更高的细菌丰度和反硝化能力。通过荧光原位杂交的分析，我们可以发现添加了农业废物的MBR与控制的MBR相比拥有更多的反硝化细菌 (见表4)。反硝化细菌的数量显示与TN的去除线性相关(r = 0.9505,p = 0.9505)，这表明丝瓜络、玉米棒子和稻草的反硝化作用机制很可能是微生物脱氮。碳基质的测试也证明了微生物脱氮负责去除硝态氮12。此外，发现稻草去除TN远高于丝瓜络和玉米棒子，这表明，提供电子体能力并不是提高反硝化的唯一因素。众所周知，添加了的农业废物也作了为生物膜的载体。而稻草更高的TN去除和其相对较大的表面积，有利于反硝化细菌的增殖。更重要的是，稻草释放了更高的铁和锰，有利于提高脱氮活性。Labb等，20也认为添加铁和锰对脱氮活性是至关重要的。从图4(b)，添加农业废物的MBR比单控制MBR取得了更好的氨氮去除，废水浓度小于1 mg / L。可能是因为添加农业废物的MBR有更好硝化能力的生物膜载体。也可以从图中发现，4(c)污水中的含氮物主要是硝态氮。因此，反硝化提高MBR的 TN去除能力是有限的。由于持续释放有机物废水，COD污水浓度随着农业废弃物的添加而上升。在前十天COD迅速增长并达到最大。随后 COD逐渐减少并维持在一个稳定的水平。最后COD分别在丝瓜络22.29 mg / L，玉米穗轴15.57 mg / L和稻草10.63mg/L时达到稳定状态。研究发现稻草有最好的反硝化潜力能使污水中COD增长最低。许多研究员担忧农业废物会影响混合溶液或微生物活动的特点。因此，进行红外光谱旨在分析阐明有机化合物在混合溶液中的主要官能团的变化。图5表明，增加农业废物的MBR的光谱单一控制的MBR的光谱稍微不同。后者显示的吸收峰值略高一点，1217/厘米、1356/厘米、1430/厘米和1482/厘米的O-C-C伸展振动,CH3伞弯曲,CH2剪切弯曲和反对称弯曲的CH3组24，表明混合溶液的特点是不影响农业废物的。脱氢酶活性和微生物活性的变化同时进行分析评估。控制MBR，添加丝瓜络，玉米穗轴和稻草的MBR平均脱氢酶活性分别增加0.60，0.60，0.82，1.15mg /TFL min。添加了农业废弃物其微生物活性的增强，与总细菌的数量是相一致的。这进一步证明了选择农业废物作为持续释放碳源和生物膜载体的使用是安全的。4. 结论研究发现丝瓜络、玉米芯、稻秆具有较好的释碳能力、反硝化性能和相对较大的表面积，因此他们可作为良好的固体碳源和生物膜载体。结果证明了当这些材料添加到MBR中时，它们在TN去除上是有效的，并且TN去除率和对照MBR实验相比分别提高了25.48、19.53和38.90%。随着农业废弃物的添加，出水COD出现了轻微的增长，但处于可接受范围内。本研究证明了稻秆在促进反硝化和控制出水COD方面是最有效的。致谢参考文献