污水生物脱氮中进水碳氮比对N2O释放的影响及其减量化控制

摘要

目前水体富营养化问题日渐突出,污水生物脱氮技术得到快速发展,但此过程中会产生N2O。N2O是一种重要的温室气体,温室效应能力是CO2的310倍,并以每年0.25%的速度持续增长,对全球环境及其气候变化有重要影响。N2O还能消耗臭氧,破坏臭氧层,严重影响自然生态系统、威胁人类生存。已有研究表明,污水生物脱氮是N2O释放的重要人为源。研究污水生物脱氮系统中污染物去除效果和N2O释放具有重要意义。
　　本文基于缺氧-好氧SBR反应器,研究了不同进水碳氮比(1.2、3.5、6.8、9.2、12.9)对污染物去除效果、N2O释放的影响,并结合微生物的群落结构研究了微生物群落和N2O释放的相关性。试验结果表明:(1)在缺氧-好氧SBR反应器稳定运行后,进水碳氮比对COD去除效果影响不大,但是当进水碳氮比小于6.8时氨氮、总氮和总磷的去除率远远低于进水碳氮比大于6.8时。(2)进水碳氮比对N2O释放有重要的影响,当进水碳氮比低于6.8时N2O释放量远远小于当进水碳氮比大于6.8时,进水碳氮比为6.8时释放量最大,且随着进水碳氮比的升高而下降。(3)系统内N2O的释放主要集中在好氧段,缺氧段几乎无N2O的释放。(4)利用PCR-DGGE等分子生物学技术分析N2O的释放和微生物群落结构的关系可知:好氧段的N2O释放主要来源于以Nitrosomonas属为主体的硝化细菌的反硝化作用。不同进水碳氮比条件对氨氧化细菌群落结构有重要影响,对反硝化细菌群落结构影响不明显。
　　由于我国城市污水进水碳氮比较低,因此,基于进水碳氮比对污染物去除效果和N2O释放影响的结果,研究了低进水碳氮比(C/N=3.3)下不同运行工况的污水生物脱氮系统(瞬时进水A/O SBR系统、瞬时进水A/O/A/O SBR系统、分段进水A/O/A/O SBR系统)中污染物的去除效果和N2O的释放情况,在低进水碳氮比条件下保证污染物去除效果并减少N2O的释放量,实现减量化。最终结果表明,瞬时进水A/O/A/O SBR系统(外加碳源)有最好污染物去除效果,COD、氨氮、总氮、总磷的去除率分别为:87.91%、94.36%、70.38%和94.51%。瞬时进水A/O SBR系统、瞬时进水A/O/A/O SBR系统(外加碳源)、分段进水A/O/A/OSBR系统中N2O释放量分别为:15.373mg、6.084mg和17.076mg;N2O-N转化率分别为:15.51%、5.77%和17.3%。瞬时进水A/O/A/O SBR系统(外加碳源)的N2O释放量和NEO-N转化率最小,因此这种运行工况是一种切实可行的减量化策略。

目录

文摘

英文文摘

第一章、绪论

1.1 水体富营养化

1.2 N2O及其环境效应

1.2.1 N2O的危害

1.2.2 N2O的源

1.3 污水生物脱氮工艺发展概况

1.3.1 污水生物脱氮工艺发展背景

1.3.2 污水生物脱氮的生物学原理

1.3.3 污水生物脱氮工艺类型

1.4 污水生物脱氮过程中N2O的释放

1.4.1 污水生物脱氮过程中N2O的释放机理

1.4.2 影响N2O释放和污染物去除的因素

1.5 分子生物学技术

1.5.1 PCR-DGGE技术的基本原理

1.5.2 PCR-DGGE技术在污水生物处理研究中的应用

1.5.3 PCR-DGGE技术的不足和展望

1.6 研究内容和目的

1.6.1 研究内容

1.6.2 研究目的

1.6.3 创新之处

第二章、进水碳氮比对污水生物脱氮系统中污染物去除及N2O释放的影响

2.1 试验装置与方法

2.1.1 试验装置

2.1.2 试验用水水质及接种污泥

2.1.3 分析测试项目及测试方法

2.1.4 气态N2O采集和测定

2.1.5 OUR的测定和计算

2.1.6 数据分析

2.2 不同进水碳氮比下污水生物脱氮系统的污染去除效果

2.2.1 进水碳氮比对COD去除效果的影响

2.2.2 进水碳氮比对氨氮去除效果的影响

2.2.3 进水碳氮比对总氮去除效果的影响

2.2.4 进水碳氮比对总磷去除效果的影响

2.3 典型周期内不同进水碳氮比下氮素的转移

2.3.1 典型周期内不同进水碳氮比下pH和DO的变化

2.3.2 典型周期内不同进水碳氮比下氮素的转移

2.4 典型周期内不同进水碳氮比下N2O的释放情况

2.5 小结

第三章、进水碳氮比对污水生物脱氮过程中微生物群落结构的影响

3.1 微生物群落结构测定

3.1.1 活性污泥中总DNA的提取

3.1.2 总DNA的PCR扩增

3.1.3 DGGE分析

3.2 污水生物脱氮系统的微生物群落结构

3.2.1 总DNA的提取

3.2.2 PCR扩增

3.2.3 DGGE图谱分析

3.3 微生物群落与N2O释放的关联性分析

3.3.1 氨氧化细菌和N2O释放特征的关联

3.4 小结

第四章、低进水碳氮比的污水生物脱氮系统中优化工况条件的减量化控制..

4.1 试验装置与方法

4.1.1 试验装置

4.1.2 运行设置

4.1.3 试验用水水质及接种污泥

4.1.4 分析测试项目及测试方法

4.1.5 N2O的采集和测定

4.1.6 数据分析

4.2 不同运行工况条件的污水生物脱氮系统的污染去除效果

4.3 不同运行工况条件下系统中典型周期内氮素转化和N2O释放

4.3.1 瞬时进水A/O SBR系统中典型周期内氮素转化和N2O释放

4.3.2 瞬时进水A/O/A/O SBR系统中典型周期内氮素转化和N2O释放

4.3.3 分段进水A/O/A/O SBR系统中典型周期内氮素转化和N2O释放

4.4 不同运行工况的系统中污染物去除效果和N2O释放量对比

4.5 小结

第五章、结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录

学位论文评阅及答辩情况表