【摘要】：N_2O是一種強(qiáng)有力的溫室氣體，是大氣中僅次于CO2和CH4的溫室氣體。單位質(zhì)量的N_2O全球增溫潛勢是CO2的296倍；工業(yè)革命后大氣中N_2O濃度的升高主要是由人類活動造成的，包括污水處理和垃圾填埋等。污水處理廠污水處理過程中大約有0.05%~25%的N以N_2O形式釋放。這使得N元素的環(huán)境污染問題由水環(huán)境轉(zhuǎn)向了大氣環(huán)境。生物膜法處理污水以其有機(jī)負(fù)荷高、氧傳輸效率高，不產(chǎn)生污泥膨脹，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，近年來以生物膜法為核心的污水處理工藝得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其中曝氣生物濾池(BAF)工藝最多。

但目前，對污水處理中N_2O的形成及釋放機(jī)理的研究主要集中在活性污泥法，對生物膜法中N_2O的形成及釋放機(jī)理研究甚少，主要原因在于生物膜的微觀特性較活性污泥更為復(fù)雜，且在生物膜相關(guān)測試技術(shù)上尚不太成熟。微電極技術(shù)是一種具有高分辨率的電化學(xué)技術(shù)，是測定微米級基質(zhì)濃度微尺度變化的特殊工具。微電極技術(shù)的發(fā)展為研究生物膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)、微觀特性提供了有力的技術(shù)保證，在不破壞原有基質(zhì)的情況下可連續(xù)測定基質(zhì)中的濃度，并且微電極技術(shù)已經(jīng)在污水生物處理、環(huán)境分析與監(jiān)測等多個領(lǐng)域中得到越來越多的研究與應(yīng)用。以實(shí)際生活污水作為試驗(yàn)進(jìn)水，以小試的升流式BAF反應(yīng)器為研究對象，采用接種活性污泥法掛膜，反應(yīng)器掛膜成功后，采用單因素試驗(yàn)研究方法，分別研究了不同DO和不同水力負(fù)荷條件下BAF生物脫氮過程中反應(yīng)器的脫氮效果和N_2O釋放速率，從宏觀角度揭示了DO和水力負(fù)荷對N_2O產(chǎn)生的影響；并且利用微電極測試技術(shù)，深入研究氮元素在生物膜內(nèi)的形態(tài)、遷移變化特征以及不同條件下生物膜的結(jié)構(gòu)與特性，從微觀角度探索生物膜內(nèi)微環(huán)境對N_2O產(chǎn)生的影響。

結(jié)合前面兩個階段的研究成果，在BAF典型工況下，研究了BAF沿水流方向生物膜的處理效果及生物膜結(jié)構(gòu)。獲得了以下主要結(jié)論:(1)DO為6、4、2mg/L時，N_2O的釋放速率分別為0.03mg/h，0.04mg/h，0.27mg/h。以N_2O產(chǎn)生角度和減少能耗兩方面考慮，DO為4mg/L是反應(yīng)器運(yùn)行的最優(yōu)工況。(2)水力負(fù)荷為9.38m3/m2·d，7.30m3/m2·d，4.82m3/m2·d，N_2O的釋放速率分別為0.12mg/h，0.04mg/h，0.018 mg/h，水力負(fù)荷越高N_2O釋放速率越快。從控制N_2O產(chǎn)生和反應(yīng)器體積考慮，最優(yōu)水力負(fù)荷為7.30m3/m2·d。(3)不同DO和水力負(fù)荷條件下，生物膜內(nèi)N形態(tài)分布不同，生物膜內(nèi)部微環(huán)境表現(xiàn)出明顯的差異，而生物膜中NO2-積累是N_2O產(chǎn)生的主要原因。(4)BAF沿水流方向生物膜厚度和生物量顯著下降，濾層中部是產(chǎn)生N_2O的主要場所。