生物膜同步硝化反硝化脱氮过程中N_2O的产生量及机理分析_王淑莹

第37卷第9期2011年9月北京工业大学学报JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol．37No．9Sept．2011生物膜同步硝化反硝化脱氮过程中N2O的产生量及机理分析王淑莹，张静蓉，尚会来，王赛，巩有奎(北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京100124)摘要:为了考察生物膜同步硝化反硝化脱氮过程中氧化亚氮(N2O)的释放量，以碳纤维为填料，采用SBR反应器研究了实际生活污水生物膜同步硝化反硝化过程中N2O释放量并对其产生机理进行了分析．在低溶解氧水平(0.2～1.5mg/L)下系统同步硝化反硝化率维持在79%以上．在4个溶解氧水平0.2、0.4、1.0、1.5mg/L下，每去除1g氨氮N2O释放量分别为0.005、0.025、0.021、0.025g，远低于短程硝化反硝化系统N2O释放量．1个反应周期内，N2O释放量随NH+4-N氧化而增加，NH+4-N氧化结束后，N2O释放量急剧减少．在曝气状态下，N2O释放速率与ρ(COD)呈现了较好的相关性．分析发现，生物膜同步硝化反硝化系统中N2O主要是由异养硝化和好氧反硝化产生．关键词:生活污水;同步硝化反硝化;N2O产生量;生物膜中图分类号:X703.1文献标志码:A文章编号:0254－0037(2011)09－1400－07收稿日期:2009-09-26．基金项目:国家“十一五”重大科技专项课题资助项目(2008ZX07209－003，2008ZX07314－008－01);北京工业大学研究生科技基金资助项目(ykj－2009－2909)．作者简介:王淑莹(1953—)，女，黑龙江哈尔滨人，教授，博士生导师．水体富营养化问题日益严重，废水的脱氮除磷问题已成为水污染控制中广泛关注的热点．传统的生物脱氮过程由硝化和反硝化2个连续的过程组成，即先在好氧条件下通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮，然后在缺氧条件下通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气实现脱氮．因此，生物脱氮通常在2个独立反应器内完成，或通过间歇式反应器(SBR)的间歇操作完成．但是，从反应原理上来看，硝化过程的产物即为反硝化的反应物，且反硝化过程产生的碱度正是硝化过程必需的，所以在单一反应器内实现同步硝化反硝化(simultaneousnitrificationanddenitrification)脱氮能缩短生物脱氮工艺流程，省去缺氧反硝化池或减少其体积，减少了工程造价．基于这些优点，同步硝化反硝化工艺得到越来越广泛的关注．氧化亚氮(N2O)是一种强有力的温室气体，其温室效应为CO2的320倍．传统污水生物脱氮过程中N2O产生量已引起了国内外学者的关注，并对生物脱氮过程中N2O产生量的影响因素进行了研究．Kampschreur等的研究表明，对N2O产生量影响最大的因素是低溶解氧和高亚硝酸盐［1］．其次，ρ(COD)/ρ(TN)也是影响N2O产生量的重要因素．当碳源不足时，即ρ(COD)/ρ(TN)较低时N2O释放量大于高ρ(COD)/ρ(TN)时的产量，阮文权等采用好氧颗粒污泥研究ρ(COD)/ρ(TN)为2、3时，N2O产生量分别为15、25mg/L，随着ρ(COD)/ρ(TN)升高，N2O产生量减少［2］．此外，盐度［3］、pH［4］、污泥龄(SRT)［5］等也对N2O的产生有一定的影响．近年来，随着对一些能同时进行异养硝化和好氧反硝化的菌种的研究，发现好氧反硝化和异养硝化是产生N2O的重要过程［6-7］．而对同步硝化反硝化过程中N2O产生量的研究还鲜有报道．因此，本研究采用SBR反应器，填充碳纤维填料，稳定实现了同步硝化反硝化，对生物膜同步硝化反硝化过程中N2O产生量进行研究并对其产生机理进行分析．第9期王淑莹，等:生物膜同步硝化反硝化脱氮过程中N2O的产生量及机理分析1实验材料与方法1.1实验装置图1SBR试验装置示意图Fig．1TheschematicdiagramofSBRexperimentalsystem实验装置如图1所示．反应器由有机玻璃制成，有效容积6L．内填碳纤维作为填料，载体挂膜后填充率为35%．搅拌方式为磁力搅拌，磁力搅拌器带有加热和控温功能．采用气泵曝气，黏砂块作为微孔曝气器，转子流量计调节曝气量．在反应器一侧设置取样口和排水口，在反应器中装有pH、DO传感器，在线监测反应器内pH、ρ(DO)的变化趋势．整个反应器系统采用PLC控制，自动运行．实验期间反应器内温度为(26±1)℃，pH值维持在7.0～7.2，ρ(DO)控制在0.2、0.4、1.0、1.5mg/L．SBR运行工况为:瞬时进水—曝气12h—沉淀0.5h—排水0.5h—闲置11h，1天运行1个周期．由于实验采用污水为小区实际生活污水，碳氮比较低，为保证反硝化菌有充足碳源，故以乙