（环境科学与工程专业论文）甲烷作为反硝化碳源初步试验研究.pdf

国内图书分类号：x703.1 学校代码：10213 国际图书分类号：628 密级：公开 工学硕工学硕士学士学位论文位论文 甲烷作为反硝化碳源初步试验研究 硕 士 研 究 生 ： 赵志军 导 师 ： 董文艺教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 环境科学与工程 所 在 单 位 ： 深圳研究生院 答 辩 日 期 ： 2010 年 12 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: x703.1 u.d.c: 628 thesis for the master degree in engineering preliminary study on denitrification with methane as external carbon source candidate： zhao zhijun supervisor： prof. dong wenyi academic degree applied for： master of engineering speciality： environmental sience and engineering affiliation： shenzhen graduate school date of defence： december, 2010 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘 要 我国城市污水厂反硝化碳源不足的问题较为普遍， 当水体中 c/n比过低时， 需要外加碳源，以保证反硝化顺利进行。目前，多数污水厂采用甲醇作为外加 碳源，不仅成本高，还因甲醇的毒性问题而存在储存、运输等困难，为了寻找 安全廉价的替代碳源，本文对甲烷作为反硝化碳源作初步探索。 通过对 ame-d（甲烷好氧氧化反硝化）过程分析，得出甲烷氧化的中间产 物为甲醇，其对甲烷的氧化速率能够达到 185.7mmol/gvss d，相应的反硝化速 率达到 131.5mgno3-n/gvss d，氧气和甲烷的消耗摩尔比为 1.3 左右，甲烷氧 化和反硝化的碳氮比为 8.8 左右（摩尔比 ch4-c/n），其反硝化速率慢于甲醇， 快于系统碳源。 通过对 ame-d 影响因素分析，得出供氧量是 ame-d 的 c/n 比的主要影 响因素。当 o2/ch4从 1 提高到 1.5 时，反硝化速率先增大后减小，c/n 比一直 增大，从 7.6 升高到 15.6。可见，要获得良好的 c/n 比，必须严格控制供氧量。 do 对 ame-d 的影响也很大，do 的变化规律和溶解性 ch4的变化规律相反， 在低 do、低溶解性 ch4浓度下能获得较好的反硝化效果。在 ame-d 中，氮 的去除主要是以反硝化的形式被去除， ame-d 对氨氮也有一定的去除效果， 活 性污泥 ame-d 反硝化速率最大能达到 4.2mgn/(l h)。 当环境温度低于 15时， ame-d 基本被终止。 膜曝气 ame-d 工艺研究表明，采用膜曝气工艺能获得良好的甲烷传质效 果，kla 达到 0.0246min-1。甲烷和氧气同时由膜腔体供给时能获得更好的反硝 化效果，试验获得的最佳反硝化速率达到 1.6gn/m2 d，最低的 c/n 比为 9.4， 该工艺最佳 do 在 1mg/l 左右。膜曝气 ame-d 工艺中， c/n 比是一个制约因 素，它导致与常规碳源甲醇相比膜曝气 ame-d 工艺也不具有经济性。 关键词：反硝化碳源；ame-d；甲烷；膜曝气；经济性 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract municipal wastewater with low carbon to nitrogen(c/n) ratio is a common problem in our country, it requires adding external carbon source in the denitrification step. in order to achieve the desired removal, most wastewater treatment plants use methanol as a carbon source. however, it has many disadvantages, such as high cost, high toxicity, difficult transportation and storage. in order to find a inexpensive, non-toxic carbon. this paper we study methane as a feasible electron donor for denitrification. through the ame-d (aerobic methane oxidation coupled denitrification) process analysis, the intermediate product of methane oxidation is methanol, the methane oxidation rate can achieve about 185.7mmol/gvss d, the denitrification rate reached 131.5mgno3-n/gvss d, the consumption of oxygen to methane ratio is 1.3, methane to nitrogen ratio is 8.8 (molar ratio of ch4-c/n), the denitrification rate slower than methanol, faster than system carbon source. evaluate the factors that affecting ame-d analysis, the oxygen supply rate is the most important factors. when o2/ch4 radio rang from 1 to 1.5, the denitrification rate increases and then decreases, c/n ratio has been increasing, rising from 7.6 to 15.6. it should be strictly controlled the amount of oxygen for getting a low c/n ratio. do impact on the ame-d is also important, when do and solubility of ch4 concentration is low , it can get a high denitrification rate. in the ame-d, the nitrogen removal mainly by denitrification. ame-d can also removal ammonia nitrogen, activated sludge ame-d maximum denitrification rate can reach 4.2mgn/(l h). when the ambient temperature lower than 15 , the basic denitrification was inhibited. membrane aeration process can be used in ame-d for its good mass transfer, the kla of methane can reach 0.0246min-1. denitrification rate reach 1.6gn/m2 d, the lowest c/n ratio is 9.4, when the do is 1mg/l it will get high nitrate removel efficiency, in order to simultaneously achieve the optimal denitrification rate and c/n ratio, we need to do more in-depth on the amount of oxygen supplying, ammonia nitrogen had no effect on ame-d. for the current study, the c/n ratio has been a constraining factor, comparison with methanol, ame-d process does not be economical. key words: carbon source, ame-d, methane, membrane aeration, economic 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 ame-d 中的微生物及其特性 . 2 1.2.2 ame-d 的反硝化效果 . 4 1.2.3 ame-d 的影响因素 . 5 1.2.4 ame-d 的碳氮比 . 6 1.2.5 ame-d 存在问题及对策 . 7 1.2.6 目前 ame-d 的主要研究方向 . 8 1.2.7 anme-d 及 ame-snd 研究现状 . 8 1.3 课题研究目的、内容、技术路线 . 9 1.3.1 研究目的 . 9 1.3.2 研究内容 . 9 1.3.3 技术路线 . 9 第 2 章 试验材料与方法 . 11 2.1 试验装置 . 11 2.1.1 sbr 试验装置 1(s1) . 11 2.1.2 sbr 试验装置 2(s2) . 12 2.1.3 膜曝气试验装置 . 12 2.2 试验材料 . 14 2.2.1 人工配水 . 14 2.2.2 接种污泥 . 15 2.2.3 实际生活污水 . 15 2.3 研究方法与检测方法 . 15 2.3.1 研究方法 . 15 2.3.2 常规水质检测 . 16 2.3.3 其它检测方法 . 16 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 2.3.3.1 几种气体的检测方法 . 16 2.3.3.2 甲烷氧化菌的分离方法 . 18 2.3.3.3 甲烷氧化中间产物的鉴定方法 . 19 第 3 章 ame-d 过程及影响因素研究 . 20 3.1 ame-d 污泥驯化过程 . 20 3.2 ame-d 反应规律 . 20 3.1.1 ame-d 甲烷氧化规律 . 21 3.1.2 ame-d 反硝化规律 . 22 3.3 ame-d 中间产物的鉴定 . 24 3.4 影响因素的考察 . 25 3.4.1 do 对 ame-d 的影响 . 25 3.4.2 nh4+-n 对 ame-d 的影响 . 27 3.4.3 o2/ch4的影响 . 28 3.4.4 甲烷浓度的影响 . 30 3.4.5 ph 的影响 . 32 3.4.6 温度的影响 . 33 3.5 本章小结 . 33 第 4 章 膜曝气 ame-d 工艺试验研究 . 35 4.1 膜曝气甲烷传质效果 . 35 4.1.1 甲烷和氧气传质系数的关系 . 35 4.1.2 膜腔压力和传质系数之间的关系 . 38 4.2 膜曝气工艺挂膜膜曝气工艺启动过程 . 38 4.3 曝气方式的选择 . 39 4.4 膜曝气 ame-d 影响因素考察 . 42 4.4.1 do 的影响 . 43 4.4.2 氨氮的影响 . 44 4.4.3 气量的影响 . 45 4.4.4 o2/ch4混合比的影响 . 46 4.5 实际污水运行效果 . 49 4.6 物料平衡及经济性 . 50 4.7 本章小结 . 52 结 论 . 53 参考文献 . 54 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v 攻读硕士期间发表的论文及其它成果 . 58 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 59 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 59 致 谢 . 60 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题背景 本 课 题 受 国 家 “水 体 污 染 控 制 与 治 理 ”科 技 重 大 水 专 项 （ 课 题 编 号 2008zx07317-02）高排放标准城市污水处理厂升级改造关键技术研究与工程 示范课题和深圳市“08 深港产学研合作”课题低碳高氮城市污水处理反硝化 碳源研究资助。 城市污水的高效脱氮处理，是有效削减氮类营养物排放总量，改善水环境 质量的关键环节。我国城市污水碳氮比偏低的现象较为普遍，不少污水厂生物 处理工艺存在反硝化碳源不足的问题。一些南方城市 1，进水 bod5 为 6080mg/l，tn 为 2030mg/l，c/n 仅为 34。对于低碳氮比的城市污水，如 果没有外加碳源，很难保证处理出水达到国家“一级 a”排放标准。因此，寻找 合适的反硝化碳源是保障城市污水高效脱氮的基础工作之一。 目前，国内外的科研人员对系统内碳源的合理分配和高效利用做了大量研 究。但受到进水碳源量的限制，系统内碳源不能满足细菌新陈代谢的需要，难 以达到理想的脱氮效果，这就需要外加碳源来补充反硝化脱氮电子供体，以保 证达到稳定的脱氮效果，而外碳源的种类和投入量直接影响处理成本的高低， 因此， 既经济又高效的碳源就成为广大环境工程者最为关注的问题之一。目前， 常用的外加碳源有葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸等液体碳源，也有以稻壳、植物 秸秆等为原料的固体碳源2。投加液体碳源，不仅成本高，且在进水水质波动 的情况下容易造成投加量不足或过量，影响出水水质。采用固体碳源，不仅原 料运输量大，产生的废弃物多，且制取碳源所需时间长，难以实际应用。因而， 一些既高效又经济的新型外加碳源的寻找成了目前的研究热点。 为寻找合适的新碳源，一些研究者尝试采用单质硫及硫的低价化合物3,4、 氢 5,6、甲烷7-12等代替传统碳源作为反硝化电子供体。上世纪 70 年代， harremoes 和 henze christensen7发现了甲烷氧化耦合反硝化现象后， 由于甲烷 廉价、无毒性、不会增加出水 cod 值等优点而受到关注。有关甲烷作为反硝 化碳源的研究包括：好氧甲烷氧化耦合反硝化（aerobic methane oxidation coupled to denitrification ,简称 ame-d） 8、 厌氧甲烷氧化耦合反硝化 （anaerobic methane oxidation coupled to denitrification，简称 anme-d）9、甲烷氧化耦合 同步硝化反硝化（methane oxidation coupled to snd，简称 me-snd）10。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 本课题研究甲烷作为一种外加碳源在实际工程中应用的可行性，分别考察 其应用在活性污泥工艺和生物膜工艺中的影响因素，通过经济性对其可行性作 初步判断。 1.2 国内外研究现状 甲烷作为反硝化碳源应用到污水处理中的设想始于 20 世纪 70 年代，最初 的目的是为了充分利用污水厂污泥厌氧消化产生的沼气和垃圾填埋场产生的填 埋气。之后，不少学者对甲烷氧化耦合反硝化进行了系统研究，甲烷作为电子 供体在反硝化脱氮中的优点得到了更充分的发掘，由于厌氧甲烷氧化菌培养困 难9，目前的研究主要集中在 ame-d，下文重点就 ame-d 进行讨论。 1.2.1 ame-d 中的微生物及其特性 ame-d 是基于甲烷氧化菌和反硝化菌两类共生微生物的生物脱氮反应。 甲 烷氧化过程是由一种严格好氧并以甲烷为唯一碳源和能源的甲烷氧化菌完成 的，反硝化菌利用甲烷氧化菌释放的有机物作为电子供体进行反硝化。甲烷氧 化菌在自然界广泛存在，沼泽地、土壤、河流、海洋、池塘、下水道污泥等都 存在这种细菌。目前已发现一百余株甲烷氧化菌，根据细胞代谢的不同路径可 分为 i 型、ii 型、x 型三个菌群13：i 型菌主要含有圆盘状堆积的内质膜束贯穿 整 个 细 胞 ， 膜 内 含 有16碳 脂 肪 酸 ， 通 过 单 磷 酸 核 酮 糖 路 径 （ribulose-monophosphate pathway）同化由甲烷经甲醇转化生成的甲醛；ii 型 菌的内质膜排列在细胞外膜周围形成环状， 膜中含有 18 碳脂肪酸， 主要是通过 丝氨酸循环（serine pathway）同化甲醛；x 型的表现和代谢途径类似于 i 型菌， 只是它含有低水平的丝氨酸代谢所需要的二磷酸核酮糖磷酸酶。甲烷氧化菌氧 化甲烷最常见的路径如图 114。甲烷在甲烷单氧化酶（mmo）催化作用下被氧 化为甲醇，其反应式为：ch4+o2+nadh2ch3oh+h2o+nad。甲醇脱氢酶 （methanol dehydrogenase）通过辅基（pqq）将甲醇进一步转化为甲醛，其中 大 约 有 50% 的 甲 醛 被 细 胞 同 化 吸 收 ， 另 外 一 部 分 甲 醛 在 甲 醛 脱 氢 酶 （formaldehyde dehdrogenase）和甲酸脱氢酶（formate dehydrogenase）作用下， 通过辅酶 nad+的还原转化为甲酸并进一步转化生成 co2和 h2o。这些反应的 中间产物以电子供体的形式被反硝化细菌利用。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 图1 甲烷氧化流程图 甲烷氧化菌除了间接参与反硝化外还能通过同化作用同化硝酸盐氮和氨 氮，释放亚硝酸盐氮、一氧化氮和一氧化二氮15。目前，关于甲烷氧化菌自身 能够进行反硝化的研究尚未见报道，但研究已经证明甲烷氧化菌能够通过利用 氧和甲烷来促进反硝化，并释放有机物供异养反硝化细菌利用。 参与甲烷转化为甲醇过程的甲烷单加氧酶（mathane monooxygenase，简称 mmo）有两种形态：溶解在细胞质中的溶解性甲烷单加氧酶（soluble methane monooxygenase， 简 称 smmo） 和 附 着 在 细 胞 膜 上 的 颗 粒 甲 烷 单 加 氧 酶 （particulate methane monooxygenase，简称 pmmo）。在铜离子浓度很低的情 况下（1.0 mol g-1干细胞）14，只有 smmo 能够表达并表现活性，pmmo 只 能在铜离子浓度较高的情况下才能表达并表现活性。几乎所有的甲烷氧化菌都 能表达 pmmo，但是只有一些能表达 smmo。smmo 对底物的要求范围很广， 能有效降解卤代烷烃化合物如三氯甲烷、三氯乙烯等16，pmmo 能提高细胞自 身的生长速率， 更有效地利用甲烷。 研究还发现 smmo 的催化活性要比 pmmo 高，不同来源的 smmo，其理化性质、催化功能与蛋白质序列都非常相似17。 甲烷直接催化氧化制甲醇是甲烷单加氧酶最基本的催化反应，在自然界已发现 的天然酶中，只有甲烷单加氧酶中的羟基化酶（mmoh）、还原酶（mmor） 和调节蛋白 b（mmob）协同作用，才能活化甲烷和分子氧。在反应中还需要 辅酶 nadh 作为电子供体，还原酶能从 nadh 接受电子，将其传递给羟基化 酶。而调节蛋白 b 则在还原酶和羟基化酶之间的电子传递过程中起促进作用， 提高甲烷单加氧酶的催化活性。甲烷氧化菌在自然界的氮循环中扮演重要的角 色，它们能通过甲烷氧化的过程将氨氮氧化为亚硝酸盐氮和一氧化二氮。已经 有证明甲烷单加氧酶和用于氨氧化的氨加氧酶存在着很大的联系18，某些氨氧 化菌也可以氧化甲烷，但效率非常低，其氧化甲烷的最大速率比甲烷氧化菌氧 化甲烷的最小速率低 5 倍19。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - ame-d 的反硝化过程是由反硝化细菌经过多步反应实现的20-23，其反硝 化菌群和常规工艺中反硝化菌群无区别，溶解氧的存在也会对反硝化产生抑制 作用24,25。 1.2.2 ame-d 的反硝化效果 1991 年 werner 等26利用沼气作碳源处理垃圾渗滤液，对比其在 sbr、滴 滤池、流化床等反应器中的脱氮效果，发现在流化床中反硝化速率最高，达到 22.9mgno3-n l-1h-1，其次是滴滤池，达到 6.25mgno3-n l-1h-1，活性污泥法 的反硝化效率为 2.5mgno3-n l-1h-1。werner 在实验中没有对硝酸盐氮的最终 转化去向（同化作用和反硝化作用）作进一步的研究。rajapakse 等27在一个 气水逆向流的生物滤池中也获得了良好的反硝化效果，当进水的硝酸盐氮浓度 控制在 710mg/l 时，反硝化速率达到 10.8mgno3-n l-1h-1，反硝化率达到 91.2%。在相同的 hrt 时，将进水硝酸盐氮浓度提高到 35.6mg/l 时，则反硝化 率降至 24.6%。 在以上实验中，甲烷和空气都以普通曝气的形式向液相中扩散，导致大量 的甲烷气未被充分利用而从液相中逸出。为了重复利用逸出的甲烷，waki 等8 发明了一种分割式的生物反应器，甲烷和氧气的进气端和出气端用挡板分开， 使两者只在液相中混合而气相中相对分离，甲烷的出气端可回收较高纯度的甲 烷气，可进行燃烧或发电等再用。 目前，以甲烷为碳源的反硝化速率研究成果见表1。 表 1 以甲烷为碳源的反硝化速率研究成果 反应器 母液 硝酸盐氮去除速率 c/n b 反应机理 mgnl-1h-1 mgng-1vssh-1 流化床28 好氧池出 水 1.2 - - 滴滤池 26 - 6.25 - ame-d+assim 砂层流化床26 - 22.9 - ame-d+ assim sbr26 - 1.54/vss 12 ame-d+ assim sbr26 合成废水 2.08 25 4.05.9 ame-d+ assim 间歇式反应器 29 合成废水 3.3 5.5/ss 12.7 ame-d+ assim 恒化器 29 合成废水 2.48-6.1/ss 4.2 ame-d+ assim 恒化器 29 硝化出水 5.46-9.47/ss 7.7 ame-d+ assim 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 反应器 母液 硝酸盐氮去除速率 c/n 比 反应机理 mgnl-1h-1 mgng-1vssh-1 间歇式反应器 29 合成废水 （无 cu 2+） 2.1 3.5/ss 11.3 ame-d+ assim 填料柱27 - 10.8 - ame-d+ assim 间歇反应器 30 合成废水 4.79 - me-snd+assim 间歇反应器 30 合成废水 2.51 - ame-d+ assim 流化床 31 合成废水 1.1 - ame-snd+ assim 活性污泥10 合成废水 2.5 - ame-d+ assim 膜生物反应器32 合成废水 2.24a 1.6 ame-d+ assim 注：a：单位为 gn/(m2d) ；b：c/n 为摩尔比（ch4-c/n） 1.2.3 ame-d 的影响因素 研究发现， ame-d 最重要的影响因素是氧的供应量， 当停止向微生物供氧， 反硝化就会中断。研究人员的解释是，缺氧状态下甲烷氧化菌无法氧化甲烷， 不能释放作为反硝化电子供体的有机物，最终导致反硝化的停止26,29。werner 和 kayser26发现在封闭反应器中提高气相中氧分压会提高反硝化速率， 但溶解 氧浓度需控制在 1.0mg/l 以下。thalasso 等29发现随着氧分压的增高，反硝化 速率也一直增高，但当气相中氧分压超过 46mbar 后反硝化速率开始下降，当 氧分压接近 166mbar 时反硝化速率突然升高并达到最高。实验中没有对产生的 氮气和一氧化二氮作定量分析，反硝化速率是通过体系中氨氮和有机氮的变化 来确定的，总氮通过反硝化去除的比例在 5%到 75%之间变化。高氧分压时总 氮通过同化作用去除比率高，低氧分压时总氮通过反硝化去除的比例高，这说 明在低氧分压时甲烷的有效利用率高，甲烷氧化产生的甲醇更多的被用于反硝 化。waki 等33研究了 no2-和 nh4+对 ame-d 的影响，发现 no2-和 nh4+的存 在有利于反硝化的进行，但是它们却可能抑制甲烷氧化。实验表明，当温度在 2035范围内 no2-和 nh4+存在时甲烷的氧化过程略有降低，反硝化过程基本 没有影响，只是当温度低于 10时 no2-的存在才会抑制甲烷的氧化，导致 ame-d 的终止。 二价铜离子的浓度也是影响好氧甲烷氧化反硝化耦合作用的一 个因素， 它是通过影响甲烷单加氧酶的活性来影响好氧甲烷反硝化耦合作用的。 cu2+浓度较高时，pmmo 得到表达，cu2+浓度较低时，smmo 得到表达。在细 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 胞内，cu2+能够直接影响 smmo 的活性，在细胞外，cu2+只能通过还原酶来影 响mmo的活性。 根据 northern blotting试验和pcr引物延伸法分析证明， smmo 和 pmmo 的不同表达发生在 dna 和 mrna 的转录过程中，只有在低 cu2+或 无 cu2+时， smmo 的 mrna 才能够被转录， 在 cu2+浓度高到一定程度时， smmo 的 mrna 转录被阻止。 1.2.4 ame-d 的碳氮比 在 ame-d 过程中，甲烷氧化菌释放的有机物除了甲醇外还含有柠檬酸、 醋酸、蛋白质等，有些研究表明甲烷氧化菌在衰亡时能释放核酸、糖类和其它 可溶性的代谢产物。甲烷氧化菌释放的有机物的组成主要由其生长环境和优势 菌种决定。甲烷氧化菌氧化甲烷释放甲醇并作为还原硝酸盐的电子供体的过程 可用下述方程表示14： ch4+o2+2h+2e-ch3oh+h2o （1-1） ch3oh+h2oco2+6h+6e- （1-2） 5ch3oh+6no3-+6h+3n2+13h2o+5co2 （1-3） 由方程（1-1）、（1-2）、（1-3）得方程（1-4）： 5ch4+5o2+4no3-+4h+2n2+12h2o+5co2 （1-4） 由（1-4）式可知，去除 1 摩尔硝酸氮需要消耗 1.25 摩尔甲烷。考虑好氧 甲烷菌维持自身生长需要消耗一部分甲烷，ame-d 的理论 c/n 比为 1.2714。 而实际实验中获得的碳氮比平均为 8.3，这主要是由于氧的存在导致甲烷氧化 产生的大部分甲醇以氧作为电子受体而被无效消耗。modin32、werner 和 kayser26、houbron34等在活性污泥的序批式反应器中获得的反硝化碳氮摩尔 比在 1113 之间，远高于理论值，这说明寻找一种高效反应器对甲烷的有效利 用十分重要。modin11,32等在硅胶管膜生物反应器中获得的 c/n 比在 1.63.0 之间,有效降低了其碳氮比。 thalasso 等研究表明，在不同的氧分压下出水中 scod 略有不同，但都在 16mg/l 之间。在 modin 等32的实验过程中亦观察到 doc 的变化不大，基本 在 35mg/l 之间，这可能是由于甲烷氧化过程比较缓慢，中间产物的可生化性 好，存在异养菌时很容易被异养菌消耗掉。甲烷最大氧化速率是 0.031 molch4g-1cells h-135，且甲醇的积累过程很缓慢，王晓丽等36利用微生物转化 甲烷合成甲醇，连续发酵 6 天，序批式反应的甲醇积累量为 2mmol/l，所以即 使系统中投加过量的甲烷也不会造成出水 scod 的较大波动。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 1.2.5 ame-d 存在问题及对策 根据现有基于 ame-d 的理论研究和小试实验，甲烷可以作为反硝化碳源， 但要实现工程化应用，至少应解决以下问题： （1）甲烷气源，甲烷气体有三种来源：一是直接利用城市管道天然气（甲 烷含量 90%以上），二是利用污水厂污泥厌氧消化产生的沼气，三是垃圾填埋 场产生的填埋气。国内已有部分污水厂实现了污泥厌氧消化，污泥平均产率为 35.9m3污泥/104m3污水,沼气平均产率为 414m3/m3污泥37， 沼气的甲烷含量在 50%70%之间。 （2） 高效的甲烷和氧气投加方式， 有效投加甲烷和氧气并准确控制投加量 将是工程应用中的一个难题。在投加方式上应以减少甲烷气体从水中外溢为重 点，可采用膜曝气手段38。 （3）有效的安全控制措施，甲烷在空气中的爆炸极限是 5%15%，一旦出 现甲烷泄漏或甲烷投加浓度控制不当，可能引发甲烷爆炸的危险。另外，甲烷 是一种温室气体，其温室效应是 co2的 20 余倍，对臭氧层的破坏能力是 co2 的 40 倍39。因此，应优化控制甲烷和氧投加方式，避免甲烷和氧直接混合， 防止剩余甲烷外溢，并尽量考虑甲烷尾气的循环利用。 （4）ame-d 的经济性，ame-d 的经济性主要从两方面来实现：一是选择 和优化以甲烷作为碳源的反硝化工艺过程，降低甲烷及其中间产物（如醇、醛 等）的无效消耗。二是优化甲烷供应渠道，寻找经济的甲烷气源。 如果 ame-d 依托的工艺过程不同将对碳氮比产生很大差异，c/n 比（摩 尔比，全文同）范围为 1.61326,33,34。采用活性污泥法的 ame-d 工艺时，碳 氮比为 1113，而采用膜生物反应器时的碳氮比能够降低到 1.63。膜生物反应 器是目前发现的最优选择。 目前， 国内污水厂一般采用工业甲醇作为反硝化碳源，