Cải thiện phản ứng sinh khối vi sinh vật lắp ráp để đạt được hiệu suất loại bỏ nitơ hiệu quả: cấp - cho ăn, khí trời gián đoạn và kỹ thuật gắn kết

Springer Science and Business Media LLC - Tập 25 - Trang 6240-6250 - 2017
Ming Zeng1, Jie Hu1, Denghui Wang1, Hongting Wang1, Yaochen Wang1, Nan Wu2, Zongpeng Zhang3, Chang Wang1
1College of Marine and Environmental Sciences, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin, China
2College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin, China
3Fukai Diwo (Tianjin) Environmental Protection Technology Co., Ltd, Tianjin, China

Tóm tắt

Bể tách tinh khiết, như một phản ứng sinh khối vi sinh vật lắp ráp, đã được sử dụng rộng rãi để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải nông thôn, nhưng tiềm năng của nó trong việc loại bỏ nitơ lại hiếm khi được thảo luận. Nghiên cứu này đã phát triển một phản ứng sinh khối vi sinh vật lắp ráp quy mô phòng thí nghiệm để thực hiện hiệu suất loại bỏ nitơ hiệu quả thông qua phương pháp cấp - cho ăn, khí trời gián đoạn và kỹ thuật gắn kết. Kết quả cho thấy một quá trình nitri hóa và khử nitrat đồng thời (SND) hiệu quả đã xảy ra khi cho ăn bằng nước thải tổng hợp dưới tỉ lệ C/N cao 2 và với nước thải thực tế, chủ yếu là nhờ vào phương pháp cấp - cho ăn. Hiệu suất loại bỏ nitơ vô cơ tổng cộng đạt trung bình 72,7 và 63,3% cho nước thải tổng hợp và nước thải thực tế, tương ứng. Ngoài hoạt động cấp - cho ăn, khí trời gián đoạn được áp dụng để tăng cường SND, cho phép hành vi thủy lực của phản ứng sinh khối vi sinh vật lắp ráp theo mô hình của bể phản ứng hoàn toàn khuấy trộn. Phân tích chuỗi trình tự cao cho thấy rằng Sphaerotilus đã trở thành chi thống trị với tỉ lệ phong phú tương đối là 30,29% dưới tỉ lệ C/N cao, và các vi sinh vật nitrat hóa không bị ức chế nhiều. Hơn nữa, kỹ thuật gắn kết đã giúp phục hồi hoạt động vi sinh vật dưới nhiệt độ thấp, thúc đẩy hiệu suất loại bỏ nitơ thỏa đáng của vi sinh vật được phục hồi để được thiết lập bằng cách cho ăn dung dịch dinh dưỡng. Tổng thể, quy trình SND lâu dài và duy trì hoạt động sinh khối hiệu quả có thể được thiết lập trong phản ứng sinh khối vi sinh vật lắp ráp thông qua một số giải pháp cải tiến.

Từ khóa

#Bể tách tinh khiết #phản ứng sinh khối vi sinh vật #loại bỏ nitơ #nitri hóa #khử nitrat

Tài liệu tham khảo

APHA (1998) Standard methods for the examination of water and wastewater, 18th ed. American Public Health Association, Washington, C, USA Benyahia F, Polomarkaki R (2005) Mass transfer and kinetic studies under no cell growth conditions in nitrification using alginate gel immobilized Nitrosomonas. Process Biochem 40(3-4):1251–1262. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2004.05.011 Chen Y, Wang Y, Fan M, Jin H (2011) Preliminary study of shortcut nitrification and denitrification using immobilized of mixed activated sludge and denitrifying sludge. P Environ Sci 11:1171–1176. https://doi.org/10.1016/j.proenv.2011.12.176 Dorador C, Meneses D, Urtuvia V, Demergasso C, Vila I, Witzel KP, Imhoff JF (2015) Diversity of Bacteroidetes in high-altitude saline evaporitic basins in northern Chile. J Geophys R. Biogeosciences 114:1–11 Duan XM (2012) The anammox activity enhancement by low intensity ultrasound and co-immobilized with partial nitrifying sludge for autotrophic nitrogen removal. Dissertation, Dalian University of Technology (in Chinese) Eddy M, David SH, George T et al (1991) Wastewater engineering: treatment, disposal and reuse. McGraw-Hill, New York Ge S, Peng Y, Wang S, Guo J, Ma B, Zhang L, Cao X (2010) Enhanced nutrient removal in a modified step feed process treating municipal wastewater with different inflow distribution ratios and nutrient ratios. Bioresour Technol 101(23):9012–9019. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.06.151 He S, Niu Q, Li YY, Nie Y, Hou M (2015) Factors associated with the diversification of the microbial communities within different natural and artificial saline environments. Ecol Eng 83:476–484. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2015.06.029 Ho CM, Tseng SK, Chang YJ (2002) Simultaneous nitrification and denitrification using an autotrophic membrane-immobilized biofilm reactor. Lett Appl Microbiol 35(6):481–485. https://doi.org/10.1046/j.1472-765X.2002.01225.x Kundu P, Debsarkar A, Mukherjee S (2014) Kinetic modeling for simultaneous organic carbon oxidation, nitrification, and denitrification of abattoir wastewater in sequencing batch reactor. Bioremediat J 18(4):267–286. https://doi.org/10.1080/10889868.2014.939134 Li H, Zuo W, Tian Y, Zhang J, Di S, Li L, Su X (2016) Simultaneous nitrification and denitrification in a novel membrane bioelectrochemical reactor with low membrane fouling tendency. Environ Sci Pollut R 24:5106–5117 Liang HW, Gao M, Liu JX, Wei YS, Guo XS (2010) A novel integrated step-feed biofilm process for the treatment of decentralized domestic wastewater in rural areas of China. J Environ Sci 22(3):321–327. https://doi.org/10.1016/S1001-0742(09)60111-X Liang Y, Li D, Zeng H, Zhang C, Zhang J (2015) Rapid start-up and microbial characteristics of partial nitrification granular sludge treating domestic sewage at room temperature. Bioresour Technol 196:741–745. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.003 Lin Y-H (2008) Kinetics of nitrogen and carbon removal in a moving-fixed bed biofilm reactor. Appl Math Model 32(11):2360–2377. https://doi.org/10.1016/j.apm.2007.09.009 Liu T, Mao YJ, Shi YP, Quan X (2017) Start-up and bacterial community compositions of partial nitrification in moving bed biofilm reactor. Appl Microbiol Biot 101(6):2563–2574. https://doi.org/10.1007/s00253-016-8003-9 Manefield M, Griffiths RI, Leigh MB, Fisher R, Whiteley AS (2005) Functional and compositional comparison of two activated sludge communities remediating coking effluent. Environ Microbiol 7(5):715–722. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2004.00746.x Mulder A, van de Graaf AA, Robertson LA, Kuenen JG (1995) Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor. FEMS Microbiol Ecol 16(3):177–184. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.1995.tb00281.x Münch EV, Lant P, Keller J (1996) Simultaneous nitrification and denitrification in bench-scale sequencing batch reactors. Water Res 30(2):277–284. https://doi.org/10.1016/0043-1354(95)00174-3 Pochana K, Keller J (1999) Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification (SND). Water Sci Technol 39:61–68 Qian C, Ni J (2011) Heterotrophic nitrification–aerobic denitrification by novel isolated bacteria. J Ind Microbiol Biot 38:1305–1310 Qiao S, Tian T, Duan X, Zhou J, Cheng Y (2013) Novel single-stage autotrophic nitrogen removal via co-immobilizing partial nitrifying and anammox biomass. Chem Eng J 230:19–26. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.06.048 Shu D, He Y, Yue H, Wang Q (2015) Microbial structures and community functions of anaerobic sludge in six full-scale wastewater treatment plants as revealed by 454 high-throughput pyrosequencing. Bioresour Technol 186:163–172. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.03.072 Tong Z, Shao MF, Lin Y (2012) 454 pyrosequencing reveals bacterial diversity of activated sludge from 14 sewage treatment plants. ISME J 6:1137–1147 Wang C, Xiao-Xue DU, Jia QZ, Gui-Ju LI, Liu JH (2008) Study of compact purifying-tank for efficient treatment of domestic sewage. Technol Water Treat (in Chinese) 34:79–82 Wang B, Wang W, Han H, Hu H, Zhuang H (2012a) Nitrogen removal and simultaneous nitrification and denitrification in a fluidized bed step-feed process. J Environ Sci 24(2):303–308. https://doi.org/10.1016/S1001-0742(11)60767-5 Wang X, Hu M, Xia Y, Wen X, Ding K (2012b) Pyrosequencing analysis of bacterial diversity in 14 wastewater treatment systems in China. Appl Environ Microbiol 78(19):7042–7047. https://doi.org/10.1128/AEM.01617-12 Wang X, Wang S, Zhao J, Dai X, Peng Y (2016) Combining simultaneous nitrification-endogenous denitrification and phosphorus removal with post-denitrification for low carbon/nitrogen wastewater treatment. Bioresour Technol 220:17–25. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.06.132 Wang J, Gong B, Huang W, Wang Y, Zhou J (2017) Bacterial community structure in simultaneous nitrification, denitrification and organic matter removal process treating saline mustard tuber wastewater as revealed by 16S rRNA sequencing. Bioresour Technol 228:31–38. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.12.071 Xia S, Li J, Wang R (2008a) Nitrogen removal performance and microbial community structure dynamics response to carbon nitrogen ratio in a compact suspended carrier biofilm reactor. Ecol Eng 32(3):256–262. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2007.11.013 Xia Y, Kong Y, Thomsen TR, Halkjaer NP (2008b) Identification and ecophysiological characterization of epiphytic protein-hydrolyzing saprospiraceae (“Candidatus Epiflobacter” spp.) in activated sludge. Appl Environ Microbiol 74(7):2229–2238. https://doi.org/10.1128/AEM.02502-07 Xia S, Jia R, Feng F, Xie K, Li H, Jing D, Xu X (2011) Effect of solids retention time on antibiotics removal performance and microbial communities in an A/O-MBR process. Bioresour Technol 106:36–43 Xie B, Lv Z, Hu C, Yang X, Li X (2013) Nitrogen removal through different pathways in an aged refuse bioreactor treating mature landfill leachate. Appl Environ Microbiol 97:9225–9234 Ye L, Zhang T, Wang T, Fang Z (2012) Microbial structures, functions, and metabolic pathways in wastewater treatment bioreactors revealed using high-throughput sequencing. Environ Sci Technol 46(24):13244–13252. https://doi.org/10.1021/es303454k Zeng M, Li P, Wu N, Li X, Wang C (2017) Preparation and characterization of a novel microorganism embedding material for simultaneous nitrification and denitrification. Front Environ Sci Eng. https://doi.org/10.1007/s11783-017-0961-3 Zhang X, Zhou J, Guo H, Qu Y, Liu G, Zhao L (2007) Nitrogen removal performance in a novel combined biofilm reactor. Process Biochem 42(4):620–626. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2006.11.012 Zhang J, Jia W, Wang R, Ngo HH, Guo W, Xie H, Liang S (2015) Microbial community characteristics during simultaneous nitrification-denitrification process: effect of COD/TP ratio. Environ Sci Pollut R 23:2557–2565 Zhao HW, Mavinic DS, Oldham WK, Koch FA (1999) Controlling factors for simultaneous nitrification and denitrification in a two-stage intermittent aeration process treating domestic sewage. Water Res 33(4):961–970. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(98)00292-9 Zhong C, Wang Y, Wang Y, Lv J, Li Y, Zhu J (2013) High-rate nitrogen removal and its behavior of granular sequence batch reactor under step-feed operational strategy. Bioresour Technol 134:101–106. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.01.155 Zhu G, Peng Y, Wang S, Wu S, Ma B (2007) Effect of influent flow rate distribution on the performance of step-feed biological nitrogen removal process. Chem Eng J 131(1-3):319–328. https://doi.org/10.1016/j.cej.2006.12.023