（环境科学与工程专业论文）生活污水硝化与同步硝化反硝化过程n2o产生与控制.pdf

独创性声明 洲rr l li r jr lrl l i r i ii ii y 17 8 8 6 7 0 本人声明所呈交的论文足我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也f i 包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证1 s 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文r 1 作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校町以公布论文的伞部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：毕导师签名：必 摘疆 摘要 一氧化二氮( n 2 0 ) 是生物脱氮过程中产! 卜的强力温室气体，其全球增温潜 势为c 0 2 的1 9 0 2 7 0 倍，占全球温室气体效应贞献值的6 4 ，继c 0 2 、氯氟烃 和甲烷之后l j 第四位。1 9 9 7 年通过的京都协议书，要求发达国家缔约方在 2 0 0 8 2 0 1 2 年的第一承诺期内，n 2 0 排放量要比1 9 9 0 年至少削减5 ，我国 也是缔约方。因此，研究如何控制和减少污水脱氮过程中n 2 0 的排放具有十分 重要的现实意义。 与传统生物脱氮i ：艺相比，同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n - - s n d ) 工艺将省去第阶段的缺氧反硝化池或减少其体积，大大 缩短生物脱氮的工艺流程，减少工程造价，这为今后污水处理降低投资并简化牛 物脱氮过程提供了可能性。在荷兰、德国已有利用同步硝化反硝化脱氮工艺的污 水处理厂在运行，目前国内对同步硝化反硝化的研究主要是在其形成机理上。对 于s n d 过程中n 2 0 的产生情况的研究却鲜有报道。 本文采用密封的s b r 反应器处理实际生活小区污水，接种城市污水处理厂 成熟的具有硝化功能的污泥，以碳纤维为填料，成功启动同步硝化反硝化生物脱 氮系统，并保持了系统长期稳定的脱氮性能。存此基础卜，考察同步硝化反硝化 生物脱氮系统这一新型生物脱氮系统的n 2 0 产生情况及其影响因素。对n 2 0 的 主要产生过程硝化过程的n 2 0 产生机制及影响凶素进行了研究，并埘同步 硝化反硝化脱氮过程中n 2 0 产生机制进行分析，和传统全程生物脱氮和短程生 物脱氮对比，分析提出生活污水脱氮过程中n 2 0 减量化控制策略。 在温度为2 6 + 1 时，成功完成同步硝化反硝化系统的启动。系统肩动成功 后，曝气结束时总氮去除率稳定在7 5 左右。分段投加碳源同步硝化反硝化系统 n h 4 + - n 去除率可以达到9 6 ，而整个过程中系统中的n 0 2 - n 、n 0 3 - n 始终4 i 超过2 m g l ，同步硝化反硝化率达7 9 以上。在溶解氧为0 2 、0 4 、1 0 、1 5 m g l 水平下，反应结束时系统n h 4 + n 去除率分别为5 9 6 、9 6 、1 0 0 $ u1 0 0 ， 同步硝化反硝化率r lt n 分别为9 4 、8 7 、7 9 和8 0 。维持溶解氧在0 4 0 ! m g l ，初始氨氮浓度3 8 4 2 m g l 条件r 卜，初始c n 分别为3 2 、4 8 、6 7 、8 1 、 1 0 3 时，同步硝化反硝化率分别为3 、1 8 、3 1 、4 4 雨i4 7 。 在溶解氧1 5 m g l 时，生物膜同步硝化反硝化系统一个周期内，n 2 0 累积释 放量为1 3 4m g l ，即n 2 0 一n 累积释放量为o 8 6 m g l ，相当于每去除l g 氨氮n 2 0 n 释放量为0 0 2 5 9 。溶解氧值分别恒在0 2 、0 4 、1 0 和1 5 m g l 时，n 2 0 n 释放 芾分别为o 2 3 、1 1 1 、o 7 4 、0 8 6 m g l ，即市h 当十每去除l 克氮释放的n 2 0 量分 别为o 0 0 5 、0 0 2 5 、0 0 2 l 、o 0 2 5 9 。在初始c 刷为3 3 、4 5 、7 2 、8 7 、1 0 1 条 件下，n 2 0 n 累积释放罱分别为0 0 8 9 、0 4 2 3 、0 3 3 l 、0 4 1 2 、o 2 6 1 m g l ，每去 除l g 氮产生的n 2 0 n 量分别为0 0 9 2 、0 0 8 1 、0 0 3 2 、0 0 2 9 、0 0 1 7 9 。在碳源不 ，i t ：柬i 、! p ，：。；：f ? 砸t 引- ，沦z 足的情况下，有较大的n 2 0 逸出量；在好氧曝气状态时，充足的碳源条件下， n 2 0 被及时还原，有效减少了n 2 0 的逸出。 硝态氮是影响污水处理过程中n 2 0 产生的重要冈素。试验发现污水硝化 过程中从亚硝态氮氧化到硝态氮的过程中有n 2 0 产生，并且随着皿硝态氮浓度 的不同，n 2 0 产牛量也不同。以牛活污水长期驯化的污泥处理初始亚硝态氮浓度 大于4 0 m g l 的污水时，由于亚硝酸盐的抑制作用导致n 2 0 产生量很高。8 1 4 5 m g l 的初始亚硝酸盐氧化过程可产牛7 3 7 m g l 的n 2 0 。初始亚硝念氮低于4 0 m g l 时，由于抑制作用不强，n 2 0 产生晕随亚硝态氮浓度的下降而降低，但当 亚硝念氮浓度过低时，也会有较高的n 2 0 转化率。恒定3 0 m g l 亚硝态氮，随着 d o 浓度的升高，n 2 0 的产量和转化率均逐渐卜降。维持亚硝念氮氧化过程中 d o 浓度为2 m g l 左右即可节约能源又可减少n 2 0 的产生量。维持初始n 0 2 - n 浓度为3 0 m g l2 i j 右，随着p h 的升高，n 2 0 的产量和转化牢均逐渐下降。维持 n 0 2 - n 氧化阶段的p h 7 既可以节约运行成本又可减少n 2 0 的产生带。 在传统伞程硝化反硝化牛物脱氮系统、短程硝化反硝化牛物脱氮系统、同步 硝化反硝化生物脱氮系统中，h 步硝化反硝化生物脱氮系统足n 2 0 逸最少的 系统。同步硝化反硝化系统n 2 0 释放量比伞程和短程脱氮系统低，主要有两个 原凶：一是由于系统内存在缺氧微环境，在硝化的i 叫时有条件进行反硝化，及时 的将n 2 0 还原，减少了释放的n 2 0 量；二足同步硝化反硝化系统的微生物菌群 复杂，与全程系统和短程系统不同，可能存在更多利类的微生物荫利一。这些菌种 的酶系以及生理代谢过程也有别于传统的硝化菌和反硝化菌，有可能它们对于减 少n 2 0 释放量有着大的贡献。对于生活污水脱氮过程中n 2 0 的逸出控制可以从 以卜两个思路m 发：一是从：艺角度，选择采用有利于控制n 2 0 逸山的i ：艺， 女i i 同步硝化反硝化脱氮，并且探索，i ：艺运行最佳条件，实现污染物去除和n 2 0 减排双达标的目标。二是从微牛物角度，研究荫种代谢途径和代谢产物，筛选优 势菌属，从n 2 0 产生源上减少n 2 0 释放量。 关键词牛活污水；n 2 0 ；同步硝化反硝化 a h - i c t a b s t r a c t n i t r o u so x i d ei so n ek i n do fs t r o n gg r e e nh o u s eg a s e sp r o d u c e dd u r i n gt h er e m o v a l o fn i t r o g e ni nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t i ti sr e p o r t e dt h a tt h ew a r m i n gp o t e n t i a lo f n i t r o u so x i d ei si9 0 2 7 0t i m e st h a nt h a to fc a r b o nd i o x i d e c o n s e q u e n t l y , i ti sv e r y m e a n i n g f u lt oi n v e s t i g a t eh o wt oc o n t r o la n dr e d u c et h ep r o d u c t i o no fn i t r o u so x i d ei n w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tw h i c hw a sa c c e p t e dt ob eag r e a tc o n t r i b u t o ro fg r e e n h o u s ee f r e c t c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a ln i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g y , s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n a n dd e n i t r i f i c a t i o ns h o r t e n e dt h ep r o c e s sa n dr e d u c e dt h ec o s t i nn e t h e r l a n d sa n d g e r m a n y , s n dw a sa p p l i e di nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t h o w e v e r , t h er e s e a r c h o fs n dh a sb e e ns t a y e di nt h el a b o r a t o r yi nd o m e s t i ca n dt h en 2 0p r o d u c t i o nd u r i n g s n dw a sr a r e l yr e p o r t e d t h es n d s y s t e mw a ss u c c e s s f u l l ys t a r t e dw i t hr e a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r , m a t u r e s l u d g ed i s c h a r g e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dc a r b o nf i b e rw a sf i l l e dt of o r mt h e b i o m e m b r a n e t h ef a c t o r si n f l u e n c e dt h ep e r f o r m a n c eo fs n dw e r ei n v e s t i g a t e d f u r t h e r m o r e ，t h ep r o d u c t i o no fn i t r o uo x i d e sa n dt h ef a c t o r so ft h ep r o d u c t i o nw e r e s t u d i e d f i n a l l y , t h em e c h a n i s mo fn i t r o u s o x i d ep r o d u c t i o ni ns i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sw a sa n a l y z e d c o m p a r e dt o t h ec o n v e n t i o n a ln i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g ya n dt h es h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s ，s ndw a sc o n s i d e r e dt ob ea ne f f i c i e n ta n dl e s sn 2 0p r o d u c e r m o r e o v e r , t h es t r a t e g i e st oc o n t r o ln 2 0p r o d u c t i o nw e r ep r o p o s e d t h es n ds y s t e mw a ss u c c e s s f u l l ys t a r t e dw h e nt h et e m p e r a t u r ew a s2 6 士1 t h e n i t r o g e nr e m o v a lr a t ew a sm a i n t a i n e da t7 5 a f t e rt h ea e r a t i o np r o c e s s t h en h 4 + - n r e m o v a lr a t er e a c h e d9 6 a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fn 0 2 - na n dn 0 3 。- nw a sb e l o w2 m g lw h e nt h ec a r b o ns o u r c ew a ss t e p p e df e d w h e nd o w e r e0 2 、0 4 、1 0 、1 5 m g l ， t h er e m o v a lr a t eo f n h 4 + - nw e r e5 9 6 、9 6 、l0 0 a n dl0 0 a n d t 1t nw e r e9 4 、 8 7 、7 9 a n d8 0 r e s p e c t i v e l y w h e nd ow a s0 44 - o 1m g l i n i t i a ln h 4 + - nw a s 3 8 - 4 2 m g l ，i n i t i a lc nw e r e3 2 、4 8 、6 7 、8 1 、1 0 3 ，r lt n w e r e3 、1 8 、3 1 、 4 4 a n d4 7 ，r e s p e c t i v e l y n 2 0a c c u m u l a t i o np r o d u c t i o nw a s1 3 4m g l ，t h a tw a sn 2 0 - na c c u m u l a t i o n p r o d u c t i o n0 8 6m g ld u r i n gac y c l eu n d e rd 0 2 i 5m g l w h e nt h ei n i t i a lc nw e r e 3 3 、4 5 、7 2 、8 7 、10 1 t h en 2 0 na c c u m u l a t i o np r o d u c t i o nw e r e0 0 8 9 、0 4 2 3 、 0 3 31 、0 412 、o 2 61m g l ，r e s p e c t i v e l y d u r i n ga e r a t i o n ，n 2 0p r o d u c t i o nw a sr e d u c e d 北京i 、 p 、i 中衙 中f ? ，论文 b e c a u s en 2 0w a sr e d u c e du n d e rs h f f i c i e n tc a r b o ns o u r c e n i t r i t ew a sa ni m p o r t a n tf a c t o rt h a ti n f l u e n c e dt h ep r o d u c t i o no fn 2 0 t h e e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tn 2 0p r o d u c e dd u r i n gw h e nn i t r i t ew a so x i d i z e dt on i t r a t e a n dt h en 2 0p r o d u c t i o nw a sd i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n tn i t r i t ec o n c e n t r a t i o n n 2 0 p r o d u c t i o nw a sh i g h ( 7 3 7 m g l ) b e c a u s eo ft h ei n h i b i t i o no fn i t r i t ew h e nt h ei n i t i a l n i t r i t ec o n c e n t r a t i o nw a s81 4 5m g l t h ep r o d u c t i o no fn 2 0d e c r e a s e dw h e nt h e n i t r i t ec o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e d w h e nt h en i t r i t ew a s3 0m g l ，b o t hn 2 0p r o d u c t i o n a n dc o n v e n s i o nr a t ed e c r e a s e dw h e nt h ed oi n c r e a s e d c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a ln i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g ya n ds h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n ， s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nn i t r o g e nr e m o v a ls y s t e mp r o d u c e dl e s s n 2 0 t h er e a s o n sw e r e ：t h ep o s s i b i l i t yo fa n o x i ce n v i r o n m e n te x i s t i n gi nt h es y s t e m ， n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nw a ss i m u l t a n e o u s l yh a p p e n e d ；t h em i c r o o r g a n i s m s w e r ed i v e r s ea n dt h e ym i g h tc o n t r i b u t et ot h el o w e rn 2 0p r o d u c t i o n c o n s e q u e n t l y , t h e r ew e r et w ow a y st oc o n t r o ln 2 0p r o d u c t i o n ：o n ei st oc h o o s eo p t i m a lp r o c e s s ， s u c ha ss i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，m o r e o v e r , i n v e s t i g a t et h e o p t i m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n t h eo t h e ri st os u d yt h en e wm i c r o o r g a n i s m sa n dc h o o s e l o w e rn 2 0p r o d u c e do r g a n i s mt oc o n t r o lt h en 2 0p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：r e a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r ；n 2 0 ；s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i n c a t i o n i v h 录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 污水生物脱氮原理与研究现状1 1 1 1 传统生物脱氮原理1 1 1 2 牛物脱氮新理论和新技术2 1 2 污水生物脱氮过程中n 2 0 产生问题4 1 2 1n 2 0 产生源4 1 2 2n 2 0 的环境危害5 1 2 3n 2 0 产生的微生物学机理6 1 2 4 污水生物脱氮过程中n 2 0 产生量8 1 2 5 污水生物脱氮过程中n 2 0 产生的影响因素9 1 3 课题来源研究意义1 l 1 3 1 课题来源1 l 1 3 2 课题目的和意义12 1 4 本课题的主要研究内容1 4 第2 章试验材料与方法17 2 1 试验用水来源与水质17 2 2 试验装置及仪器17 2 2 1s b r 法试验的气体收集装置1 7 2 2 2s b r 反应器运行情况19 2 2 3 试验主要仪器和设备2 0 2 3 试验分析项目与检测方法2 0 2 3 1 常规理化分析项目与方法2 0 2 3 2n 2 0 检测与计算方法2 1 第3 章同步硝化反硝化脱氮及其稳定性影晌因素2 3 3 1 同步硝化反硝化系统的启动2 3 3 2 同步硝化反硝化系统脱氮性能研究2 4 3 3 同步硝化反硝化系统稳定。盹影响凶素2 6 3 3 1 溶解氧( d o ) 2 6 3 3 2 初始碳氮比( c n ) 2 7 3 4 本章小结2 8 第4 章同步硝化反硝化过程n 2 0 产生量及影响因素2 9 v 北求i 、l pj 、。j 1 。口卜引_ 论歹 4 1 同步硝化反硝化过程n 2 0 产生量一2 9 4 2 同步硝化反硝化过程n 2 0 产生最影响冈素一3 2 4 2 1 溶解氧对同步硝化反硝化过程n 2 0 产生量的影响3 2 4 2 2 初始c n 比对同步硝化反硝化过程n 2 0 产生量的影响3 3 4 3 同步硝化反硝化过程n 2 0 减星化控制策略一3 5 4 4 本章小结3 5 第5 章硝化过程n 2 0 产生机制及影响因素分析3 7 5 is r t 对于硝化过程中n 2 0 产j 卜的影响一3 7 5 1 1s b r 反应器污泥龄的汁算办法3 8 5 1 2 污泥龄较短系统脱氮过程r f ln 2 0 的产牛情况3 8 5 1 3 污泥龄较长系统脱氮过程中n 2 0 的产生情况4 0 5 1 4s r t 对n 2 0 产生量的影响分析4 1 5 2 业硝态氮氧化过程n 2 0 产生景4l 5 3 业硝态氮氧化过程n 2 0 产生影响冈素4 7 5 3 1 试验方法一4 7 5 3 2 不| 一浓度亚石肖态氮氧化过程n 2 0 的产生情况4 7 5 3 3 不l 司d o 浓度下n 2 0 产生隋况4 9 5 3 4p h 值对n 2 0 产生鼍的影响5 l 5 4 好氧反硝化菌和异养硝化菌的n 2 0 产生机理5 3 5 5 本章小结5 3 第6 章生活污水脱氮过程n 2 0 减量化控制策略5 5 6 1 三种脱氮：i i 艺n 2 0 产牛量比较5 5 6 2 生活污水脱氮过程n 2 0 减量化控制策略5 6 6 3 本章小结5 7 结 论5 9 参考文献6 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 7 致 谢6 9 v l 筇i 亭绍论 第1 章绪论 1 1 污水生物脱氮原理与研究现状 随着水体污染和富营养化程度的加剧，废水脱氮问题成为目前水污染控制中 广泛关注的热点。 在自然界中，氮化合物是以有机体( 动物蛋白、植物蛋白) 、氨态氮( n h 4 + - n ) 、 亚硝态氮( n 0 2 - n ) 、硝态氮( n 0 3 - - n ) 以及气态氮( n 2 ) 和氮的氧化物形式存在的。 在二级水处理中，氮则是以n h 4 + n 、n 0 2 - n 和n 0 3 - n 形式存在的。生物脱氮 即是在硝化菌和反硝化菌的作用下，将污水中的含氮化合物转化为氮气，最终从 污水中去除的过程。 1 1 1 传统生物脱氮原理 传统生物脱氮的基本原理是在自养硝化菌和片养反硝化菌的作用一f ，将污水 中的含氮化合物转化为氮气，最终将其从废水中去除的过程。硝化作用是将氨氮 转化为硝酸盐氮的过程，可分为两个阶段，分别由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌完 成。第- 。步由氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，即氨氧化阶段；第二步由亚硝 酸盐氧化茵将亚硝酸盐氮进一步氧化为硝酸盐氮，即亚硝酸盐氧化阶段。氨氧化 阶段的需氧量为亚硝酸盐氧化阶段需氧量的3 倍，并且产生氢离子，消耗碱度。 氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌均为自养好氧微生物，利用c 0 2 、c 0 3 2 - 和h c 0 3 等 作为碳源，通过与n h 3 、n h 4 + 或n 0 2 的氧化还原反应状得能量。氨氮和亚硝酸 盐氮氧化过程产能低，因而，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的生长速率均较低。 硝化反应方程式可表示为： h i + 二a - - 9 n o ；+ l 0 + 2 h + ( 1 1 ) 1- n o ；+ 圭0 2 专婀( 1 - 2 ) a 7 丑j + 2 q 争n o ；+ h 2 d + 2 h + ( 1 - 3 ) 反硝化反应是由一群异养犁兼性厌氧微生物完成的，它的主要作用足在无氧 或低氧条件下，将硝酸盐氮或业硝酸盐氮还原为氮氧化物或氮气。广义上讲，微 t l i 物将硝酸盐氮或业硝酸盐氮还原为低价态氮的过程统称为生物反硝化，它包括 同化还原和异化还原。在溶解氰浓度极低的环境中，反硝化菌可利用亚硝酸盐或 石肖酸盐中的氧作为电予受体，同时有机物作为电了供体被氧化而提供能量，将硝 酸盐或亚硝酸盐还原为氮气。 反硝化反应方程代表示为： 北京l 、f pj j 7 - 1 。埘i 十f 一沦文 5 c ( 有机碳) + 2 h ，o + 4 n o ；一2 + 4 d 一+ 5 c a ( 1 4 ) 反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体，但是，当反应体系中缺乏有机 物时，无机物如h 2 、h 2 s 等也可作为反硝化反应的电子供体，微生物还可以通 过消耗自身细胞进行内源反硝化，反应式可表示为； ( 五h 7 n q + 4 n o ；一5 c 0 2 + a z + 2 n 2 + 4 0 h 一 ( 1 - 5 ) 其中，c 5 h 7 n 0 2 代表反硝化微生物的细胞组成。 目前公认的从n 0 3 还原为n 2 的过程为： n 0 3 一n o ；专n o 寸2 0 一2( 1 - 6 ) 目前，基于传统脱氮理论，已经开发了很多污水处理的工艺与技术，如，a 2 o 工艺、氧化沟工艺、间歇式活性污泥法、分段进水工艺和b a r d e n p h o 工艺等。由 于硝化和反硝化反应过程巾所参与的微生物种类4 i 同、转化的基质不同、所需要 的反应条件也各不相同1 1 。3 1 ，艮l 而，污水生物脱氮t 艺不但需要在时问或者空| 、日j 上为硝化菌和反硝化菌提供适宜的生存条件i4 1 ，而且在好氧硝化过程巾需要提供 大量的氧气。不仅如此，由于高氨氮废水或低c n 比废水中所含有的有机碳无 法满足反硝化作用的需求，因此，要实现高效脱氮需要投加外碳源，如：甲酵， 乙酸钠等，但这同时也进一步提高了污水处理的费用。为进一步提高污水处理效 率，降低污水处胛费用，各同的研究学者们致力于污水生物脱氮新工艺的研究与 开发。 1 1 2 生物脱氮新理论和新技术 近年来，随着科技工作者对型：物脱氮t 艺的进一步研究，发现了一些超出传 统认识的新现象，如硝化过程不仅山白养菌完成，异养茵也可以参与硝化作用； 某些微生物和：好氧条件下也可以进行反硝化作用；特别是发现了氨与业硝酸盐或 硝酸盐在缺氧条件下被j 司时转化为氮气的生物化学过程。这些新现象为探索研究 生物脱氮新工艺提供了新的思路，产生了许多生物脱氮新工艺。目前研究较多的 生物脱氮新工艺主要有短程硝化反硝化脱氮t 艺( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) 、同步硝化反硝化脱氮工艺( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n - - s n d ) 和厌氧氨氧化脱氮工艺( a n a e r o b i ca m m o n i u m o x i d a t i o n - - a n a mm o x ) 等。 2 1 短程硝化反硝化从氮的微牛物转化过程来看，硝化作用是由两类 独立的细菌，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌完成的两个不同反应。从进化谱系上看， 氨氧化菌和硝酸盐氧化菌之问的亲缘关系并不密切，除) , - p r o t e o b a c t e r i a 纲中 n i t r o s o c o c c u s 与n i t r o c o c c u s 的少数菌株具有相对较近的亲缘关系外，其它绝大 多数菌株的亲缘火系都相距很远。因此，从微生物学角度来分析，氨氧化菌和亚 弼1 研论 硝酸盐氧化菌完全可以独立生活。对于反硝化凶，无论是亚硝酸盐还是硝酸盐均 可以作为最终受氧体，因而整个生物脱氮过程r 叮以经n h 4 + _ n 0 2 - n 2 这样的途 径完成，人们把经此途径进行脱氮的技术定义为短程硝化反硝化生物脱氮工艺 【卯。从反应历程来看，短程硝化反硝化比全程硝化反石肖化减少两步，冈而它节 省了能源和反硝化所需的碳源，对丁实际t 程应用非常有意义。对比于传统的硝 化反硝化技术，短程硝化反硝化具有如下优点【昏7 】：好氧阶段节省2 5 的氧消 耗量；缺氧段节省4 0 的外碳源消耗量；硝酸盐反硝化反应以硝酸哉反 硝化反应速率的1 5 2 倍进行；降低了剩余污泥产量。 实现短程硝化反硝化生物脱氮上艺的关键在于实现短程硝化作用。白1 9 7 5 年v o e t s 等【8 1 发现硝化过程中n 0 2 - 积累现象以米，困内外许多学者对短程生物脱 氮工艺进行了研究，研究发现n 0 2 不稳定，极易氧化成n 0 3 。，凶此，寻求各种 方法维持稳定的n 0 2 积累已成为众多学者研究开发的目标。目前，实现短程脱 氮的途径主要有合理地控制温度、泥龄、d o 、p h 值、基质浓度与负荷、抑制剂 和运行方式等。 1 1 2 2 同步硝化反硝化同步硝化反硝化工艺，就是在同一反应器内，同 样的运行操作条件下，同时发生硝化反应和反硝化反应叭。与传统生物脱氮工 艺相比，s n d 工艺将省去第二阶段的缺氧反硝化池或减少其体积，这将大大缩 短生物脱氮的工艺流程，减少工程造价 1 1 - 1 2 】。目前，对s n d 生物脱氮的机理 虽然还有待进一步的了解与认识，但纵观如今的各大观点，可以从生物学和物 理学两大方面对s n d 加以解释 1 3 - 1 5 】：从物理学角度解释s n d 的微环境理论是 月前已被普遍接受的观点。该理论认为：由r j - 氧扩散的限制，在微生物絮体内产、 生d o 梯度，微乍物絮体的外表面d o 较高，以好氧菌、硝化菌为主；深入絮 体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产牛缺氧微区，反硝化菌r 优势。由 于微生物絮体内缺氧微环境的存在，导致了s n d 的发牛。生物学方面对s n d 的解释突破了传统生物脱氮理论的认识。近年来，好氧反硝化荫和异养硝化菌等 的发现 1 6 - 1 7 】，打破了传统理论认为硝化反应j i 能山自养菌完成和反硝化反应只能 在厌氧条件下进行的认识。许多好氧反硝化菌，如p s e u d o m o n a s 印和d l i c a l i g e n e s f a e c a l & 等，i 司时也是异养硝化菌 18 - 1 9 1 ，凶此，能够直接地把n h 4 + 转化为最终 气态产物而逸出。部分细菌，如，t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a ，既能够进行异养硝 化作用，又可进行和好氧反硝化作用1 2 u j 。 s n d 不仅可以发生在活性污泥系统，而且也可以发生在生物膜反应器巾， 如流化床、曝气生物滤池【2 l 】。p u z n a v a 等f 2 i 】通过适时控制溶解氧浓度在上向流曝 气生物滤池中实现了s n d 生物脱氮。由于溶解氧浓度控制在0 5 3 m g l ，使得溶 解氧1 i 能完全渗入到生物膜中，由此造成生物膜中一定程度一t - _ 存在着可以发生反 硝化反应的缺氧区。因此，在生物膜的不同深度一叮以同时发生硝化和反硝化反应。 北柬f 、j k ，、。；：r ? ! j i 卜7 p 沦z 试验中还得出s n d 曝气生物滤池比传统硝化反硝化曝气生物滤池节约空气量 5 0 以上。 k l a n g d u e n 等【2 2 1 应用s b r 反应器实现了s n d 生物脱氮工艺，系统对总氮去 除率达到9 5 以上。在此基础上，作者又对影响s n d 的l 大1 素进行了研究，得出 有机碳源、溶解氰浓度和菌胶团大小足形成s n d 的卡要因素。c o i l i v i g n a r e l l i 等 2 3 1 在两个实际污水处理厂中应用了s n d 牛物脱氮工艺。运行效果显示s n d 的脱 氮效率类似于传统工艺中的预反硝化过程，但是它不需要缺氧池，i ：且运行费用 降低，尤其是节约了电能。 综上，实现s n d 的关键在于对硝化反硝化菌的培养和控制，目前国内外研 究认为对影响硝化反硝化菌的冈素主要有：溶解氧、有机碳源、微生物絮体结构、 温度和p h 值等。但同步硝化反硝化生物脱氮工艺的理论体系还很不完善，尤其 在反应机理研究上还需进一步加强。 1 2 污水生物脱氮过程中n 2 0 产生问题 随着伞球气候变暖，降低温室气体的排放量日益变得必要而紧迫。目前丈气 中三种主要的温室气体是c 0 2 、c h 4 和n 2 0 。污水处理过程中这三种气体均可产 生。c 0 2 的产生为自然碳素循环的部分，而厌氧处理过程中所，- 生的c h 4 为清 洁犁能源，经利用后终广：物仍为c 0 2 。但是，污水生物脱氮过程中所j _ 生的n 2 0 为非常规脱氮产物。n 2 0 不但是强有力的温室气体，破环臭氧层，而爿是形成酸 雨的前体物质。目前，大气中n 2 0 的体积分数为3 1 6 l o 一，比工业时代早期增 加了1 5 ，预计到2 1 0 0 年，n 2 0 体积分数将达到4 8 4 x 1 0 一，比现在高5 7 ，比 工业时代早期高7 0 e 2 4 j 。n 2 0 存人气中小会卜沉，不会被冲洗，其在对流层中 很稳定，且不断累积，停留时间艮达1 2 0 年【2 5 】。近二十年来，大气中n 2 0 正以 0 2 5 0 3 的年增长率急剧上升。n 2 0 浓度的增加将对地气系统，人类生存环境 及氮素生态平衡等产生严重影响。冈此，了解n 2 0 的环境效戍及产生源，深入 分析污水生物脱氮过程n 2 0 产乍机制、产十量及影响因素，并采取有效手段控 制其排放量，不f - u 具有重要的理论意义，而且对保护人类的乍存环境有着极为深 远的意义。 1 2 1n ，o 产生源 n 2 0 的产生源可分为天然源和人为源两类，表1 1 列出了已知的天然源和人 为源的情况【2 酬。从表中可以看出，到目前为止，仍然有一些源强的n 2 0 产生量 还无法定量，并且在已定量的备类n 2 0 产生源中，虽然天然源的n 2 0 牛成量要 比各种人为源大得多，但它可能不是导致n 2 0 大气浓度急剧增加的主要原囚。 已有的研究资料表明，在工业革命以前，大气中n 2 0 的浓度基本保持稳定，这 0 j1 ，缔论 说明这一时期n 2 0 的各类源汇之问基本保持平衡。1 业革命之后，特别是近年 来，n ：o 的大气浓度迅速增加，可以肯定地球上人类和其它生物活动是n 2 0 的 主要产生源，其中微生物足最罩要的生物源。 农田、草原、森林、湿地及污水处理系统等多种生态系统中均不同程度的释 放n ，o 。大气中有9 0 以上的n 2 0 来自于微! f i 物的硝化反硝化作用。污水处理 过程人为的强化了微乍物的硝化反硝化作用，因此，污水处理过程是n 2 0 的重 要产生源。同时，人为源的存在也为进一步控制n 2 0 的增长提供了，口j 能性，如 改进生产工艺，优化运行条件等，都可以大幅度减少n 2 0 生成。 表i - in 2 0 产生源及生成星1 2 6 1 ( t g a = l x l 0 1 2 k g a ) t a b l e1 1n ，os o u r c e sa n dp r o d u c t i o n 2 6 1 ( t g a = 1x 1 0 1 2 k g a ) 释放源( 注：n k 表示产生量f i 确定)平均值n 2 0 产生量变化范围 生物量燃烧 1 6o 2 3 o 电厂 o o o 0 o 2 酰氨纤维生产 o 5o 4 - o 6 合成化肥 1 o 0 4 3 0 污水处理 1 5o 3 3 o 农牧、i k 0 5 o 3 1 o 机动车辆 o 8o 1 2 o 蓄水灌溉 0 80 6 - 2 0 土地使用变化 o 7n k 土壤 1 2 n k 海洋 3 on k 合计 2 2 7n k 1 2 2n ，o 的环境危害 大气中n 2 0 浓度的增加会给人类牛存环境带来直接或者间接的影响与危害， n ，0 不f u 可引起温室效应，而且会破坏臭氧层，) 1 ：引起酸雨等危害。大气中n 2 0 浓度每增加一倍，将会仗全球地表气温，丁i 高o 4 ，并且使大气层中不同高度的 臭氧浓度减少。当n 2 0 进入平流层后，可发生光化学反应使0 3 减少，影响0 3 的光化学平衡，同时生成n o 或n 0 2 ，这两种物质侄一定条件下，又可产生光化 学烟雾及酸雨等。 1 2 2 1 温室效应大气吸收人1 5 h 紫外辐射的反射，其吸收革随温室气体浓 度的增加而增加。增加的长波以热鼍形式存尉于对流