（环境工程专业论文）污水生物脱氮过程中Nlt2gtO产生的影响因素研究.pdf

摘要 摘要 国家气象局局长郑国光称，从1 7 5 0 年以来统计的全球1 2 个高温年，其中 1 1 个发生在过去1 2 年里，可见全球温室效应已日趋严重。而随着水体“富营养 化”问题的日渐突出，污水排放标准不断严格，以控制富营养化为目的的脱氮除 磷二级深化处理已成为当今污水处理厂改造的趋势。近年来的研究结果已经证实 污水脱氮处理过程也是n 2 0 的重要产生源之一，n 2 0 是引起地表温度升高的主 要温室气体之一，其温室效应是c 0 2 的3 0 0 倍左右，占全球温室气体效应贡献 值的6 4 ，继c 0 2 、氯氟烃和甲烷之后占第四位。在1 9 9 7 年通过的京都协 议书中，要求发达国家缔约方在2 0 0 8 2 0 1 2 年第一承诺期内，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。 本文采用密封的s b r 反应器处理实际生活污水，研究此过程中n 2 0 的释放 情况。反应器有效容积6 l ，整体密封，磁力搅拌器提供搅拌，采用p l c 程序自 动控制进水、曝气、搅拌和排水时间；该生活污水c o d 平均值为2 4 8 m g l ，氨 氮5 4 8 9 m g l ，p h 7 4 3 。污水脱氮过程中排放的气体经过干燥收集与气体采样袋 中，利用a g i l e n t 6 8 9 0 气相色谱仪分析其中n 2 0 含量。 采用s b r 工艺处理实际生活污水，考察其脱氮过程中一周期内n 2 0 的产生 情况，试验发现n 2 0 的产生情况与氨氮氧化过程有一定的相关性，随着氨氮不 断被氧化其产量也逐渐增加，并且在硝化结束后达到最大值，反硝化过程中产生 量很小；溶解态n 2 0 量在硝化结束前达到最大值，之后随着曝气的吹脱作用逐 渐下降，反硝化过程变化不大。在溶解氧浓度大于2 m g l 条件下，s b r 法处理 实际生活污水生物脱氮过程中n 2 0 释放量平均值为1 1 m g l ，脱氮系统去除总氮 量的2 8 左右转化为n 2 0 。s b r 法生物脱氮过程中好氧硝化阶段为n 2 0 主要产 生阶段，其中氨氧化阶段为主要产生阶段，亚硝酸盐氧化阶段次之；而缺氧反硝 化过程中n 2 0 产生量较少。因此要控制n 2 0 的产生重点应着手研究氨氧化阶段 n 2 0 的产生，从而尽可能的减少污水生物脱氮过程中n 2 0 的产生。 溶解氧浓度是污水生物脱氮过程中影响n 2 0 产生的重要因素，高d o 浓度 有利于降低n 2 0 产生量，当d o 浓度低于0 9m g l 时，将导致n 2 0 产生量的迅 速升高。因此，从提高污水脱氮效率节能降耗和控制n 2 0 产生量两个角度考虑， 生活污水脱氮过程中控制d o 浓度在1 5m g l 较为适宜。 试验利用向生活污水中投加n a c l 的方法，调节试验所需不同盐度污水，研 究发现，长期适应盐度7 5 9 l 的活性污泥系统，其硝化过程中n 2 0 产量为实际 生活污水( 盐度为0 1 9 l ) 的2 8 5 倍。利用适盐7 5 9 l 的活性污泥系统处理盐 度为7 5 、5 和2 5 9 l 生活污水，硝化过程中n 2 0 产量和转化率变化不大，但随 北京工业大学工学硕七掌傍论文 着盐度的降低，系统的比氨氧化速率有所升高。但当盐度由7 5 9 l 急剧增加到 1 0 9 l 时，n ：o 产量和转化率均有大幅升高，系统的比氨氧速率大幅降低。因此 处理含盐污水时应避免盐度的过高波动。 c n 是影响反硝化过程n 2 0 产量的重要因素，利用内源碳源反硝化时，以 硝酸盐作为电子受体产生的n 2 0 量较少，以亚硝酸盐作为电子受体时产生量较 高。无论以硝酸盐还是亚硝酸盐作为电子受体，随c n 的增加，在不同c n 比 条件下反硝化，n 2 0 的产量和转化率都会出现两个峰，一个是碳源不充足时，另 一个是碳源过高时，控制n 2 0 产量最少的最佳c n 就在两峰间。试验发现以乙 醇作为外加碳源，以硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体反硝化的最佳c n 分别为 5 o 和3 0 。控制在最佳c n 条件下，与硝酸型反硝化相比，亚硝酸型反硝化可 节省4 0 碳源，并且n 2 0 产量远少于硝酸型反硝化，但当碳源不充足( c n = 2 4 ) 时，其n 2 0 产量最高值却是硝酸盐型( c n = 3 5 ) 的1 8 9 倍。硝酸盐作为电子受 体时，在c n 较低条件下，由于碳源缺乏容易导致亚硝酸盐的积累，这可能是 c n 比较低时n 2 0 产量较高的一个原因，这也说明此时n 0 2 - n 的还原成为反硝 化的限速步骤。 通过试验比较了不同s r t 的s b r 活性污泥系统n 2 0 产生情况，结果发现较 短的s r t 为9 d 的条件下，s b r 反应器可以实现很好的脱氮效率，脱氮效率在 9 6 以上。经长期驯化后不同污泥龄系统，其n 2 0 的产生量也不同，较短污泥龄 有利于n 2 0 的产生。9 d 污泥龄的系统产生n 2 0 量为1 5 d 污泥龄系统的1 2 倍， 分别为4 6 2 m g l 和3 8m g l 。不同污泥龄条件下产生n 2 0 的转化率也有所差别， 污泥龄较短的系统产生的n 2 0 的转化率也比较高，分别为1 1 2 和7 8 。 复合生物反应器( h b r ) 生物脱氮系统n 2 0 产生量约为s b r 生物脱氮系统 n 2 0 产生量的2 倍。反应器类型对实际生活污水脱氮过程中n 2 0 产生量有较大 的影响。s b r 生物脱氮系统n 2 0 主要产生于硝化阶段，碳源充足条件下，反硝 化阶段n 2 0 产生很少，而h b r 生物脱氮系统由于反硝化不彻底，导致了n 2 0 的 大量产生。 关键词污水处理：n 2 0 ；s b r ；生活污水 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg r e e n h o u s ee f f e c tb e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u sa sz h e n gg u o g u a n g ，t h e d i r e c t o rg e n e r a lo ft h en a t i o n a lw e a t h e rb u r e a u ，s a i dt h a t11y e a r so fh i g ht e m p e r a t u r e h a p p e n e di nt h el a s t12y e a r sb u tt h e r ew e r eo n l y12y e a r so fh i 曲t e m p e r a t u r es i n c e 17 5 0 t h es t a n d a r do fw a s t e w a t e rd i s c h a r g ew a sm o r ea n dm o r es t r i c t e rb e c a u s eo f t h e p r o b l e mo fe u t r o p h i c a t i o n t o d a y , t h en i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t e c h n o l o g ya i m e df o re u t r o p h i c a t i o nc o n t r o l h a sb e e nt h es t u d yf o c u si nt h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r e a n i t r o u so x i d e ( n 2 0 ) ，t ob ep r o d u c e dd u r i n gb i o l o g i c a l n i t r o g e nr e m o v a lw a sf o u n dt ob eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts o u r c e n 2 0w a sa n i m p o r t a n tg r e e nh o u s eg a s ，w h i c hc o n t r i b u t e s3 0 0t i m e so fg r e e n h o u s ee f f e c tt h a n c 0 2 h e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ec o n t r o lo fn 2 0d u r i n gt h eb i o l o g i c a ln i t r o g e n r e m o v a lo fw a s t e w a t e rp r o c e s s t h i ss t u d yf o c u s e do nt h ep r o d u c t i o no fn 2 0d u r i n g b i o l o g i 映ln i t r o g e n b i o l o g i c a l r e a c t o r ) r e m o v a lu s i n gr e a ld o m e s t i cw a s t e w a t e ri ns b r ( s e q u e n c e t h ep a r a m e t e r ss u c h 弱d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) ，s a l i n i t y , c n a n ds r t ( s l u d g er e t e n t i o nt i m e ) w a sc o n t r o l l e da n da no p t i m a lp a r a m e t e rw a s d e c i d e di no r d e rt om i n i m i z et h ep r o d u c t i o no fn 2 0 b e s i d e s ，t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tr e a c t o rt y p e so fs b ra n dh b rt ot h ep r o d u c t i o no fn 2 0w a sa l s o i n v e s t i g a t e d t h ep r o d u c t i o no fn 2 0w a sc o h e r e n tw i t ht h eo x i d a t i o no fa m m o n i a t h e m a x i m u mo ft h ep r o d u c t i o no fn 2 0a p p e a r e da tt h ee n do ft h eo x i d a t i o no fa m m o n i a a n dt h e r ew a sl i t t l ep r o d u c t i o nd u r i n gt h ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s t h ea v e r a g eo ft h e p r o d u c t i o no fn 2 0d u r i n gt h eb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sw a s0 9 6 m g l u n d e rd o = 2 m g l ，i no t h e rw o r d s ，2 8 o ft h et o t a lr e m o v e dn i t r o g e nd u r i n gt h e p r o c e s sc o n v e r t e dt on 2 0 t h ea m i n a t ep r o c e s sm a d et h eb i g g e s tc o n t r i b u t i o nt ot h e p r o d u c t i o no fn 2 0 ，f o l l o w e db yt h en i t r i t a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n c o n s e q u e n t l y , f o c u s i n go nt h ec o n t r i b u t i o no fa m i n a t ep r o c e s st ot h ep r o d u c t i o no fn 2 0w a so n e w a yt oc o n t r o lt h ep r o d u c t i o no fn 2 0 i nn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s d ow a so n eo fi m p o r t a n tf a c t o ri nn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s h i g hl e v e lo fd ow a s h e l p f u lt or e d u c et h ep r o d u c t i o no fn 2 0 t h ep r o d u c t i o no fn 2 0i n c r e a s e do b v i o u s l y w h e nt h ed ow a su n d e ro 9 m e g l h e n c e ，a p p r o p r i a t ed ol e v e la n da e r a t i o nt i m e w e r en o to n l ye n e r g ys a v i n gb u ta l s of a v o r a b l ef o rc o n t r o l l i n go fn 2 0p r o d u c t i o n h o w e v e r , t h el a c ko fo x y g e nl i m i t e dt h eo x i d a t i o no fa m m o n i aa n dr e s u l t e di nt h e l u 北京工业大学t 学硕士学位论文 b u l ko fa c t i v e ds l u d g e t a k ee n e r g ys a v i n ga n dc o n t r o l l i n go fn 2 0p r o d u c t i o ni n t o a c c o u n t ，d o = 1 5 m g lw a sa no p t i m a ll e v e li nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h ei n f l u e n c eo fs a l i n i t yo nt h ep r o d u c t i o no fn 2 0w a si n v e s t i g a t e db ya d d i n g n a c lt oa d j u s tt h ea p p r o p r i a t es a l i n i t y t h er e s u l tt u m e do u tt h a tt h ep r o d u c t i o no f n 2 0u n d e rs a l i n i t y7 5 9 lw a s2 8 5t i m e sh i g h e rt h a nt h a tu n d e rs a l i n i t y0 1 9 m t h e p r o d u c t i o no fn 2 0w a sl a r g e l yi d e n t i c a lb u tw i t hm i n o rd i f f e r e n c e su n d e rs a l i n i t y7 5 ， 5 0 ，2 5 e e l ，u s i n gt h es l u d g ed o m e s t i c a t e du n d e rs a l i n i t y7 5 9 m ，b u tt h es p e c i f i cr a t e o fa m m o n i aw a ss l i g h t l yr a i s e dw i t ht h ed e c r e a s eo fs a l i n i t y h o w e v e r , t h ep r o d u c t i o n o fn 2 0r a i s e do b v i o u s l yw h e nt h es a l i n i t y = 10 9 & ，u s i n gh es l u d g ed o m e s t i c a t e du n d e r s a l i n i t y7 5 9 l c o n s e q u e n t l y , i tw a ss u g g e s t e dt h a tt h ef l u c t u a t i o ns h o u l db ea v o i d e d w h e nt r e a t i n gt h es a l i n es e w a g e c nw a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c e dd e n i t r i f i c a t i o n t h en 2 0 p r o d u c t i o no fu s i n gn 0 3 - na se l e c t r o na c c e p t o rw a sh i g ht h a nt h a to fu s i n gn 0 2 。- n a se l e c t r o n a c c e p t o rw h e nt h ec a r b o ns o u r c ew a se n d o g e n o u s c a r b o n 。h o w e v e r , s i m i l a rt r e n da p p e a r e dn om a t t e rn 0 3 - no rn 0 2 - nw a su s e d t w oa p i c e so ft h en 2 0 p r o d u c t i o na p p e a r e dw h e nt h ec a r b o ns o u r c ew a sl a c k e da n ds u r p l u s t h er e s u l t m i n e do u tt h a tt h eo p t i m a lc nw a s5 0a n d3 0w h e nt h ee l e c t r o na c c e p t o rw a s n 0 3 。- na n dn 0 2 - nu s i n ge t h a n o la se x t r ac a r b o ns o u r c e u n d e rt h eo p t i m a lc n ，t h e d e n i t r i f i c a t i o no fn 0 2 - nw a s4 0 c a r b o ns o u r c es a v i n g c o m p a r e d t ot h e d e n i t r i f i c a t i o no fn 0 3 。n b e s i d e s ，t h ep r o d u c t i o no fn 2 0w a sm u c hl o w e rw h e nt h e e l e c t r o na c c e p t o rw a sn 0 2 - n w h e nt h ee l e c t r o na c c e p t o rw a sn 0 3 - n ，n i t r i t e a c c u m u l a t e db e c a u s eo ft h el a c ko fc a r b o ns o u r c eu n d e rl o wc nw h i c hr e s u l t e dh i 曲 n 2 0p r o d u c t i o n h e n c e ，t h ed e o x i d i z a t i o no fn i t r i t ew a sa ni m p o r t a n ts t e pi n d e n i t r i f i c a t i o n t h ep r o d u c t i o no fn 2 0i na c t i v a t e ds l u d g es y s t e m sw i t l ld i f f e r e n ts r tw a sa l s o i n v e s t i g a t e d i tw a st u r n e do u tt h a t9 6 o fn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sa c h i e v e d u n d e rs r t9 d h o w e v e r , t h en 2 0 p r o d u c t i o nu n d e rs r t9 dw a s1 2t i m e sh i g h e rt h a n t h a to fs r t15 d b e s i d e s ，s h o r t e rs r tr e s u l t e di nh i g h e rn 2 0c o n v e r s i o nr a t e t h et y p e so fr e a c t o rh a dg r e a ti n f l u e n c eo nt h en 2 0p r o d u c t i o n t h ep r o d u c t i o no f n 2 0i nh b rs y s t e mw a s2t i m e sh i g h e rt h a nt h a ti ns b rs y s t e m t h en i t r i f i c a t i o n p r o c e s sw a st h ed o m i n a n tc o n t r i b u t o ri ns b rs y s t e m ，a n dd e n i t r i f i c a t i o nw a si nf a v o r o fd e c r e a s i n gn 2 0 h o w e v e r , t h en 2 0p r o d u c t i o nw a sm u c hh i g h e ri nh b r s y s t e m b e c a u s ed e n j t r j6 c a t i o nw a sn o ts u f f i c i e n t k e yw o r d sw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；n i t r o u so x i d e ；s b r ；r e a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是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，除了文中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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲卑扛吼孚 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；学校可以公布论文的全部或部 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：导师签名：谚老争日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 污水生物脱氮研究现状 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异氧反硝化菌的作用下，将污水 中的含氮化合物最终转化为氮气，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。第一步由氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，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 化作用的需氧量为亚硝酸盐氧化作用需氧量的3 倍，并且产生氢离子。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 i - h + 或n 0 2 的氧化还原反应获得能量。氨氮和亚硝酸氮氧化过程 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： 2 m 田+ 三d 2jn o ；+ 最d + 2 日+ ( 1 - 1 ) 么 1 n o ；+ d 2 一n o ； ( 1 2 ) z n z - z ；+ 2 0 2 n o ；+ 己0 + 2 h + ( 1 3 ) 反硝化反应是由一群异养型兼性厌氧微生物完成的，它的主要作用是在无氧 或低氧条件下，将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为氮氧化物或氮气。广义上讲，微 生物将硝酸盐氮或亚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。在溶解氧浓度极低的环境中，反硝化菌可利用亚硝酸盐或 硝酸盐中的氧作为电子受体，同时有机物作为电子供体被氧化而提供能量，将硝 酸盐或亚硝酸盐还原为氮气。 反硝化反应方程式表示为： 5 c ( 有机碳) + 2 h 2 d + 4 n o ；一2 n 2 + 4 0 h 一+ 5 c 0 2 ( 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； g 马n 0 2 + 4 n o ；j5 c d 2 + n h 3 + 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。 北京t 业大学 掌帧士学何论文 目前公认的从n 0 3 还原为n 2 的过程为【2 j ： n o ；一n o ；jn o 专2 0 专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中所参与的微生物种类不同、转化的基质不同、所需要 的反应条件也各不相同【卜3 1 ，因而，污水生物脱氮工艺不但需要在时间或者空间 上为硝化菌和反硝化菌提供适宜的生存条件 4 】，而且在好氧硝化过程中需要提供 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，甲醇， 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，降低污水处理费用，各国的研究学者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，随着科技工作者对生物脱氮工艺的进一步研究，发现了一些超出传 统认识的新现象，如硝化过程不仅由自养菌完成，异养茵也可以参与硝化作用； 某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用：特别是发现了氨与亚硝酸盐或 硝酸盐在缺氧条件下被同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工艺( s h o r tc u t n 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 l t i o x i d a t i o n a n a m m o x ) 等。 1 1 2 1 短程硝化反硝化从氮的微生物转化过程来看，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 氧化菌和亚硝酸盐氧化菌之间的亲缘关系并不密切，除y - p r o t e o b a c t e r i a 纲中 n i 护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 多数菌株的亲缘关系都相距很远，因而，从微生物学角度分析氨氧化菌和亚硝酸 盐氧化菌完全可以独立生活。对于反硝化菌，无论是亚硝酸盐还是硝酸盐均可以 作为最终受氢体，因而整个生物脱氮过程可以经n h 4 + _ n 0 2 。一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【5 】。从 反应历程来看，短程硝化反硝化比全程硝化反硝化减少两步，因而它节省了能 源和反硝化所需的碳源，对于实际工程应用非常有意义。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【p 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；亚硝酸盐反硝化反应以硝酸盐反硝化反 第1 章绪论 应速率的1 5 2 倍进行：降低剩余污泥产量。 实现短程硝化反硝化生物脱氮工艺的关键在于实现短程硝化作用。自1 9 7 5 年v o e t s 等【8 】发现硝化过程中n 0 2 积累现象以来，国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 。，因此，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 同时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【0 1 。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【u q 2 1 。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 以5 】：从物理学角度解释s n d 的微环境理论是目 前已被普遍接受的观点。该理论认为：由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产 生d o 梯度，微生物絮体的外表面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，产生缺氧微区，反硝化菌占优 势。由于微生物絮体内缺氧微环境的存在，导致了s n d 的发生。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，好氧反硝化菌和异 养硝化菌等的发现【蛤1 7 】，打破了传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成和反 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 ss p 和a l i c a l i g e n e $ f a e c a l i s 等，同时也是异养硝化菌【1 8 以9 1 ， 因此，能够直接地把 n h 4 十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 a p a n t o t r o p h a ，既 能够进行异氧硝化作用，又可进行和好氧反硝化作用【2 0 】。 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中， 如流化床、曝气生物滤池【2 1 埘】。p u z n a v a 等【2 2 1 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 得溶解氧不能完全渗入到生物膜中，由此造成生物膜中一定程度上存在着可以发 生反硝化反应的缺氧区。因此，在生物膜的不同深度可以同时发生硝化和反硝化 反应。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 4 】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 的因素进行了研究，得出 有机碳源、溶解氧浓度和菌胶团大小是形成s n d 的主要因素。c o l l i v i g n a r e l l i 等 2 5 】在两个实际污水处理厂中应用了s n d 生物脱氮工艺。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，并且运行费用 北京工业大学i 。学硕十学位论文 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因素主要有：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 的产生 1 2 1n 2 0 概述 氧化亚氮( n 2 0 ) 是大气中重要的气体成分之一，它在平流层化学、地球辐 射平衡和全球氮循环中起着重要作用。n 2 0 能够吸收中心波长为7 7 8 i t m 、 8 5 6 p m 和1 6 9 8 岫的长波红外辐射，是引起地表温度升高的主要温室气体之 一，其温室效应是c 0 2 的3 0 0 倍左右，占全球温室气体效应贡献值的6 4 ， 继c 0 2 、氯氟烃和甲烷之后占第四位【2 6 】。在对流层，n 2 0 很稳定，停留时间长 达1 2 0 年，当传输到平流层中，它可经太阳紫外光照射分解成n o 后与臭氧分 子反应，进而导致臭氧层的破坏。据统计，目前全球n 2 0 每年的排放量为2 2 t g ( t g = 1 0 1 2 9 ) 。1 9 9 0 年，n 2 0 在大气中的背景浓度己达3 1 0 p p b v ，比工业化革 命前的2 8 0 - 2 9 0 p p b v 增加了8 左右，由于n 2 0 在大气中所起的重要作用， 其浓度的变化必将会对全球生态环境产生极大的影响。在1 9 9 7 年通过的京都 协议书中，要求发达国家缔约方在2 0 0 8 - 2 0 1 2 年第一承诺期内，n 2 0 排放一 量要比1 9 9 0 年至少削减5 ，我国也是缔约方。然而，污水生物脱氮过程中所 产生的n 2 0 为非常规脱氮产物。n 2 0 不但为强力的温室气体，破坏臭氧层，而 且为形成酸雨的前提物质。目前，大气中n 2 0 的体积分数约3 1 6 x 1 0 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 ，l l i 业时代早期高7 0 2 7 1 。n 2 0 在大气中不会下沉，不会被冲洗，其 在对流层中很稳定，且不断累积，停留时间长达1 2 0 年【2 s j 。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。因此，了解n 2 0 的环境效应与产 生源，深入分析污水生物脱氮过程n 2 0 产生机制、产生量及影响因素，并采取 有效手段控制其排放量，不但具有重要的理论意义，而且对保护人类的生存环境 有着极为深远的实际意义。 1 2 2n 2 0 的环境危害 大气中n 2 0 浓度的增加会给人类生存环境带来直接或者间接的影响与危害， n 2 0 不但可引起温室效应，而且臭氧层破坏，并引起酸雨等危害。大气中 第l 章绪论 n 2 0 浓度每增加一倍，将会使全球地表气温升高，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 ，这两种物在一定条件下，又可产生光化学烟 雾及酸雨等。 1 2 2 1 温室效应大气吸收太阳紫外辐射的反射，其吸收量随温室气体浓度的 增加而增加。增加的长波以热量形式存留于对流层，造成近地温度上升，升温的 地面又促进向大气输送能量的增加，如此反复，导致了对流层在一个高的温度点 位上完成新的能量平衡。这就是通常说的“温室效应”【2 9 】。由于不同温室气体在大 气中的滞留时间不同，所以在不同时期内对辐射吸收的累积增加作用也不同。目 前常用以c 0 2 为标准表示的全球变温潜能( g w p ) 来描述不同气体的相对贡献大 小。大气中n 2 0 虽为痕量气体，但能吸收中心波长为7 7 8 、8 5 6 和1 6 9 8 1 t m 的 长波红外辐射【3 0 1 ，对地球辐射的影响约为c 0 2 的1 0 - 一, 1 5 t 3 1 1 。n 2 0 的全球增 温潜势，分别为c 0 2 的1 9 0 _ - 2 7 0 倍、c h 4 的4 一_ 2 1 倍，对全球温室效应的贡献 约占5 - 6 t 5 1 。n 2 0 的大气浓度增加l 倍，将导致将会使全球地表气温平均上升 0 4 c t 32 1 。 1 2 2 2 臭氧层破坏在对流层，n 2 0 很稳定，停留时间长达1 2 0 年，当传输到 平流层中消耗臭氧，并可转化为n o 和n 0 2 ，进而引起臭氧层的破坏p 引。2 0 世 纪7 0 年代以来，0 3 在逐年下降，南极上空出现了0 3 空洞，北极0 3 层也明显变 薄，据预测未来大气中的臭氧可能会严重减少【3 2 】。大气中0 3 每减少1 ，紫外 辐射将增加2 左右。过强紫外辐射会破坏人体免疫系统功能，损害人体健康【3 引。 1 2 2 3 酸雨及其它危害n 2 0 在平流层底部分解产生的n o 和n 0 2 ，这两种物 质在平流层中发生自由基反应，可进一步破坏平流层臭氧；在平流层底部可 生成硝酸，硝酸在进人对流层后能产生两种效应：一是通过云水清除形成酸性降 水；二是作为温室气体加剧温室效应；经大气传输后进入对流层，经光化学反 应导致对流层臭氧增加。在对流层中n 2 0 、h n 0 3 和0 3 都是温室气体，可以引 起全球温室效应。 综上，n 2 0 不但在平流层化学、地球辐射平衡和全球氮循环中起着重要作用， 而且其浓度的增加将导致全球气候变暖，破坏人类的生态环境及影响农业、林业 及畜牧业等方面的经济发展。 1 2 3n 2 0 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【3 4 】。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，并且在已定量的各类n 2 0 产生源中，虽然天然源的n 2 0 生成量要 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因。 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 北京 业大学_ - l - ：学硕十学位论文 说明这一时期n 2 0 的各类源汇之间基本保持平衡。工业革命之后，特别是近年 来，n 2 0 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，其中微生物是最重要的生物源。 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 2 0 。大气中有9 0 以上的n 2 0 来自于微生物的硝化反硝化作用。污水处理 过程人为的强化了微生物的硝化反硝化作用，因此，污水处理过程为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 的增长提供了可能性，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1 1n 2 0 产生源及生成量【3 4 1 ( t g a = l 1 0 1 2 k g a ) t a b l e1 1n 2 0s o u r c e sa n d p r o d u c t i o n 3 4 】( t g a = l x l 0 1 2 k g a ) 1 2 4n 2 0 产生的微生物学机理 污水生物脱氮的基本原理是在硝化菌及反硝化菌的作用下，将污水中的含氮 化合物转化为气态氮化物的过程，包括硝化作用和反硝化作用两个反应过程。 n 2 0 通常被认为是不完全硝化作用【3 5 3 7 】或不完全反硝化作用【3 8 】的产物。 1 2 4 1 硝化作用完成硝化作用的微生物多为专性自养微生物，硝化作用可分 为两个阶段，分别由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌完成。第一个阶段，氨氧化菌将 氨氮转化为亚硝酸盐，催化此过程的酶有两种：氨单加氧酶( a m m o n i a m o n o o x y g e n a s e ，a m o ) ，羟氨氧化还原酶( h y d r o x y l a m i n eo x i d o r e d u c t