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反硝化动力学研究

王越2013214079；杜晓娜2013214071；霍进彦2013214074；刘世泽2013214075；任艳婷2013214121；王真真2013214080

1试验背景

1.1水体氮污染的危害

氮是自然界广泛存在的基本元素，是农业生产的重要肥料，它对人类生存发展起着很重要的作用。随着工农业的迅速发展以及城市人口的大量增加，水体遭受氮污染的问题日益严重，引起了人们的密切关注。水体的氮污染主要来自生活污水和工业生产过程中含氮废水的排入，以及土壤中氮肥随雨水的冲淋泄入。氮污染给水体带来的危害主要有以下几个方面[1][2][3]：

（1）造成水体的富营养化

氮是水体中植物生长的主要营养物质，但当水体中氮、磷和其他营养物质过多时，将促进藻类等浮游生物的大量繁殖，造成水体富营养化，形成“水华”或“赤潮”，水体透明度下降。在封闭的水体中，溶解氧减少，引发大量鱼类和水生生物死亡。人为排放含营养物质的工业废水和生活污水是引起水体富营养化现象的主要原因。

（2）危害人类及生物的生存健康

化合态氮对人和生物有毒害作用，根据世界卫生组织(WHO)规定,NO3−N含量不能超过10mg/L。我国生活饮用水水质标准中规定饮用水中硝酸盐含量不大于20mg/L。在硝酸盐被摄入人体后部分会被还原成亚硝酸盐，亚硝酸根可氧化血液中的铁血红蛋白为高铁血红蛋白，后者不具备结合氧的能力，随着血液中高铁血红蛋白含量增加，血液输送氧的能力下降，严重者导致人体组织紫疳，临床上称高铁血蛋白症。出生4-6个月的婴儿，对硝酸盐的耐受力比较低。当饮用水内硝酸盐含量为90--140mg/L时，人体会失去血红蛋白在体内输送氧的能力而窒息死亡。水中NO2−N超过3mg/L时，金鱼在9-24h内死亡。此外，亚硝酸盐会在胃中与氨氮结合形成亚硝基胺或其化合物而具有致癌、致畸作用，对人体有潜在的威胁。

（3）增加了给水处理的成本

在生物氧化（消化反应）过程中，氨氮要消耗大量的氧。在水厂加氯时，原水中氨的存在会消耗大量的氯，使加氯量大大增加（每克NH3-N需增加8~10克Cl2）。为了脱色、除臭除味，将耗用大量化学药剂和絮凝剂，而原水中含有大量单细胞藻体，藻类也会造成滤池堵塞，从而使得滤池的反冲洗用水和反冲次数随之增加。同时藻类在一定条件下会产生藻毒素，对人体健康有害。此外，氨还会与一些铜组件及铜合金设备中的铜组分发生化学反应引起相关设备的腐蚀，降低

给水处理中消毒的效果。

（4）水体溶解氧量下降，降低水体观赏价值

氨氮氧化成硝态氮消耗水体中的溶解氧，完全氧化 1.00mg氨氮需要消耗4.57mg溶解氧，而且耗氧过程中会产生H+，水中的pH值将下降。溶解氧降低致使鱼类等水生生物的大量死亡，加重水体水质恶臭现象，破坏生态平衡，造成水体黑臭，且透明度仅有0.2m。制约经济发展，影响水上活动，间接或直接导致经济损失，如交通、灌溉、渔业、观光旅游等方面。因此水体中氨氮浓度成为评价水体污染程度的一个极重要的指标。

1.2反硝化方法

目前处理水体中硝态氮的方法有多种，主要分为物理化学法[2]和生物反硝化法[1]。生物反硝化法与物理化学法相比，具有低能、高效、无二次污染的特点，其不是将硝酸盐简单的浓缩，而是将它转化为对人体无害的氮气，是脱除水体中的硝态氮的主要方法之一。

1.2.1物理化学法

物理化学法包括膜分离法和离子交换法。物理化学法处理费用较高，且会产生高浓度的含盐废水，可用于小型处理厂或近海地区。

（1）膜分离法

膜分离法是指在某种推动力的作用下，利用膜的透过性能，达到分离水中离子或分子以及某些微粒的目的。用于地下水脱硝的膜分离方法包括反渗透和电渗析两种。反渗透的推动力是外加的压力。反渗透膜对硝酸根无选择性，各种离子的脱除率与其价数成正比，在除去硝酸盐的同时也将除去其它的无机盐，因此反渗透法将降低出水的矿化度。电渗析的膜推动力是与膜正交的电场力，使用半透膜选择性地脱除阴阳离子。电渗析脱硝法只适用于从软水中脱除硝酸盐。膜分离法适用于小型供水设施，其缺点是费用高(尤其是电渗析法)，产生浓缩废盐水，存在着废水排放问题。

（2）离子交换法

离子交换是利用碱性树脂所具有的阴离子交换能力，通过氯离子或重碳酸根与被处理水中硝酸根的交换达到去除地下水中硝酸盐的目的。离子交换是让要处理的水通过一个强碱性树脂床，水中的硝酸根与氯离子或重碳酸根交换，直到树脂的交换容量耗尽。用过的树脂用氯化钠或重碳酸钠浓溶液再生，也可以用海水再生。目前，离子交换工艺已成为水体脱硝的主要手段之一。离子交换法的最大优点是处理出水水质好，处理过程很少受温度影响，后处理工序少；缺点是要耗用大量再生药剂，再生洗脱液会引起二次污染。

1.2.2生物反硝化法

反硝化作用（denitrification）是将NO3-或NO2-还原成N2或N2O的过程。参与这一过程的微生物称为反硝化菌。反硝化菌是一类异养型兼性厌氧菌。它能在缺氧条件下，利用各种有机底物（主要包括碳水化合物、有机酸和醇类以及烷烃

类、苯酸和其他的苯衍生物等碳源）作为反硝化过程中的电子供体，以硝酸氮或亚硝酸氮作为电子受体而进行缺氧呼吸。在反硝化过程中，硝酸氮通过反硝化菌的代谢活动，最终可被还原为有机氮化合物，成为菌体的组分，此转化途径归为同化反硝化（合成代谢），或最终被还原为氮气，此转化途径为异化反硝化（分解代谢）。关于硝酸氮在生物反硝化过程中转化的途径和结果如图所示[4]：

图1 硝酸氮在生物反硝化过程中转化的途径和结果

一般在缺氧的情况下，兼性厌氧菌首选硝酸根进行其呼吸作用，将NO 3−还原为N 2：

O H g N e H NO 2233)(2

156+=+++- 可用于大规模的水处理。

2试验原理及方法

2.1废水生物处理数学模型

1942年，Monod 提出Monod 方程，指出微生物的生长速率与微生物浓度及某些限制性底物浓度之间的关系；20世纪50~60年代，国外一些学者以Monod 方程为基础引入化工领域的反应器理论及微生物学的生物化学理论，将基质降解、微生物生长及各参数之间的关系用数学关系来做定量描述，建立了各自的活性污泥法静态数学模型；如今，以Monod 方程为基础的活性污泥数学模型已得到广泛使用，反硝化动力学便是其中重要的一部分。

2.1.1不同的反硝化动力学模型

一般情况下，以Monod 方程为基础的污染物质降解动力学模型原则上需要满足的三个条件[1]：

1. 微生物以单一污染物质作为基质；

2. 微生物处于平衡生长状态；

3. 在降解和生长过程中没有毒性存在。

2.1.2双Monod 模型

反硝化过程受双底物限制，即有机物、硝态氮两者都可能成为微生物增殖率的限制因素。在生物脱氮中，假如碳源不足，反硝化就不完全，去氮不彻底。相反，若碳源过多，过剩的碳便会随出水流失，会降低出水水质和增加处理成本[2]。这样就需要有机物的投加量适当。对于有两种低于饱和浓度底物存在的反应，这