氮污染环境治理技术原理与工程

1 氮污染物的人为来源及其对环境和公共健康的影响 1

1.1 前言 1

1.2 氮污染物的主要人为来源 2

1.2.1 无机氮污染 2

1.2.2 有机氮污染 3

1.3 氮污染的影响 3

1.3.1 生态效应 3

1.3.1.1 淡水生态系统的酸化 3

1.3.1.2 水生生态系统的富营养化 4

1.3.2 毒理效应 6

1.3.3 对人类健康的影响 8

1.3.4 对人类经济的影响 9

1.4 防止氮污染的方法 9

1.4.1 末端治理技术 10

1.4.2 清洁生产 11

1.4.3 工业生态学 11

参考文献 12

2 硝化过程原理 16

2.1 前言 16

2.2 硝化过程的生物化学机理 16

2.2.1 氨氧化过程 16

2.2.2 亚硝酸盐氧化过程 17

2.2.3 包括生物合成的方程 17

2.3 硝化过程的微生物学机理 17

2.3.1 氨氧化细菌（AOB） 17

2.3.2 亚硝酸盐氧化细菌（NOB） 18

2.4 硝化过程的影响因素 19

2.4.1 温度 19

2.4.2 pH 20

2.4.3 氨氮和游离氨的浓度 20

2.4.4 溶解氧浓度 21

2.4.5 抑制性物质 21

2.5 硝化过程的数学模型 22

2.5.1 传统一步硝化模型 22

2.5.2 两步硝化模型 23

2.5.3 包括抑制作用的高级模型 23

参考文献 26

3 反硝化过程原理 28

3.1 前言 28

3.2 反硝化过程 29

3.2.1 反硝化过程的微生物学机理 29

3.2.2 反硝化过程的生物化学机理 30

3.2.2.1 硝酸盐（NO？）还原成亚硝酸盐（NO？） 31

3.2.2.2 亚硝酸盐（NO？）还原成一氧化氮（NO） 31

3.2.2.3 一氧化氮（NO）还原成一氧化二氮（N2O） 32

3.2.2.4 一氧化二氮（N2O）还原成氮气（N2） 32

3.2.2.5 反硝化酶的遗传控制 33

3.2.3 反硝化过程的生理学机理 34

3.2.3.1 氧气的影响 35

3.2.3.2 氮氧化物的影响 35

3.2.3.3 pH和温度的影响 35

3.2.3.4 C/N比的影响 36

3.2.3.5 不同的电子供体 37

3.2.4 反硝化过程的数学模型 39

参考文献 41

4 厌氧氨氧化过程 46

4.1 厌氧氨氧化的发现及其化学计量学 46

4.2 热力学参数和动力学参数 47

4.3 生物化学机理 48

4.4 微生物学机理 49

4.5 影响因素 50

4.5.1 温度 50

4.5.2 pH 51

4.5.3 基质和产物浓度 52

4.5.4 氧气 53

4.5.5 抑制性物质 53

4.5.6 剪切力 55

4.6 厌氧氨氧化的特定分析技术 55

4.6.1 检测 55

4.6.2 厌氧氨氧化活性测定 56

4.6.2.1 基于液相的测定方法 56

4.6.2.2 基于气相的测定方法 57

4.7 数学模型 57

4.7.1 试验数据的数学模拟 59

4.7.2 缺乏试验数据的数学模拟 59

4.7.2.1 主要参数 59

4.7.2.2 COD的影响 59

4.7.2.3 生物膜脱落 60

参考文献 60

5 去除市政污水中氮元素的环境技术 65

5.1 前言 65

5.2 悬浮生长微生物处理工艺 65

5.2.1 反应器型式及处理过程的基本概念 65

5.2.1.1 多池活性污泥工艺 65

5.2.1.2 交替曝气式活性污泥工艺 66

5.2.1.3 序批式间歇反应器（SBR） 67

5.2.2 主要工艺及其设计原则 67

5.2.2.1 硝化和好氧区体积 67

5.2.2.2 需氧量 69

5.2.2.3 出水反硝化 70

5.3 生物膜工艺 71

5.3.1 反应器型式及处理过程的基本概念 71

5.3.1.1 生物滤池 71

5.3.1.2 生物转盘法（RBC） 72

5.3.1.3 浸没式生物滤池 72

5.3.1.4 生物移动床（MBBR） 73

5.3.1.5 混合工艺 73

5.3.2 设计原则 73

5.3.2.1 生物滤池 73

5.3.2.2 生物转盘法（RBC） 74

5.3.2.3 浸没式生物滤池 74

5.3.2.4 生物流化床（MBBR） 75

5.3.2.5 混合工艺 76

5.3.3 案例：丹麦Frederikshavn中心污水处理厂 77

参考文献 79

6 高浓度含氮废水脱氮环境技术 81

6.1 前言 81

6.2 高氮废水的类型 82

6.2.1 污泥中温消化上清液 82

6.2.2 高固体含量的高温污泥消化液 83

6.2.3 垃圾填埋场渗滤液 83

6.2.4 某些（农业）工业废水 84

6.3 反应器型式及处理过程的基本概念 84

6.3.1 物理-化学处理方法 84

6.3.2 生物处理方法 85

6.4 设计原则 89

6.4.1 SBR活性污泥工艺的设计要点 89

6.4.2 悬浮生长型完全混合活性污泥工艺的设计要点 90

6.4.3 附着生长型移动床生物膜工艺的设计要点 90

6.5 案例分析 91

6.5.1 案例：DEMON？除氨工艺 91

6.5.2 案例：生物膜除氨工艺（Hattingen） 92

6.5.3 案例：AT-3生物强化工艺 94

参考文献 95

7 去除污水中难降解氮污染物的环境技术 97

7.1 前言 97

7.2 纺织废水 97

7.2.1 序言 97

7.2.2 排放纺织废水导致的环境问题 99

7.2.2.1 生物富集作用 99

7.2.2.2 染料的毒性 100

7.2.3 纺织废水的特征 100

7.2.4 纺织废水处理技术 102

7.2.4.1 废水生物处理系统 102

7.2.4.2 废水非生物处理系统 114

7.2.5 案例：纺织废水生物处理技术 116

7.2.5.1 简述 116

7.2.5.2 污水处理厂工艺及其运行 116

7.3 含爆炸物废水处理 118

7.3.1 序言 118

7.3.2 含爆炸物废水的特征 118

7.3.2.1 爆炸物 119

7.3.2.2 推进剂 120

7.3.2.3 烟火装置 120

7.3.3 含爆炸物废水的处理技术 120

7.3.3.1 吸附法 120

7.3.3.2 高级氧化工艺（AOPs） 121

7.3.3.3 化学还原法 122

7.3.3.4 生物处理工艺 122

7.3.4 案例：含爆炸物废水的生物处理工艺 123

7.3.4.1 简述 123

7.3.4.2 中试处理厂的构成及运行状况 123

7.3.4.3 成本比较 124

7.4 制药废水 124

7.4.1 序言 124

7.4.2 生物处理工艺 126

参考文献 128

8 渗滤液脱氮环境技术 135

8.1 前言 135

8.2 含氮渗滤液的来源 135

8.3 脱氮技术 137

8.4 生物处理工艺 138

8.4.1 硝化-反硝化过程工艺 139

8.4.1.1 SBR 141

8.4.1.2 氧化塘 141

8.4.1.3 膜生物反应器 142

8.4.1.4 反硝化工艺 142

8.4.1.5 生物膜工艺 143

8.4.2 亚硝化-反亚硝化工艺 145

8.4.3 亚硝化-厌氧氨氧化工艺 145

8.5 物化处理工艺 146

8.5.1 离子交换工艺 146

8.5.2 氨吹脱工艺 147

8.5.3 鸟粪石沉淀工艺 148

8.5.4 膜分离工艺 149

8.5.5 氧化工艺 150

8.6 湿地及其他自然处理系统 152

8.7 原位修复应用 154

8.8 案例分析 155

8.8.1 SBR和芦苇床组合处理工艺 156

8.8.2 硝化曝气塘和GAC组合处理工艺 157

8.8.3 MBR和RO组合处理工艺 159

参考文献 160

9 鸟粪石回收氮技术 168

9.1 前言 168

9.2 鸟粪石的形成 168

9.2.1 历史简介 168

9.2.2 鸟粪石沉淀处理高氮废水的可行性 169

9.3 工艺机理 170

9.3.1 鸟粪石的溶解度 170

9.3.2 鸟粪石的沉淀 173

9.4 工艺参数 174

9.4.1 pH的影响 174

9.4.2 温度的影响 175

9.4.3 TSS的影响 176

9.4.4 污水化学组成的影响 176

9.4.4.1 离子浓度 176

9.4.4.2 鸟粪石沉淀的不同阶段 179

9.4.4.3 其他逆反应离子的存在 179

9.5 鸟粪石的质量 180

9.5.1 鸟粪石的成分 180

9.5.2 鸟粪石与氨氮（NH？-N）的结合 181

9.5.3 鸟粪石晶体大小 183

9.6 经济因素 184

9.7 主要技术关键 184

9.7.1 总体考虑因素 184

9.7.2 案例分析——REM-NUT？ 184

9.7.3 致谢 186

参考文献 186

10 离子交换除氨技术 191

10.1 前言 191

10.2 离子交换材料 191

10.2.1 沸石作为离子交换剂 193

10.2.2 沸石的结构、性质和分类 193

10.3 离子交换 195

10.3.1 离子交换原理 195

10.4 平衡研究 196

10.5 动态离子交换 199

10.6 工艺运行特性和介质离子交换容量 200

10.6.1 穿透浓度 201

10.6.2 接触时间 201

10.6.3 溶液强度 202

10.6.3.1 最终出水处理 202

10.6.3.2 污泥消化液处理 204

10.6.4 再生 204

10.7 总结 205

10.8 致谢 206

参考文献 206

11 工业烟道废气脱氮技术 209

11.1 前言 209

11.1.1 NOx的来源 209

11.1.2 氮氧化物的去除 211

11.2 化学去除NOx技术 212

11.2.1 选择性催化还原 212

11.2.2 电化学去除NOx技术 212

11.3 生物去除NOx技术 213

11.3.1 硝化 213

11.3.2 反硝化 214

11.3.3 藻类去除氧化氮技术 215

11.3.4 NO去除技术的评估 215

11.4 生物转鼓过滤法的概念 216

11.4.1 水溶性Fe（Ⅱ）EDTA2-溶液法用于烟道废气脱氮 217

11.4.2 一氧化氮（NO）的铁还原 217

11.4.2.1 Fe（Ⅱ）EDTA2-作为电子供体 217

11.4.2.2 Fe（Ⅱ）EDTA2-与酶的相互作用 219

11.4.3 生物转鼓过滤反应器的再生能力：铁还原 220

参考文献 221

12 自养反硝化去除污水中氮源和硫源污染物 225

12.1 前言 225

12.1.1 自养反硝化的基本概念 225

12.1.2 基于硫的反硝化 226

12.1.3 应用及其局限性 227

12.2 氮源和硫源污染物的工业来源 228

12.2.1 含有氮源和硫源污染物的工业废水 228

12.2.2 含硝酸盐和硫废水同步处理的可行性 231

12.3 自养反硝化的微生物机理 232

12.3.1 反硝化微生物 232

12.3.2 自养反硝化菌 232

12.4 自养反硝化的生化机理 234

12.4.1 基因、酶和代谢途径 234

12.4.1.1 氮氧化物还原过程 234

12.4.1.2 硫的氧化过程 235

12.4.2 自养反硝化过程 236

12.4.3 自养反硝化的热力学 238

12.5 自养反硝化的动力学 239

12.5.1 自养反硝化动力学的注意事项 239

12.5.2 生物膜动力学模型（硫-石灰填充床反应器） 240

12.5.3 活性污泥动力学模型（硫代硫酸盐或者硫酸盐作为电子供体） 243

12.6 自养反硝化系统的运行特性 244

12.6.1 自养条件下反硝化系统的性能 244

12.6.2 混合营养条件下反硝化系统的性能 244

12.6.3 设计原则 247

12.6.3.1 UASB和EGSB系统 247

12.6.3.2 流化床反应器 248

12.6.3.3 完全混合系统 249

12.6.4 案例分析：自养反硝化去除炼油废水中的硫酸盐 250

12.6.4.1 简述 250

12.6.4.2 中试装置的构成和运行特性 250

12.6.4.3 生产性应用及其效益分析 251

12.7 自养反硝化反应器的关键运行参数 251

12.7.1 电子供体的类型和浓度 251

12.7.2 氮和硫的负荷率 252

12.7.3 HRT 252

12.7.4 温度 253

12.7.5 pH 253

12.7.6 传质限制 254

12.7.7 S/N比 255

12.7.8 C/N比 255

12.8 总结 257

参考文献 257

13 好氧颗粒污泥脱氮系统 263

13.1 前言 263

13.2 好氧颗粒污泥的基础知识 264

13.2.1 反应器类型 264

13.2.2 操作条件 264

13.2.2.1 基质组成 265

13.2.2.2 饱-饥阈 265

13.2.2.3 水力剪切力 265

13.2.2.4 短的沉降时间 266

13.3 好氧颗粒污泥脱氮 267

13.3.1 好氧颗粒污泥中的生物过程 267

13.3.2 颗粒污泥的特性 267

13.4 好氧颗粒污泥脱氮影响因素 269

13.4.1 溶解氧浓度 269

13.4.2 有机物组成 269

13.4.3 pH 270

13.4.4 碱度（碳酸氢根） 270

13.4.5 温度 270

13.5 好氧颗粒内微生物群落的分布 271

13.6 好氧颗粒污泥的数学模型 272

13.7 工业应用 275

13.7.1 好氧颗粒污泥的实验室研究 275

13.7.2 好氧颗粒污泥的中试研究 276

参考文献 277