基于“碳源浓缩-氮源回收”的新型污水资源化工艺研究
发布时间：2021-05-22 23:57
面向未来的城市污水处理需要符合可持续发展理念,重视污水的资源化处理。以活性污泥为基础的传统主流工艺以曝气强化供氧方式促进微生物转化有机污染物为CO2,并通过能量、物质密集投入的方式去除氮、磷元素,在资源循环、能源回收方面显示出内源性弊端。本论文摒弃传统模式,提出基于“碳源浓缩-氮源回收”的新型污水资源化工艺。工艺核心在于“碳源浓缩”单元浓缩富集污水碳源有机物,实现碳氮磷分离。浓缩碳源可通过厌氧产甲烷方式回收能量,从而提高污水处理过程的能量自给率。同时,氮源回收技术避免了传统处理工艺对氮源的“破坏性去除”,可改善社会氮循环的可持续性。论文研发污水碳源混凝/吸附强化膜浓缩技术。中试结果表明碳源实现高效浓缩,COD截留率达到85.6±3.6%。分离后的碳源浓缩液产甲烷潜力达到210230mLCH4/gCOD,性能优于剩余污泥。浓缩碳源形成的吸附性泥饼层起到预过滤保护作用,减缓不可逆膜污染,同时提高有机物截留率。构建百吨级反应器实现工艺单元放大,开展生产性验证实验。采用“吸附性泥饼层模式+低通量长期运行方式+脉冲曝气+维护性化学...
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
主要符号对照表
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 污水处理行业百年历程概述
1.1.2 生态文明理念下面向未来的污水处理行业：历史变革期
1.1.3 国际视野下的污水处理行业发展需求与理念
1.1.4 我国污水处理行业的挑战与机遇
1.2 污水资源化处理
1.2.1 全面资源化是城市污水处理的必然发展方向
1.2.2 以碳源浓缩为手段,以厌氧技术为核心的污水资源化处理新模式
1.2.3 污水资源化处理的创新探索
1.2.4 基于“碳源浓缩-氮源回收”的新型污水资源化工艺
1.3 碳源浓缩技术研究进展
1.3.1 碳源浓缩技术发展概述
1.3.2 基于膜过程的高效碳源浓缩技术
1.4 氮源回收技术研究进展
1.4.1 氮源回收的必要性分析
1.4.2 基于离子交换的氮源回收技术
1.5 研究目的和研究内容
1.5.1 研究目的
1.5.2 研究内容
1.5.3 技术路线
第2章 基于实际污水的碳源混凝/吸附强化膜浓缩过程研究
2.1 引论
2.2 材料与方法
2.2.1 实际污水的水质情况
2.2.2 混凝/吸附强化膜浓缩反应器
2.2.3 混凝/吸附强化膜浓缩反应器的运行条件
2.2.4 水质指标测试方法
2.2.5 膜污染分析方法
2.3 混凝/吸附耦合膜过滤过程的短期优化研究
2.3.1 无混凝/吸附条件下污水直接过滤浓缩时膜污染情况
2.3.2 混凝/吸附过程对膜污染控制的强化效果
2.3.3 混凝/吸附过程对碳源浓缩的强化效果
2.4 混凝/吸附强化膜浓缩连续运行效果研究
2.4.1 碳源的截留去除
2.4.2 碳源的浓缩富集与质量衡算
2.4.3 碳源浓缩液的物化/生化性质
2.5 混凝/吸附强化膜浓缩过程中的氮/磷物质流分析
2.5.1 氮元素(TN/氨氮)的截留与富集
2.5.2 磷元素(P)的去除
2.6 混凝/吸附强化膜浓缩过程长期运行中的膜性能分析
2.6.1 反应器长期运行跨膜压差与通量变化
2.6.2 混凝/吸附强化膜浓缩过程中吸附性泥饼层的形成及污染物构成
2.7 本章小结
第3章 碳源混凝/吸附强化膜浓缩过程中吸附性泥饼层对膜性能的影响
3.1 引论
3.2 材料与方法
3.2.1 超滤杯装置
3.2.2 基于模拟碳源浓缩液形成泥饼层的实验设计
3.2.3 基于实际碳源浓缩液形成泥饼层的实验设计
3.2.4 测试方法
3.3 模拟碳源浓缩液所形成吸附性泥饼层对膜性能的影响
3.3.1 吸附性泥饼层对污染物截留率的影响
3.3.2 吸附性泥饼层对膜通量的影响
3.4 实际碳源浓缩液形成吸附性泥饼层对膜污染的影响
3.4.1 实际取样获得的污水碳源浓缩液水质
3.4.2 吸附性泥饼层对于过滤通量和阻力的影响
3.4.3 基于ATR-FTIR和AFM的膜污染物分析
3.4.4 吸附性泥饼层对膜过滤性能的讨论
3.5 本章小结
第4章 碳源强化膜浓缩反应器工艺单元的放大
4.1 引言
4.2 材料与方法
4.2.1 污水水质情况
4.2.2 强化膜浓缩反应器生产性试验装置
4.2.3 测试方法
4.3 污水碳源强化膜浓缩反应器(规模100吨/日)的运行效果
4.3.1 碳源富集效果与碳流分析
4.3.2 工艺流程中氮元素的去除
4.4 污水碳源强化膜浓缩反应器(规模100吨/日)的膜污染分析
4.4.1 各运行阶段不同工况下的膜污染规律
4.4.2 反应器的能耗分析
4.4.3 碳源混凝/吸附强化膜浓缩过程的膜污染理论：“吸附性泥饼层污染控制模型”
4.5 本章小结
第5章 基于“碳源浓缩-氮源回收”模式的“膜浓缩+反渗透”新型短流程双膜组合工艺研究
5.1 引言
5.2 材料与方法
5.2.1 中试污水水质情况
5.2.2 中试反渗透装置系统
5.2.3 中试反渗透系统的操作方式
5.2.4 测试方法
5.3 “膜浓缩+反渗透”新型短流程双膜工艺中试研究
5.3.1 常规污染物的去除
5.3.2 反渗透工艺单元膜通量及能耗分析
5.3.3 “膜浓缩+反渗透”新型短流程双膜工艺的技术经济特性
5.4 新型短流程双膜“膜浓缩+反渗透”工艺的微污染物去除研究
5.4.1 工艺微污染物总体去除效果
5.4.2 膜浓缩单元的微污染物转化规律分析
5.5 本章小结
第6章 “碳源浓缩-氮源回收”模式下基于离子交换的氮源资源化研究
6.1 引言
6.2 材料与方法
6.2.1 摇瓶实验测定氨氮吸附容量
6.2.2 “碳源膜浓缩-氮源离子交换”实验装置与进水水质
6.2.3 “碳源膜浓缩-MCDI预处理-氮源离子交换”实验
6.2.4 分析方法
6.3 “碳源膜浓缩-氮源离子交换回收”污水资源化模式研究
6.3.1 氮源回收吸附剂研究：离子交换树脂与沸石对比
6.3.2 “碳源膜浓缩-氮源离子交换回收”工艺模式的探索分析
6.4 氮源离子交换回收强化技术研究
6.4.1 “碳源膜浓缩+MCDI+离子交换树脂”工艺模式研究
6.4.2 “碳源膜浓缩-氨氮离子交换富集-多元素结晶”污水极限全资源回收模式
6.5 本章小结
第7章 基于“碳源浓缩”模式的污水资源化工艺模拟与评估
7.1 引论
7.2 模型的建立方法
7.2.1 模型采用的模拟水质
7.2.2 模拟对象：基于不同碳源浓缩及脱氮过程的10种污水处理工艺组合
7.2.3 各个工艺单元物料平衡的基本原则
7.2.4 模型中能耗分析的方法
7.2.5 模型中碳流/能流分析的方法
7.2.6 模型中氮流分析的方法
7.3 模拟工艺模型的建立
7.3.1 “传统AO-无初沉池”工艺组合
7.3.2 “初沉+AO”工艺组合
7.3.3 “A(B)+AO”工艺组合
7.3.4 “强化碳分离+AO”工艺组合
7.3.5 “初沉+AO+侧流Anammox”工艺组合
7.3.6 “A(B)+AO+侧流Anammox”工艺组合
7.3.7 “强化碳分离+AO+侧流Anammox”工艺组合
7.3.8 “初沉+侧+主流Anammox”工艺组合
7.3.9 “A(B)+侧+主流Anammox”工艺组合
7.3.10 “强化碳分离+侧+主流Anammox”工艺组合
7.4 基于模型结果的模拟工艺能耗对比分析
7.4.1 碳源浓缩单元对能耗的影响分析
7.4.2 脱氮单元对能耗的影响分析
7.4.3 碳源浓缩单元与脱氮单元对提高能耗水平的影响对比
7.5 基于模型结果的模拟工艺碳流/能流对比分析
7.6 基于模型结果的模拟工艺的N流对比分析
7.7 本章小结
第8章 结论与建议
8.1 结论
8.2 建议
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]沼液氨氮减压蒸馏分离性能与反应动力学[J]. 贺清尧,王文超,刘璐,余歌,晏水平. 农业工程学报. 2016(17)
[2]污水处理厂铝盐化学除磷机理判别及最优效能区间分析[J]. 吕贞,施亚栋,陈俊,仲志鸿,徐旻,董阳,郑璐. 建设科技. 2016(17)
[3]OSA工艺活性污泥的吸附性能研究[J]. 李彬彬,余静,何成达,蒋一凡,秦浩然. 环境工程. 2016(S1)
[4]新型污泥基吸附材料制备及其氨氮去除性能评价[J]. 王文东,刘荟,张银婷,杨生炯. 环境科学. 2016(08)
[5]厌氧消化液氨氮吹脱回收整体处理装置设计与中试试验[J]. 吴树彪,徐新洁,孙昊,何柯立,魏晓明,董仁杰. 农业机械学报. 2016(08)
[6]鸟粪石热解回收法去除垃圾渗滤液中氨氮的研究[J]. 兰思杰,宋立杰,黄皇,谢田,高小峰,赵由才. 环境工程. 2016(08)
[7]生态文明理念引领城市污水处理技术的创新发展[J]. 王凯军,宫徽. 给水排水. 2016(05)
[8]沼渣养分及其农用可行性分析[J]. 张颖,刘益均,姜昭. 东北农业大学学报. 2016(03)
[9]污泥厌氧消化中新型污染物去除的研究进展[J]. 杨安琪,杨光,张光明,王洪臣,王园园. 环境污染与防治. 2016(03)
[10]质量平衡模型及其在污水处理厂节能降耗中的应用[J]. 张晓军,应启峰,王洪臣,尹训飞,蒋松竹,张源凯,何志江,范强. 环境工程学报. 2016(03)
博士论文
[1]强化膜混凝反应器（E-MCR）生活污水资源化处理工艺研究[D]. 金正宇.清华大学 2015
[2]基于磷和钾回收的黄水资源化处理技术研究[D]. 徐康宁.清华大学 2011
[3]人类—自然耦合系统氮循环研究—中国案例[D]. 谷保静.浙江大学 2011
硕士论文
[1]氨吹脱对奶牛养殖场沼液脱氮与氮回收研究[D]. 龚川南.西南大学 2016
[2]城市污水处理厂污水磷的化学沉淀特性及影响因素研究[D]. 郁娜.西安建筑科技大学 2015
[3]絮凝污泥厌氧消化与强化处理效果研究[D]. 赵鑫.安徽工业大学 2015
[4]石灰调碱—支撑气膜法脱除/回收废水中氨氮研究[D]. 李海庆.天津大学 2013
[5]离子交换树脂处理中低浓度氨氮废水的研究[D]. 赖华.江西理工大学 2012
[6]以资源化为目标的新型生活污水处理工艺预处理研究[D]. 宫徽.清华大学 2012
[7]磷酸铵镁化学沉淀法循环处理高氨氮废水研究[D]. 方莎.北京交通大学 2008
[8]生活污水化学除磷试验研究[D]. 邱继彩.山东大学 2007
[9]稀土冶炼高氨氮废水的氨氮回收技术试验研究及工程设计[D]. 庞宏.西安建筑科技大学 2006
[10]富磷污泥释磷能力及磷的回收潜能研究[D]. 杨琴.重庆大学 2002
本文编号：3201887
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
主要符号对照表
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 污水处理行业百年历程概述
1.1.2 生态文明理念下面向未来的污水处理行业：历史变革期
1.1.3 国际视野下的污水处理行业发展需求与理念
1.1.4 我国污水处理行业的挑战与机遇
1.2 污水资源化处理
1.2.1 全面资源化是城市污水处理的必然发展方向
1.2.2 以碳源浓缩为手段,以厌氧技术为核心的污水资源化处理新模式
1.2.3 污水资源化处理的创新探索
1.2.4 基于“碳源浓缩-氮源回收”的新型污水资源化工艺
1.3 碳源浓缩技术研究进展
1.3.1 碳源浓缩技术发展概述
1.3.2 基于膜过程的高效碳源浓缩技术
1.4 氮源回收技术研究进展
1.4.1 氮源回收的必要性分析
1.4.2 基于离子交换的氮源回收技术
1.5 研究目的和研究内容
1.5.1 研究目的
1.5.2 研究内容
1.5.3 技术路线
第2章 基于实际污水的碳源混凝/吸附强化膜浓缩过程研究
2.1 引论
2.2 材料与方法
2.2.1 实际污水的水质情况
2.2.2 混凝/吸附强化膜浓缩反应器
2.2.3 混凝/吸附强化膜浓缩反应器的运行条件
2.2.4 水质指标测试方法
2.2.5 膜污染分析方法
2.3 混凝/吸附耦合膜过滤过程的短期优化研究
2.3.1 无混凝/吸附条件下污水直接过滤浓缩时膜污染情况
2.3.2 混凝/吸附过程对膜污染控制的强化效果
2.3.3 混凝/吸附过程对碳源浓缩的强化效果
2.4 混凝/吸附强化膜浓缩连续运行效果研究
2.4.1 碳源的截留去除
2.4.2 碳源的浓缩富集与质量衡算
2.4.3 碳源浓缩液的物化/生化性质
2.5 混凝/吸附强化膜浓缩过程中的氮/磷物质流分析
2.5.1 氮元素(TN/氨氮)的截留与富集
2.5.2 磷元素(P)的去除
2.6 混凝/吸附强化膜浓缩过程长期运行中的膜性能分析
2.6.1 反应器长期运行跨膜压差与通量变化
2.6.2 混凝/吸附强化膜浓缩过程中吸附性泥饼层的形成及污染物构成
2.7 本章小结
第3章 碳源混凝/吸附强化膜浓缩过程中吸附性泥饼层对膜性能的影响
3.1 引论
3.2 材料与方法
3.2.1 超滤杯装置
3.2.2 基于模拟碳源浓缩液形成泥饼层的实验设计
3.2.3 基于实际碳源浓缩液形成泥饼层的实验设计
3.2.4 测试方法
3.3 模拟碳源浓缩液所形成吸附性泥饼层对膜性能的影响
3.3.1 吸附性泥饼层对污染物截留率的影响
3.3.2 吸附性泥饼层对膜通量的影响
3.4 实际碳源浓缩液形成吸附性泥饼层对膜污染的影响
3.4.1 实际取样获得的污水碳源浓缩液水质
3.4.2 吸附性泥饼层对于过滤通量和阻力的影响
3.4.3 基于ATR-FTIR和AFM的膜污染物分析
3.4.4 吸附性泥饼层对膜过滤性能的讨论
3.5 本章小结
第4章 碳源强化膜浓缩反应器工艺单元的放大
4.1 引言
4.2 材料与方法
4.2.1 污水水质情况
4.2.2 强化膜浓缩反应器生产性试验装置
4.2.3 测试方法
4.3 污水碳源强化膜浓缩反应器(规模100吨/日)的运行效果
4.3.1 碳源富集效果与碳流分析
4.3.2 工艺流程中氮元素的去除
4.4 污水碳源强化膜浓缩反应器(规模100吨/日)的膜污染分析
4.4.1 各运行阶段不同工况下的膜污染规律
4.4.2 反应器的能耗分析
4.4.3 碳源混凝/吸附强化膜浓缩过程的膜污染理论：“吸附性泥饼层污染控制模型”
4.5 本章小结
第5章 基于“碳源浓缩-氮源回收”模式的“膜浓缩+反渗透”新型短流程双膜组合工艺研究
5.1 引言
5.2 材料与方法
5.2.1 中试污水水质情况
5.2.2 中试反渗透装置系统
5.2.3 中试反渗透系统的操作方式
5.2.4 测试方法
5.3 “膜浓缩+反渗透”新型短流程双膜工艺中试研究
5.3.1 常规污染物的去除
5.3.2 反渗透工艺单元膜通量及能耗分析
5.3.3 “膜浓缩+反渗透”新型短流程双膜工艺的技术经济特性
5.4 新型短流程双膜“膜浓缩+反渗透”工艺的微污染物去除研究
5.4.1 工艺微污染物总体去除效果
5.4.2 膜浓缩单元的微污染物转化规律分析
5.5 本章小结
第6章 “碳源浓缩-氮源回收”模式下基于离子交换的氮源资源化研究
6.1 引言
6.2 材料与方法
6.2.1 摇瓶实验测定氨氮吸附容量
6.2.2 “碳源膜浓缩-氮源离子交换”实验装置与进水水质
6.2.3 “碳源膜浓缩-MCDI预处理-氮源离子交换”实验
6.2.4 分析方法
6.3 “碳源膜浓缩-氮源离子交换回收”污水资源化模式研究
6.3.1 氮源回收吸附剂研究：离子交换树脂与沸石对比
6.3.2 “碳源膜浓缩-氮源离子交换回收”工艺模式的探索分析
6.4 氮源离子交换回收强化技术研究
6.4.1 “碳源膜浓缩+MCDI+离子交换树脂”工艺模式研究
6.4.2 “碳源膜浓缩-氨氮离子交换富集-多元素结晶”污水极限全资源回收模式
6.5 本章小结
第7章 基于“碳源浓缩”模式的污水资源化工艺模拟与评估
7.1 引论
7.2 模型的建立方法
7.2.1 模型采用的模拟水质
7.2.2 模拟对象：基于不同碳源浓缩及脱氮过程的10种污水处理工艺组合
7.2.3 各个工艺单元物料平衡的基本原则
7.2.4 模型中能耗分析的方法
7.2.5 模型中碳流/能流分析的方法
7.2.6 模型中氮流分析的方法
7.3 模拟工艺模型的建立
7.3.1 “传统AO-无初沉池”工艺组合
7.3.2 “初沉+AO”工艺组合
7.3.3 “A(B)+AO”工艺组合
7.3.4 “强化碳分离+AO”工艺组合
7.3.5 “初沉+AO+侧流Anammox”工艺组合
7.3.6 “A(B)+AO+侧流Anammox”工艺组合
7.3.7 “强化碳分离+AO+侧流Anammox”工艺组合
7.3.8 “初沉+侧+主流Anammox”工艺组合
7.3.9 “A(B)+侧+主流Anammox”工艺组合
7.3.10 “强化碳分离+侧+主流Anammox”工艺组合
7.4 基于模型结果的模拟工艺能耗对比分析
7.4.1 碳源浓缩单元对能耗的影响分析
7.4.2 脱氮单元对能耗的影响分析
7.4.3 碳源浓缩单元与脱氮单元对提高能耗水平的影响对比
7.5 基于模型结果的模拟工艺碳流/能流对比分析
7.6 基于模型结果的模拟工艺的N流对比分析
7.7 本章小结
第8章 结论与建议
8.1 结论
8.2 建议
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]沼液氨氮减压蒸馏分离性能与反应动力学[J]. 贺清尧,王文超,刘璐,余歌,晏水平. 农业工程学报. 2016(17)
[2]污水处理厂铝盐化学除磷机理判别及最优效能区间分析[J]. 吕贞,施亚栋,陈俊,仲志鸿,徐旻,董阳,郑璐. 建设科技. 2016(17)
[3]OSA工艺活性污泥的吸附性能研究[J]. 李彬彬,余静,何成达,蒋一凡,秦浩然. 环境工程. 2016(S1)
[4]新型污泥基吸附材料制备及其氨氮去除性能评价[J]. 王文东,刘荟,张银婷,杨生炯. 环境科学. 2016(08)
[5]厌氧消化液氨氮吹脱回收整体处理装置设计与中试试验[J]. 吴树彪,徐新洁,孙昊,何柯立,魏晓明,董仁杰. 农业机械学报. 2016(08)
[6]鸟粪石热解回收法去除垃圾渗滤液中氨氮的研究[J]. 兰思杰,宋立杰,黄皇,谢田,高小峰,赵由才. 环境工程. 2016(08)
[7]生态文明理念引领城市污水处理技术的创新发展[J]. 王凯军,宫徽. 给水排水. 2016(05)
[8]沼渣养分及其农用可行性分析[J]. 张颖,刘益均,姜昭. 东北农业大学学报. 2016(03)
[9]污泥厌氧消化中新型污染物去除的研究进展[J]. 杨安琪,杨光,张光明,王洪臣,王园园. 环境污染与防治. 2016(03)
[10]质量平衡模型及其在污水处理厂节能降耗中的应用[J]. 张晓军,应启峰,王洪臣,尹训飞,蒋松竹,张源凯,何志江,范强. 环境工程学报. 2016(03)
博士论文
[1]强化膜混凝反应器（E-MCR）生活污水资源化处理工艺研究[D]. 金正宇.清华大学 2015
[2]基于磷和钾回收的黄水资源化处理技术研究[D]. 徐康宁.清华大学 2011
[3]人类—自然耦合系统氮循环研究—中国案例[D]. 谷保静.浙江大学 2011
硕士论文
[1]氨吹脱对奶牛养殖场沼液脱氮与氮回收研究[D]. 龚川南.西南大学 2016
[2]城市污水处理厂污水磷的化学沉淀特性及影响因素研究[D]. 郁娜.西安建筑科技大学 2015
[3]絮凝污泥厌氧消化与强化处理效果研究[D]. 赵鑫.安徽工业大学 2015
[4]石灰调碱—支撑气膜法脱除/回收废水中氨氮研究[D]. 李海庆.天津大学 2013
[5]离子交换树脂处理中低浓度氨氮废水的研究[D]. 赖华.江西理工大学 2012
[6]以资源化为目标的新型生活污水处理工艺预处理研究[D]. 宫徽.清华大学 2012
[7]磷酸铵镁化学沉淀法循环处理高氨氮废水研究[D]. 方莎.北京交通大学 2008
[8]生活污水化学除磷试验研究[D]. 邱继彩.山东大学 2007
[9]稀土冶炼高氨氮废水的氨氮回收技术试验研究及工程设计[D]. 庞宏.西安建筑科技大学 2006
[10]富磷污泥释磷能力及磷的回收潜能研究[D]. 杨琴.重庆大学 2002
本文编号：3201887
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