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10.3 有氧治疗

2 years ago

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有氧处理通过支持污泥与氧气的接触来增强污泥的氧化。 在这种情况下,有机物的氧化主要是由异养微生物的呼吸驱动。 作为呼吸的最终产物 COSub2/Sub 被释放,如下所示(10.1)。

6 美元时间 + 6\ O2\ 一氧化碳 6\ 二氧化碳 +6\ 高速公路 + 能源 (10.1)

在有氧反应堆中,这一过程主要是通过将空气注入污泥-水混合物,与扩散器和螺旋桨相连的鼓风机相连。 空气喷射还可确保污泥的适当混合。

在这一氧化过程中,释放与有机物结合的宏观营养素和微量营养素。 这个过程被称为有氧矿化。 因此,在矿化过程中可以再循环使用更多的营养物质,而一些营养物质,例如钠和氯化物,也可能超过其水培应用阈值,在施用前必须仔细监测(Rakocy 等人,2007 年)。 从 RAS 中的固体去除装置(例如澄清器或滤筒过滤器)中获得的有机物的有氧矿化是一种简单的方法,可以回收营养物质,用于后续应用。

此外,在有氧消化过程中,pH 值降低,促进沉积在污泥中的结合矿物的矿化。 例如,Monsees 等人(2017 年)表明,由于 pH 值偏移,RAS 污泥中释放了 P。 pH 值下降主要是由呼吸驱动的,在较低程度上可能是硝化作用。

由于通过矿化室的曝气和丰富的有机物,异养微生物找到了理想的生长条件。 这导致呼吸增加和释放 COSub2/Sub 溶解在水中。 COSub2/Sub 形成碳酸,从而降低工艺水的 pH 值,如以下公式所示:

二氧化碳 {2 (g)} +2\ 二氧化氢\ 不锈钢氢-3 氧化碳 ^ ++ {六氧化碳 _3} ^-$ (10.2)

RAS 衍生的废水通常含有 NHSub4/SuP+/SUP,另外还具有中性 pH 值约为 7,因为 RAS 中的 pH 值需要保持在该水平,以确保在生物过滤器内将 NHSub4/SuP+/SUP 最佳微生物转化为 NOSub3/Sub(即硝化)。 硝化过程可以通过将质子释放到工艺水中,从而有氧反应器起始阶段的 pH 值降低,如以下公式所示:

$ {NH4} ^+ + 2\ O2\ rarr {NO_3} ^-+2\ H ^ +++2 氢氧气 + 能源 (10.3)

这至少适用于 pH 值仍高于 6 的起始阶段。 在 pH 值 ≤ 6 时,硝化可能会显著减慢甚至停止(Ebeling 等人,2006 年)。 然而,这对矿化单位并不构成问题。

在持续过程中,有氧矿化单元的 pH 值普遍下降是以沉淀矿物质作为磷酸钙的形式释放营养物质的主要驱动因素。 Monsees 等人(2017 年)指出,污泥中约 50% 的磷酸盐是酸溶性的,来自于采用含有鱼粉的标准饲料的 TilapiaRAS。 在这里,RAS 中约 80% 的磷酸盐由于清洁卧螺机和废弃污泥-水混合物而损失。 考虑到这一事实,矿化装置在水生应用中的巨大潜力变得清晰。

有氧矿化的优点是维护低,不需要熟练的人员,也无需后续进行再氧化。 浓缩水可直接用于植物施肥,理想的情况是通过在线系统进行管理,以充分制备营养液。 与厌氧矿化相比,一个缺点是没有生产甲烷(Chen 等人,1997 年),而且,如前所述,由于需要持续曝气,能源需求较高。

10.3.1 有氧矿化装置

! [图片-图片-https://cdn.aquaponics.ai/thumbnails/d542032e-0c3e-41f5-8697-fc9fec0a2a42.jpg

** 图 10.2** 以批量模式运行的有氧矿化装置示例。 矿化室(棕色)与出口室(蓝色)通过筛板分离,在矿化过程(强曝气)过程中被固体盖板覆盖,以防止堵塞和形成细颗粒。 来自澄清器或滚筒过滤器的富有有机水通过入口进入矿化装置。 矿化循环完成后,富含营养的无固体水通过出口将矿化装置输出,直接转移到水培装置,或保存在储罐中,直到需要

有氧矿化装置的设计实例如图 10.2 所示。 入口通过阀门连接到固体去除装置,从而允许使用污泥和水混合物对矿化室进行不连续的补充。 矿化室通过压缩空气加气,以促进异养细菌的呼吸,并尽可能减少厌氧去硝化过程。 为了防止有机物质离开矿化室,筛板可以作为屏障。 理想情况下,在矿化过程中(曝气过程中),应使用第二个防渗盖板来覆盖筛子。 这样可以防止筛板堵塞,因为在重曝气过程中,有机材料会不断地靠着筛板移动。 在将富含营养的水从矿化室转移到水培装置之前,会停止曝气以使颗粒沉淀。 随后,盖板被拆除,营养丰富的水可以通过筛板,并通过出口离开矿室,如图 10.2 所示。 最后,盖板再次到位,矿化室用 RAS 衍生的污泥-水混合物重新灌装,矿化过程再次开始(即批处理过程)。

矿化装置的体积应至少是澄清剂的两倍,以便持续进行矿化。 一个矿化周期可持续 5—30 天,具体取决于系统、有机负荷和所需的营养分布,并且必须针对每个单独的系统进行详细研究。 对于包括滚筒过滤器在内的系统,就像大多数现代 RAS 中的情况一样,矿化单元的尺寸必须根据滚筒过滤器每日或每周的污泥流出进行调整。 由于迄今为止尚未在实验设置中进行测试,因此目前不可能提出具体建议。

10.3.2 实施

图 10.3 提供了一个将有氧矿化装置纳入分离水生子系统的实例。 由于不需要进行前处理和后处理(例如再氧化),因此矿化装置可以直接放置在固体去除装置和水培床之间。 通过在矿化装置之前和之后安装阀门,可以不连续运行并按需向水培装置输送养分,但在许多情况下,需要额外的储存罐。 理想情况下,在将富含营养的水输送到水培单元后,将替换的水用新的污泥和固体去除装置中的水取代。 根据矿化装置的体积,需要注意的是,使用新的淤泥-水混合物进行补充可能会导致 pH 值再次增加,从而导致矿化过程中断。 通过增加矿化单元的尺寸,这种效应将得到缓冲。 Rakocy 等人(2007 年)对来自两个水产养殖系统的液体有机废物进行调查的研究表明,有氧矿化保留时间为 29 天,取得了巨大的成功。 然而,这也取决于矿化室内的 TS 含量、适用于 RAS 的饲料、温度以及水培单元内生产的植物的营养要求。

! [图片-图片-https://cdn.aquaponics.ai/thumbnails/dff2cb8a-2423-4f2e-91c3-7410865a1471.jpg

** 图 10.3** 包括有氧矿化装置在内的分离式水生系统示意图。 水可以从 RAS 水循环或直接从矿化单元转移到营养储层


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