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国际创新研究期刊》的研究在科学、工程和技术

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改善氧厌氧消化的屠宰场废水在‚38°C

纳比尔Zouari*,是Jabiri
教授,生物和环境科学学院,艺术与科学学院,卡塔尔大学,卡塔尔
*:Nabil Zouari高级和通讯作者
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文摘

屠宰场废水的厌氧消化,用作TSS含量高的流体模型,提高了应用程序的氧的影响。总悬浮物的消化率(TSS)提高防止污泥积累和保护产甲烷菌的抑制效果。这是确保入渗控制溶解的氧,厌氧消化前,通过连续曝气与空气15毫升/分钟的速度,对应0.05 vvm(空气的体积/体积的喂养方案每分钟)。甲烷产量近350和200毫升CH4 /删除g CODsol CODtot,分别。的氧也影响导致较高的有机负荷的应用处理系统,除了高甲烷产量。这些结果在38°C,这并不常见,适合厌氧消化,但适合增强水解酶的活动。这显然表明,甲烷产量的提高有关TSS的解散。这些发现非常重要的从实用的角度来看,和技术证据的新兴思想宽容的低在厌氧曝气技术

关键字
微氧,厌氧屠宰场废水、消化、产甲烷

介绍
屠宰场废水的特点是数量的变化特点和[12]。这主要是由于不同的处理,动物物种和废水管理[13]。这些废水被认为是复杂的,由于近40% - 50%的有机物质作为不溶性和缓慢降解水中的悬浮固体[13]。同样,屠宰场废水包括40%到50%的总COD不溶性鳕鱼[13]。这些固体起源于脂质和蛋白质存在于废水和包括木质纤维素的物质和细菌细胞如果肥料混合废水[3]。suspende。因此d固体组成的高分子物质应该首先通过液化过程成为可溶性,水解前生物消费[6]。因此,屠宰场废水与市政废水和稀释粪便废水,对于缓慢的生物降解性悬浮物[12]。这些悬浮物被认为是负责任的产甲烷能力低的此类废水的处理系统,由于生物质粗积累和截留悬浮物的污水污泥,导致稀释的活性生物量引起产甲烷菌数量从而减少[14]。此外,截留的细胞生物量增加厚度的薄膜将阻碍供应的基质细胞存在于污泥聚合,导致恶化的具体产甲烷活性。 This phenomenon was observed with municipal wastewater [14]. Similarly, it was shown that the poor biodegradability of these organic solids in the treatment systems, results in less complete liquefaction of the biodegradable fraction of the solids, and consequently the deterioration of the specific activity of methanogens in the sludge [4, 5, 14].
发生液化的生物聚合物通过水解细菌分泌的胞外酶的作用。因此,这些水解酶识别从瘤胃厌氧消化器以及分解脂肪的数量,蛋白水解和纤维素的[5]。废水厌氧消化中包含大量的不溶性基质,如粪便和猪舍废物,液化的步骤,经常被报道为整个过程的速率限制步骤[5]。液化率依赖于衬底的化学成分还等环境因素,特别是温度。
厌氧系统研发和实际上,业务在许多国家治疗屠宰场废水(1、3、4、5)。UASB技术尤其显示最有效的技术[3]。但是,所有成功的系统是基于治疗低悬浮物屠宰场废水[16]。在卡塔尔,等屠宰场废水悬浮物的含量非常高,特别是由于处理系统,使用有限的水从男孩(个人通信公司在卡塔尔的屠宰)。它可以代表一个合适的屠宰场废水为研究高固相含量的影响厌氧消化。
先前文献报道表明,有限的曝气增强很多甲烷产量在厌氧消化(6、7、8、9、10),预测的存在一个最佳的氧化水平对应于最大甲烷产量[10]。其他一些研究也表明,有限的曝气可以增加甲烷生成(9、10、14)。Pirt和李[15]报道,微量的氧增强藻类生物质厌氧消化的批处理模式的核反应堆。同样,据报道,约20%的甲烷产量的增加是注意到在低氧通量恒化器提供顶端空间氧气(14、15)。这主要是由于增加的速率水解降解水中的悬浮固体,其液化的胞外酶,由厌氧消化步骤的第一步,主要有氧[10]。
这里,这项工作的目的是探讨增强厌氧消化的屠宰场废水含有高含量的有机固体,由氧厌氧系统,导致高甲烷产量和厌氧消化率。系统的温度固定在38°C,对应的平均温度的水解酶,知道整个厌氧消化过程的最优温度要低得多。38°C的温度的选择可能有利于提高悬浮物的酶法水解的速度。

材料和方法
. 1。废水样品
废水样本取自当地屠宰场公司(Almawashi屠宰场)在多哈(卡塔尔)。描述,废水新采样一次或每周两次,并立即分析没有任何保护。实验中使用该股废水特点和存储在2000毫升瓶在-20°C。使用前,每个瓶子都解冻,守恒+ 4°C和用于喂食的反应堆所描述的过程。股票的同质性解决方案确保了风潮,以确保可再生的数量的总悬浮物样品。
股票总COD废水含有7466 mg / l (CODtot), 4271 mg / l可溶性COD (CODsol)和3643 mg / l总悬浮物(TSS)。完整的成分在表1中有详细描述。
ii . 2。ii .厌氧污泥
所有的实验中使用的污泥来自auto-digested污泥,从屠宰场水库采样。这个水库收集废水的屠杀,然后提供的污水下水道系统经过短暂的沉降时间近1 h。污泥取样近2米的深度,从储层的底部。它包含160 g / l总悬浮物(TSS)和122 g / l挥发性悬浮固体(VSS)。
按。ii反应堆和批处理实验
消化器的总量1 l。4消化器(瓶18厘米高度和直径10厘米)被固定在一个水浴38°C。所有的反应堆的工作容积是525毫升,250毫升污泥等时间零的实验。初始反应堆介质(污泥+废水)包含76.2 g / l TSS对应58.1 g / l与所有批处理反应堆实验进行了38°C和一个初始pH值为7.2。厌氧消化器是轻轻地每天手动搅拌一次。好氧消化池磁搅拌在100 rpm。
污泥在每个反应堆保持近两周的相应条件,以确保适应生物质和达到稳态,开始前计算甲烷生产和测量鳕科鱼。
美联储反应堆不断与该股废水,使用pre-calibrated蠕动泵,如下:
OLR(有机加载速率)的1 g / l的鳕鱼。d:每天70毫升股票废水,对应于一个荷尔蒙替代疗法(水力停留时间)为7.5 d。
OLR(有机加载速率)的2 g / l的鳕鱼。d:每天140毫升股票废水,对应于一个荷尔蒙替代疗法(水力停留时间)为3.75 d。
OLR(有机加载速率)3 g / l的鳕鱼。d:每天211毫升股票废水,对应于一个荷尔蒙替代疗法(水力停留时间)为1.87 d。
OLR(有机加载速率)的4 g / l的鳕鱼。d:每天280毫升股票废水,对应于一个荷尔蒙替代疗法(水力停留时间)为0.94 d。
图的设置用于厌氧、微氧和有氧批反应堆呈现在图1。出局的沼气经过1.5% (w / v)氢氧化钠溶液捕获二氧化碳,氨,H2, NO2和硫化氢气体。甲烷产生的决心使用液体的体积位移系统,基于中和量筒。只有甲烷通过解决方案和等效体积推缸。
批处理反应堆用于严格厌氧消化美联储的股票没有曝气污水喂养的解决方案。美联储2反应堆用于氧条件的股票废水给解决方案,在连续曝气与空气近似率分别为15毫升最低为1和45毫升/分钟。这些利率与0.05 vvm和0.15 vvm(空气的体积/体积的喂养方案每分钟)。空气注入的喂养方案通过pre-calibrated空气流量调节器。
批处理反应堆用于好氧消化美联储的股票没有曝气污水喂养的解决方案。这个反应堆是美联储不断与空气几乎500毫升/分钟的速度对应1 vvm。空气注入反应堆通过pre-calibrated空气流量调节器。空气分散在反应堆使用空气扩散石头。
喂养方案的体积是100毫升,200毫升,250毫升和300毫升的OLR 1 g / l的鳕鱼。d, 2 g / l的鳕鱼。d、3 g / l的鳕鱼。d和4 g COD /清醒。喂养的曝气率解决方案的基础上计算这些卷。
II.4。化学分析
角的测量,悬浮物和挥发性固体进行根据标准方法[2]。样品的可溶性COD (CODsol)离心机几乎4000 rpm 15分钟前被过滤清洗0.45μm保留硝酸纤维素膜滤器(美国新泽西州皮斯卡塔韦绘画纸有限公司)。悬浮物测定在103°C蒸发后,当重量是常数(一般24小时后蒸发)。挥发性物质测定干燥的固体燃烧炉后设定在550°C。

结果
III.1。TSS在屠宰场废水的重要性
表1显示了废水的组成和特点的屠宰场在多哈(卡塔尔)。在近5个月(2012年11月- 2013年4月),样本采样和分析每周两次。表1给出了每个参数的最低和最高的价值。很明显,这个浓度废水的特点是强烈波动的主要组件,从单一到双重甚至三重的一些组件,比如TSS反过来代表33总干物质的46%。同样,鳕鱼在TSS代表32鳕鱼总数的44%。此外,分析表明,只有95%到84的鳕鱼,总干物质。这意味着TSS是重要的考虑在任何总废水的处理工艺。该股废水消化实验中使用的是被选来代表最强的组合。这将允许清楚地表明TSS的角色在屠宰场废水的厌氧消化。这给股票的解决方案包含3643 mg / l TSS, 7466 mg / l CODtot, 4271 mg / l CODsol。 Indeed, TSS represent 42.8 % of the total COD.
表1;在卡塔尔的屠宰场废水的特点,该股废水用于当前的工作
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III.2。氧消化的屠宰场废水的效果
图1中所描述的实验过程,旨在执行股票喂养的消化废水,在严格的厌氧、有氧和2微氧环境。低和高的微氧环境是保证曝气的喂养方案之前喂厌氧消化器。他们命名,分别Low-micro-aerobic和Highmicro——有氧。
III.2.1屠宰场废水的厌氧和微氧消化
图2显示了结果在严格厌氧和Low-micro-aerobic条件。在严格的厌氧条件下,很明显,这种废水的消化高的最优OLR 3 g / l。d,近98%的效率,考虑考虑CODtot CODsol和95%。相比之下,甲烷产量非常不同,167毫升和295毫升的CH4 /删除1 g CODtotal CODsol,分别。此外,图3显示了TSS和VS不断增加的厌氧污泥。这意味着TSS的一部分的影响并没有完全消化,但积累的污泥。这是可以从图2,OLR的增加到4 g / l的鳕鱼。d,消化的效率以及甲烷产量的显著降低。
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当开发一个基于甲烷的厌氧处理的混合动力技术生产和pre-aeration创建一个厌氧污泥内的微氧环境,图2的结果清楚地表明,治疗的效率高于98%甚至OLR的4 g / l的鳕鱼。d,考虑CODtot和CODsol。甲烷产量近350和200毫升CH4 /删除g CODsol CODtot,分别。他们获得远高于那些在严格的厌氧条件下的甲烷产量(图2)。350 ml / g CODsol接近的理论产量365 ml / g鳕鱼,获得与复杂的废水。
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此外,图3显示了TSS和VS增加污泥只能解释为微生物生物量的积累,这是理论上的几乎20%的鳕鱼,由于细菌生长。
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III.2.2。氧气对厌氧消化的影响从有氧锻炼屠宰场废水TSS的图4显示了结果,名叫high-micro-aeration条件保证高喂养解决厌氧消化池的曝气。显然清楚的是,高含氧厌氧消化的影响很穷,不断降低效率和甲烷产量,计算基于CODsol和CODtot。这是伴随着TSS积累和对厌氧污泥(图5)。

讨论
厌氧消化是一种生物过程,有机物主要是转化为甲烷和二氧化碳在缺乏氧气。退化的过程不是一个序列的独立反应,但它的特点是一个复杂的相互不同的微生物物种之间的相互作用。这些过程可以分为四个阶段进行连续的厌氧消化过程中复合材料通过水解、酸创世纪,acetogenesis和甲烷生成。整体组成包括可溶性、悬浮物以及化学和生物氧要求是任何成功的消化过程的基础。显示了卡塔尔屠宰场废水具有COD含量高,代表一个严重的污染来源,但适当的废水研究的影响高固体厌氧消化内容。此外,表征显示,几乎44%的鳕鱼与悬浮体相关联。另外,84 - 95%的鳕鱼干物质总量。这意味着TSS是重要的考虑在任何总废水的处理工艺。这个废水特征可以代表一个有趣的模型研究中最重要的限制厌氧过程是伴随消化的溶解和固体污染物。在严格的厌氧条件下,最优的OLR的3 g / l。d may be applied, with an efficiency of almost 98%, considering CODsol and 95% considering CODtot. In contrast, the high efficiency of CODtot removed is not translated into methane because the TSS of the influent were not completely digested, but accumulated in the sludge. This observation was more clear pronounced with higher OLR. The low methanogenic capacity of the treatment system is then due to the accumulation and entrapment of non-biomass coarse suspended solids form the wastewater in the sludge, resulting in a dilution of the active biomass causing thus a decrease in the methanogens counts as previously evidenced [5].
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厌氧消化的抑制作用可能是由于溶解氧的潜在毒性作用影响,超出公差范围的产甲烷菌。相比之下,好氧消化的影响正如预期的那样,近99%考虑效率高的可溶性总鳕鱼,鳕鱼OLR的3 g /清醒。这么高的消化是伴随着稳定TSS和VS有氧污泥(图5),导致这样的结论:TSS没有积累的反应堆。更高的曝气需要确保相同的OLR效率高。
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但是,这是预期增强利用厌氧过滤器技术以来,哪个更适合与低TSS废水。在这里,我们使用了一个厌氧污泥半连续搅拌,TSS的影响不太明显。此外,诱捕细胞生物膜的厚度增加,将阻碍供应的基质细胞存在于污泥聚合,导致恶化的具体产甲烷活性[5]。这是除了转移限制由于附聚物的微生物生物量的形成。
为了证明这一观察,高氧合的影响被用来喂严格厌氧系统。消化是非常贫穷的,连续的效率和减少甲烷产量,计算基于CODsol和CODtot。这是伴随着TSS积累和对厌氧污泥。因此,厌氧消化的抑制作用可能是由于额外的潜在毒性作用影响溶解氧,超出公差范围的产甲烷菌。相比之下,好氧消化的影响正如预期的那样,近99%考虑效率高的可溶性总鳕鱼,没有TSS积累和对好氧污泥,主要结论,TSS没有积累的反应堆。水解的TSS高度改善氧气供应的反应堆。我们所有的组合结果,可能会导致这样的结论:氧气沼气产生的重要影响,可以是积极的还是消极的几个参数的基础上,包括适当的氧化还原电势适应微生物种群,TSS水解率、生物量浓度的污泥,水力停留时间和有机加载速率。
图1中描述的实验过程的总体结果清楚地表明,氧可以提高厌氧消化的复杂控制的屠宰场废水含有高TSS。microaeration的影响,防止积累TSS的厌氧污泥。曝气的影响,高溶氧抑制产甲烷菌,如预期。事实上,这是很自然的,一定数量的氧气可以达到厌氧消化器无意中(11、10)反应堆与喂养入渗,尤其是通过与环境的交互,如混合。最厌氧消化器因此受到分钟和不同有氧加载条件。这种曝气的可能影响广泛的量化和处理标准屠宰场废水的厌氧消化模型。在目前的工作,显然表明了改进的屠宰场废水的厌氧消化含44% TSS可以保证氧。这样的条件保证TSS的退化和溶液化,避免污泥的积累。这导致防止抑制产甲烷,通常发生的诱捕细胞生物膜的厚度增加。这种诱捕的后果是供应有限的底物中的细菌污泥[14]。 Digestion of TSS at micro-aerobic conditions may explain the high methane production yield by avoiding deterioration of the specific methanogenic activity.
类似的结果被报道Botheju et al。[5]谁观察积极回应将在一系列氧化氧化负荷(0 - 16%)与淀粉和预测美联储批厌氧生物反应器的存在一个最佳的氧化水平对应于最大甲烷产量(10、11)。
这些结果从实用的角度来看是很重要的,考虑到效率高屠宰场废水的厌氧消化高甲烷产量使用一个相对简单的技术,不需要过于昂贵或复杂的厌氧消化系统的修改。此外,近38°C的温度是一个积极的因素在这种情况下,增加胞外酶的TSS的酶法水解率。

结论
氧对屠宰场废水的厌氧消化的影响研究在38°C。在控制水平的氧,溶液化TSS的增强,避免他们在厌氧污泥积累和后续的厌氧生物抑制。更高的OLR应用和甲烷产量提高。有趣的是,溶解所需的氧气不是厌氧消化池内,但在喂养入渗防止意外风险macro-aeration产甲烷菌的厌氧污泥,从而确定的宽松。连续曝气的喂养与高0.05 vvm足以确保改善废水的厌氧消化TSS。

确认
作者希望扩展他们的感谢生物和环境科学系的卡塔尔大学艺术与科学学院执行这项研究提供所需的设施。这项研究是由学生资助的卡塔尔大学艺术与科学学院。

引用
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