基于CAST工艺的低碳氮比城市污水高效脱氮调控技术研究

摘要

三峡成库后，因水流减小导致水体自净能力的减弱，氮磷过量排放引起的库区富营养化问题越来越严峻，尤其在前年无锡太湖蓝藻事件，更引起人们对三峡库区氮磷过量排放的担忧，对库区污水进行深度除磷脱氮的要求越来越迫切。CAST工艺(CyclicActivated Sludge Technology)作为SBR一种新的变型工艺，具有良好的脱氮除磷功能，又由于其占地面积较小、无需初沉池和二沉池、基建及运行费用低，比较适合三峡库区地少和运行经费紧张的特点，同时CAST工艺由于设置生物选择池限制丝状菌的生长，操作自动化程度高、劳动强度低等优点，近年来在我国特别是三峡库区的应用越来越广泛。
　　 虽然CAST工艺的研究很多，但其生产性试验的研究尚处于初步阶段，本课题针对TN平均约60mg/L的高氮城市进水CAST工艺，对其污泥培养驯化、工艺调试、优化运行控制全程和运行过程中生化系统中微生物变化等进行了系统而深入的研究。在2008年，对CAST工艺去除CODCr、TN、NH3-N等污染物的特性进行了研究，并就生产中出现的问题进行了分析。通过对影响CAST工艺运行关键性参数进行调整，对影响因素的不同作用规律进行了系统研究，寻找适合李家沱污水处理厂水质水量的冬季低温期和常温期最佳运行模式。在对2008年各种运行数据分析的前提下，重点对影响脱氮的因素及规律进行了分析，提出适合李家沱污水处理厂将来水量增大脱氮压力增加的运行模式。在2009年的实验中对脱氮过程ORP的变化规律、影响因素和指示作用以及微生物与脱氮的关系等进行了初步的研究。
　　 在实验工程中采用了五种运行模式来研究CAST工艺，即A：进水0.5h-进水/曝气1.5h-沉淀1h-滗水1h；B(初步设计采用模式)：进水/曝气2h-沉淀1h-滗水1h；C：进水/曝气2h-微曝1h-沉淀1h-滗水1h；D：进水1h-曝气2h-沉淀2h-滗水1h：E：进水/曝气3h-沉淀2h-滗水1h。根据近一年的实际运行情况，选定C模式：进水/曝气2h-微曝1h-沉淀1h-滗水1h为冬季低温期运行模式，对DO、MLSS等运行参数进行了优化，主曝阶段DO控制在3.0～4.0mg/L，微曝阶段DO控制在0.5mg/L以下，污泥龄控制为15～20d，MLSS值控制在4000～6000mg/L，污泥回流比约30％时，系统可取得最好的脱氮效果，此时脱氮率基本在75％左右。选定了B模式(设计模式)：进水/曝气2h-沉淀1h-滗水1h为常温期运行模式，并通过实验确定MLSS、DO等运行参数，DO控制2.0～3.0mg/L，MLSS值控制在4000～5000mg/L，相应的污泥龄为14～16d，污泥回流比为20％时系统处理效果最优。
　　 通过近2年的实验研究，发现CAST工艺采用不同的运行模式时，处理效果显著不同；在对CAST工艺实际运行管理中，应首先摸清实际进水情况，根据实际进水水质合理选定运行模式和各项控制参数，重视进水中因工业废水进入产生的高氮和低C：N现象带来的脱氮压力；在实际设计中，为取得较好的脱氮效果，建议氮负荷率取值不应高过0.04gN/gMLSS.d；污泥龄控制在15～20d左右。
　　 目前，李家沱污水处理厂进行较少，负荷不高，未来水量增大会带来严重脱氮压力，因此本课题进行了强化同步硝化反硝化试验，提出了DO水平梯级控制的概念。运用DO梯级控制，合理选择运行参数，CODCr、BOD5等污染物可以得到稳定有效的去除效率，而TN的去除率也提高了10％～15％左右，出水TN浓度基本在15mg/L以下，TN出水平均在11mg/L左右，达到或接近《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。
　　 ORP作为运行控制参数之一，在脱氮过程中越来越显示其作用，为此，在2009年进行ORP与脱氮效果的初步研究，寻找和探索了CAST工艺中厌氧区和主反应区ORP与CODcr、NH3-N、硝态氮等物质浓度的关系。研究ORP值随进水水质变化而变化，但ORP的变化有一定的规律，在厌氧区ORP和CODCr、NH3-N的浓度乘积与硝态氮浓度的比值的对数线性相关性较好R2=0.9146，在主反应区曝气阶段ORP值与LnDO相关性系数为R2=0.8708。
　　 污水处理装置中起污水净化作用的主要是各种细菌，微生物与细菌之间存在相互依赖的功能关系，微型动物的群落结构在很大程度上反应细菌群落结构，因此，微生物可以指示污水处理效果的好坏。通过对CAST工艺微生物特别是纤毛虫种类、数量的变化和对应的出水理化参数的Pearson相关性分析的研究证明：有肋檐纤虫、龙骨漫游虫、小口钟虫为微生物的优势种；纤毛虫中优势种属与出水的理化参数呈一定的相关性，相关程度随种属的不同而异。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 我国水环境现状

1.2 我国水环境污染与治理现状

1.3 生物脱氮技术的研究概况

1.4 CAST工艺原理及应用现状

1.4.1 CAST工艺概述

1.4.2 CAST工艺的原理

1.4.3 CAST工艺的应用及研究趋势

1.5 课题的研究内容、目的与意义

1.5.1 课题的研究目的与意义

1.5.2 课题的来源和主要研究内容

1.5.3 课题创新点

2 实验现场与实验方法

2.1 实验内容及实验方法

2.1.1 实验方法和安排

2.1.2 实验监测项目和方法

2.2 实验场地简介

2.2.1 工艺简介和流程图

2.2.2 基本设计参数

2.1.3 实际进水水质情况

2.3 污泥驯化与工艺启动

2.3.1 污泥驯化方案的制定

2.3.2 活性污泥培养驯化

2.3.3 活性污泥驯化培养结果及分析

2.4 污泥驯化培养期间污染物的去除效果及存在问题

2.4.1 污泥驯化培养期间污染物去除情况

2.4.2 冬季低温问题

2.4.3 工业废水冲击问题

2.5 本章小结

3 CAST运行模式的研究

3.1 冬季低温期运行模式的研究.

3.1.1 CAST工艺冬季低温期曝气时间影响水质的分析研究

3.1.2 冬季低温期运行模式的选择

3.2 冬季低温期各运行模式下的处理效果

3.2.1 冬季低温期各运行模式下NH3-N的去除效果

3.2.2 冬季低温期各运行模式下TN的去除效果

3.2.3 冬季低温期各运行模式下COD去除效果

3.2.4 冬季低温期各运行模式下TP的去除效果

3.2.5 C模式低温期效能优化

3.2.6 冬季低温运行模式确定

3.3 常温期运行模式的研究

3.3.1 常温期运行模式的选择

3.3.2 常温期运行模式的优化

3.3.3 常温期运行模式的确定

3.4 本章小结

4 CAST工艺DO梯级控制强化脱氮技术研究

4.1 影响脱氮因素研究

4.1.1 水温对TN去除的的影响

4.1.2 运行模式对TN去除的影响

4.1.3 污泥回流比对TN去除的影响

4.1.4 C/N对N去除的影响

4.1.5 SRT对TN去除的影响

4.2 DO梯级控制脱氮的技术研究

4.2.1 试验安排和运行模式的选定

4.2.2 DO变化规律的研究

4.2.3 周期内氮形态变化规律

4.2.4 DO梯级控制的技术和理论研究

4.3 本章小结

5 ORP在CAST工艺中的工程化应用

5.1 ORP作为脱氮过程控制参数的研究进展

5.2 CAST工艺中ORP与水质的相关性研究.

5.2.1 缺氧区中ORP与水质的相关性研究

5.3.2 主反应区中ORP与DO的相关性研究

5.3 关于ORP应用于CAST工艺脱氮过程研究的展望

5.4 本章小结

6 CAST工艺中微生物种群结构与脱氮效果的相关性研究

6.1 微生物在污水处理中的作用

6.2 污水处理中微生物的研究进展

6.3 试验内容与方法

6.4 微生物种群结构组成以及与出水水质的相关性

6.5 本章小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.科研项目