基于固相反硝化和吸附除磷的低碳源污水脱氮除磷技术研究

发布时间：2020-04-17 13:12

【摘要】：随着我国地表水体和地下水体中氮磷污染的问题日渐突出,提高污水厂的污染物排放标准成为控制水污染最直接有效的方法。污水中有机物的浓度是保证污水处理厂脱氮除磷效果、氮磷污染物达标排放的关键。但是,我国城镇污水低碳源化的发展趋势给污水厂的脱氮除磷带来了更大的压力和挑战。作者在全面评述现有低碳源污水解决方案的基础上,认为导致现有解决方案工艺流程复杂、运行控制要求高、运行条件苛刻,应用局限性较强等系列问题的原因不仅仅是工艺技术的问题,还存在方法的问题,研究新的脱氮除磷方法更为重要。目前,固相反硝化脱氮和动态吸附除磷是近年来颇受关注的污水脱氮除磷新技术,可以从根本上解决生物脱氮和除磷对进水碳源的依赖,为低碳源污水的脱氮除磷处理提供了新的思路和方法。为促进固相反硝化和动态吸附除磷工艺的研究和发展,尤其是促进其在低碳源污水同步脱氮除磷中的实际应用。本论文以低碳源污水为研究对象,结合连续流和间歇试验,进行了固体碳源材料的筛选和除磷吸附材料的制备研究。在此基础上,构建了固相反硝化滤池(SPDB)工艺和除磷吸附床(PRAB)工艺,考察了两种工艺的脱氮除磷效果及其影响因子。同时,为拓宽这两种工艺的应用范围,首次构建了混凝沉淀-硝化滤池-固相反硝化滤池-除磷吸附床(CS-BAF-SPDB-PRAB)和序批式生物膜反应器-固相反硝化滤池-除磷吸附床(SBBR-SPDB-PRAB)两套组合工艺,重点研究了BAF和SPDB之间工况的匹配和SBBR运行参数的优化,并从微生物群落结构的角度深入分析了运行参数对脱氮性能影响的机理。最后,在上述研究的基础上,考察了两套组合工艺在处理低碳源生活污水实际应用中的脱氮除磷表现。得到了以下主要试验结论:(1)固体碳源材料的类型、理化性质及填充方式均对反硝化效果有明显的影响。材料类型方面,在相同分子量条件下,PCL的可生物降解性和反硝化性能均优于PBS;在理化性质方面,PCL的可生物降解性能和反硝化性能随分子量的增加而降低,而PCL材料的形态结构和表面性质对反硝化的影响程度大于PCL分子量的影响;在填充方式上,颗粒堆积的填充方式在低HRT条件的脱氮效率要明显优于斜板折流的填充方式。在除磷吸附材料方面,在聚氨酯泡沫和多孔水化硅酸钙混合液的体积比2.56:1的条件下,在多孔水化硅酸钙混合液中各成分的含量为:水性聚氨酯浓度100 g/L,水化硅酸钙12 g,水性聚氨酯50 ml时,制备的除磷吸附材料具有最佳的除磷效果。(2)在SPDB中,HRT和进水ρ(CODCr)对硝酸盐去除率的交互效应极显著(p0.001),而进水ρ(no3--n)和进水ρ(codcr)、hrt和进水ρ(no3--n)对硝酸盐去除率的交互效应不显著(p0.05)。同时,构建的硝态氮去除率预测模型的预测值与实测值吻合良好,相对误差小,可以准确预测spdb对低碳源污水的脱氮效果。此外,预测模型获得的最佳运行条件为:hrt3.5h,进水ρ(no3--n)14.73mg/l,和进水ρ(codcr)15.00mg/l。在该条件下,spdb的最大硝态氮去除率可达99.23%。(3)在prab中,hrt、进水ρ(po43--p)、温度、初始ph值,hrt与进水ρ(po43--p)、温度、初始ph值的交互作用以及进水ρ(po43--p)和温度、初始ph值的交互作用对磷酸盐的去除具有显著影响(p0.05),而温度和初始ph值的交互作用对磷酸盐的去除影响不显著。同时,磷酸盐去除率的预测模型极显著,模型预测值与实测值吻合良好,可以准确预测prab的除磷效果。此外,预测模型获得的最佳运行条件为:hrt为79.77min,进水ρ(po43--p)为1.70mg/l,温度为34.04℃,ph为9.68。在该条件下,prab对磷酸盐的去除率可以达到93.46%。(4)在cs-baf-spdb-prab组合工艺的baf-spdb单元中,为了同时获得理想的硝化和反硝化效果,baf进水中的c/n比应控制在3:1;气水比应设定为4:1,baf和spdb的hrt分别为3.5h和1.5h,温度应该维持在20℃以上。同时,宏观运行参数对baf和spdb处理效果的影响和微观微生物群落的动态变化直接相关。在baf中,氨氧化菌(candidatusnitrospiradefluvii)和亚硝酸盐氧化菌(nitrosomonassp.nm47)的组成、数量与活性随气水比、温度和进水氨氮负荷的变化直接决定了baf中硝化效果的好坏,而spdb中固体碳源降解反硝化微生物pseudomonassp、myxobacteriumat3-03和异养反硝化菌dechloromonasagitate、thaueraaminoaromatica、comamonasgranuli和rubrivivaxgelatinosus的群落结构的变化直接决定了spdb中有机碳源的释放和反硝化效能的优劣。(5)在sbbr-spdb-prab组合工艺中,sbbr单元在运行周期时间为3h/周期,曝气量为3.8m3/(h·m3)的条件下不仅可实现稳定的硝化效果和较高的脱氮效率,同时还可显著提高容积去除效率和降低能耗。同时,sbbr具有很强的抗低温能力。在10℃的低温条件下,sbbr对氨氮的平均去除率可维持在82.7%。sbbr系统中对硝化作用起主导作用的微生物为亚硝化单胞菌(nitrosomonas)和硝化螺旋菌(nitrospira);陶厄氏菌属(thauera)细菌是该系统中的主要反硝化菌;bacteroidetes为sbbr系统中主要的聚磷菌;trichococus和saprospiraceaeuncultured是sbbr系统中的主要有机物降解菌。(6)codcr浓度为149~185.3mg/l,氨氮为25.6-38.5mg/l,总磷3.52-7.76mg/l的低碳源生活污水经cs-baf-spdb-prab组合工艺处理后,nh4+-n和tn和tp的平均去除率分别高达97.6%、91%和97%,出水nh4+-n、tn、tp和codcr的平均浓度分别为0.77mg/l、3.3mg/l、0.16mg/l和15.0mg/l,远低于一级a标。(7)在生活污水的CODCr为93~140mg/L、NH4+-N为34~36 mg/L、TN为41~45mg/L、TP为3.7~7.8的条件下,SBBR-SPDB-PRAB组合工艺在最佳的运行条件下,对TN和TP的平均去除率可分别达到90%和95.6%,出水TN和TP平均浓度分别为4.23 mg/L和0.21 mg/L。出水CODCr平均值为25mg/L,远低于一级A标。
【图文】：

示意图,聚磷菌,吸磷,释磷

1 绪论1.2 生物除磷脱氮过程与碳消耗1.2.1 生物除磷与碳消耗生物除磷是指活性污泥在处理污水的过程中，在厌氧和好氧的环境中交替运行，在这个过程中驯化出具有超量吸磷能力的聚磷菌（PAOs）。聚磷菌在厌氧的条件下释放磷，在好氧的条件下过量摄取磷，并以聚合磷的形式储存在微生物体内，最后通过排放富磷的剩余污泥，将磷酸盐从系统中去除。聚磷菌除磷的基本原理见图 1.1。

生物脱氮,形式,污水,有机氮

(C2H4O2)+0.25PO43-+0.12NH4++1.40O2+0.795H+0.12C5H7NO2+0.305(HPO3) +1.40CO2+2.065H2O 从式 1.2 可以看出，随着好氧吸磷过程的进行，一部分有机物被氧化分解部分则转化微生物的自身组成。通过对比式 1.1 和式 1.2 可以发现，好氧s 摄入细胞内的磷量明显大于厌氧阶段的释磷量，说明 PAOs 存在超量吸。生物除磷的化学计量总方程见式 1.3：C2H4O2+0.055PO43-+0.12NH4++1.40O2+0.04H+0.12C5H7NO2+0.55(HPO3)+1.40CO2+1.81H2O 从式 1.3 可以看到，BOD 和 TP 的去除比值为 20，说明要保证除磷的效控制厌氧段污水中的 BOD/TP 大于 20，以保证聚磷菌对磷的有效释放。2 生物脱氮与碳消耗生物脱氮是指污水中的有机氮和氨氮通过氨化、硝化和反硝化，以及微的同化作用，，一部分氮从有机氮和氨氮最终转化为氮气从污水中去除，分氮则转为微生物的自身组成部分。生物脱氮过程中氮的转化形式见图
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703

【参考文献】