基于微电极技术研究曝气生物滤池微环境对N2O产生的影响

摘要

N2O是一种强有力的温室气体，是大气中仅次于CO2和CH4的温室气体。单位质量的N2O全球增温潜势是CO2的296倍；工业革命后大气中N2O浓度的升高主要是由人类活动造成的，包括污水处理和垃圾填埋等。污水处理厂污水处理过程中大约有0.05％~25%的N以N2O形式释放。这使得N元素的环境污染问题由水环境转向了大气环境。生物膜法处理污水以其有机负荷高、氧传输效率高，不产生污泥膨胀，占地面积小等优点受到人们的青睐，近年来以生物膜法为核心的污水处理工艺得到了越来越广泛的应用，其中曝气生物滤池（BAF）工艺最多。但目前，对污水处理中N2O的形成及释放机理的研究主要集中在活性污泥法，对生物膜法中N2O的形成及释放机理研究甚少，主要原因在于生物膜的微观特性较活性污泥更为复杂，且在生物膜相关测试技术上尚不太成熟。微电极技术是一种具有高分辨率的电化学技术，是测定微米级基质浓度微尺度变化的特殊工具。微电极技术的发展为研究生物膜内部结构、微观特性提供了有力的技术保证，在不破坏原有基质的情况下可连续测定基质中的浓度，并且微电极技术已经在污水生物处理、环境分析与监测等多个领域中得到越来越多的研究与应用。
　　以实际生活污水作为试验进水，以小试的升流式BAF反应器为研究对象，采用接种活性污泥法挂膜，反应器挂膜成功后，采用单因素试验研究方法，分别研究了不同DO和不同水力负荷条件下BAF生物脱氮过程中反应器的脱氮效果和N2O释放速率，从宏观角度揭示了DO和水力负荷对N2O产生的影响；并且利用微电极测试技术，深入研究氮元素在生物膜内的形态、迁移变化特征以及不同条件下生物膜的结构与特性，从微观角度探索生物膜内微环境对N2O产生的影响。结合前面两个阶段的研究成果，在BAF典型工况下，研究了BAF沿水流方向生物膜的处理效果及生物膜结构。获得了以下主要结论：
　　①DO为6、4、2mg/L时，N2O的释放速率分别为0.03mg/h，0.04mg/h，0.27mg/h。以N2O产生角度和减少能耗两方面考虑，DO为4mg/L是反应器运行的最优工况。
　　②水力负荷为9.38m3/m2·d，7.30m3/m2·d，4.82m3/m2·d，N2O的释放速率分别为0.12mg/h，0.04mg/h，0.018mg/h，水力负荷越高N2O释放速率越快。从控制N2O产生和反应器体积考虑，最优水力负荷为7.30m3/m2·d。
　　③不同DO和水力负荷条件下，生物膜内N形态分布不同，生物膜内部微环境表现出明显的差异，而生物膜中NO2-积累是N2O产生的主要原因。
　　④BAF沿水流方向生物膜厚度和生物量显著下降，滤层中部是产生N2O的主要场所。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2污水生物处理N2O的产生机理研究现状

1.3污水生物处理N2O释放的影响因素研究现状

1.4研究目的、内容

2 试验材料与方法

2.1试验装置

2.2试验材料与方法

2.3微电极平台

2.4检测项目与方法

2.5试验仪器设备

2.6挂膜与启动

3 DO对BAF工艺N2O释放及生物膜内氮形态分布的影响

3.1反应器运行工况调节

3.2 DO浓度对BAF处理效果的影响

3.3不同DO浓度下N2O的释放速率

3.4不同DO浓度下生物膜内氮形态分布

3.5结果与讨论

3.6本章小结

4 水力负荷对BAF工艺N2O释放及生物膜内氮形态分布的

4.1反应器工况调节

4.2水力负荷对BAF处理效果的影响

4.3不同水力负荷下N2O的释放速率

4.4不同水力负荷下生物膜内氮形态分布

4.5结果与讨论

4.6本章小结

5 典型工况下BAF沿程生物膜特性

5.1反应器典型工况

5.2沿滤层高度基质浓度的变化

5.3不同滤层高度生物膜特性

5.4结果与讨论

5.5本章小结

6 结论与建议

6.1结论

6.2建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目：