交替式曝气生物滤池组合系统生物除磷试验研究

摘要

本研究来源于国家十五攻关课题(2004BA604A01)。淹没式固定膜生物滤池具有良好的碳氧化能力。通过提供不曝气/曝气交替的环境条件,可以在生物滤池中富集聚磷菌实现生物除磷过程。相关报道显示,目前生物膜在生物除磷过程中的应用尚处于试验研究阶段。在生物膜反应器中,微生物富集的磷必须通过反冲洗途径从系统中移出,反冲洗的频率和程度决定了磷的去除效果与能耗。富磷生物膜的移除是生物膜除磷性能的关键性限制因素。本研究开发了由间歇曝气生物滤池(intermittent aerated bio filter,IABF),结合前置厌氧滤池和后置好氧滤池组成的生物除磷系统,用于处理生活污水。IABF反应阶段是组合生物膜系统除磷的主体,是本文的研究重点。IABF采用了本研究提出的ACF运行方式(aerobic continuous feedingregime,ACF),即在厌氧阶段结束时排出富磷反应液,在好氧阶段连续进水连续出水。采用这种有别于传统反冲洗的方法去除生物膜中富集的磷,使得IABF的运行不依赖于反冲洗操作,从而改善了生物滤池的除磷性能,延长了反应器的运行周期。试验研究的主要结论如下:①试验期间,进水浓度变化范围较大,系统水力负荷在1.68～8.39m3m-2d-1之间变化,出水COD浓度为8～84mg/L,平均值为35mg/L;出水TP浓度为0.15～0.84mg/L,平均值为0.48mg/L;原污水碳氮比在3.3～6.5之间,平均值为4.3,出水氨氮平均浓度为4.2mg/L,出水总氮平均浓度为40.6mg/L。将系统出水回流至前端厌氧池,回流比为1:1时,与无回流时相比,系统对氮的去除率从36.8％提高到51.9%。研究表明,在试验范围内,本系统运行性能稳定,能够迅速适应运行负荷的变化,具备良好的抗冲击性能。利用前置厌氧滤池对生活污水进行预处理,厌氧降解污水中的大分子有机物以及被厌氧池滤层截留下来的颗粒物有机成分,可以改善污水水质,有效提高挥发性脂肪酸含量,厌氧池产酸速率随水力负荷的增加而增大。②本研究建立A、B两套并行的IABF系统,考察了运行负荷对除磷性能的影响。A-IABF在水力负荷1.68～8.39m3m-2d-1、有机负荷0.96～4.10gCODL-1d-1条件下,出水COD平均浓度64mg/L,平均去除率为73.6%;出水TP平均浓度0.47mg/L,平均去除率为84.7%,阶段性低进水浓度条件下TP去除率出现下降。B-IABF在控制的污染物负荷率下运行稳定,出水COD平均浓度为69mg/L,平均去除率为73.4%;出水TP平均浓度为0.36mg/L,平均去除率为86.1%。③IABF在ACF运行方式下,厌氧阶段与好氧阶段相对独立。好氧阶段碳、磷的负荷率与其削减速率之间呈线性正相关。间歇曝气循环周期的变化对有机物的降解以及磷酸盐的削减与转化没有明显影响。好氧连续流阶段填充柱内有机物和磷酸盐的削减分别集中在0～0.06m和0.06～0.56m区域,由此可以推断在IABF中沿水流方向存在着微生物不同种群的分布。④与序批运行方式相比较,除了低浓度条件外IABF在ACF方式下释磷速率与进水中挥发性脂肪酸含量的关联度不大,而与好氧阶段吸磷速率呈正相关。ACF方式下生物膜好氧阶段的磷转化量随好氧磷酸盐负荷的增加而增大,生物膜厌氧阶段与好氧阶段的磷转化量之间存在着关联关系。这表明,ACF方式下好氧阶段的可获取磷源及其摄入在更大程度上影响着厌氧释磷过程。生物膜组成分析结果表明,IABF中可能存在一定比例的聚糖原菌。试验中观察到B-IABF生物膜中糖原含量及转化量较A-IABF的高,也许是由于存在较高比例聚糖原菌造成的。⑤根据长运行周期内IABF液相及生物膜相磷的分布情况,磷在生物膜内的积累程度与进水浓度、负荷率和连续运行天数等有关。较长的运行周期、较高的负荷率会在填充柱内不同区域出现不同程度的磷的累积。试验结果表明,IABF在ACF运行方式下采用长运行周期操作是可行的。与传统生物膜除磷系统相比,反冲洗频率大大下降,可以显著降低反冲洗能耗。⑥阶段性低浓度条件下A-IABF和B-IABF的运行性能存在差异。B-IABF在较低且稳定的负荷条件下运行性能稳定。而A-IABF中PHB和糖原储量显著降低,在高水力负荷条件下吸磷速率明显下降,生物膜中磷的净累积量较高,所以,低浓度、高负荷条件下的持续运行导致了A-IABF除磷性能的下降。⑦组合生物膜系统的磷平衡和水量平衡分析表明,在水力负荷为4.65m3m-2d-1及间歇曝气循环周期6h条件下,进入系统的磷有47.5%进入厌氧富磷液的化学处理环节。采用七水硫酸亚铁为药剂,在厌氧富磷液的pH范围内,Fe/初始OP摩尔比为1.3～1.7:1时可以取得较好的处理效果。药剂费用也较低。

目录

摘要

ABSTRACT

1 强化生物除磷(EBPR)研究进展

1.1 概述

1.2 EBPR 的生化特性

1.2.1 普遍接受的两种强化生物除磷新陈代谢模式

1.2.2 基质摄取与储存

1.3 EBPR 的胞内聚合物

1.3.1 PHA

1.3.2 PolyP

1.3.3 糖原Glycogen

1.4 反硝化除磷

1.4.1 氮氧化物对EBPR 的影响

1.4.2 聚磷菌的分类及其生化特点

1.4.3 利用反硝化细菌的生物除磷过程

1.5 EBPR 微生物多样性

1.5.1 多种群的EBPR 微生物群落

1.5.2 环境因素对微生物群落结构的影响

1.5.3 微生物种群间的关系

1.6 GAOs 与 EBPR

1.6.1 GAOs 对EBPR 的影响

1.6.2 GAOs 与PAOs 的差异

1.6.3 PAOs 与GAOs 之间竞争的影响因素

1.7 生物膜EBPR 系统

1.8 结语

2 研究目的、内容及方法

2.1 研究背景

2.2 研究目的、内容和技术路线

2.2.1 研究目的

2.2.2 研究内容

2.2.3 试验研究技术路线

2.3 试验方案与方法

2.3.1 试验方案

2.3.2 试验装置

2.3.3 试验用水

2.3.4 分析方法

3 组合生物膜系统运行性能

3.1 组合生物膜系统的启动

3.1.1 IABF 的启动运行

3.1.2 好氧池的启动

3.2 组合生物膜系统COD 的去除

3.2.1 COD 去除的运行结果

3.2.2 组合生物膜系统各单元COD 去除的分担率

3.3 厌氧池的预酸化

3.3.1 厌氧池的产酸速率

3.3.2 厌氧池出水水质

3.4 组合生物膜系统磷的去除

3.5 组合生物膜系统氮的去除

3.5.1 氮去除的运行结果

3.5.2 水力负荷对氮去除的影响

3.5.3 温度对氨氮转化的影响

3.5.4 出水回流对氮去除的影响

3.6 本章小结

4 有机负荷对间歇曝气生物滤池(IABF)除磷性能的影响

4.1 试验方法

4.1.1 试验系统

4.1.2 试验进程

4.1.3 试验条件

4.2 IABF 中碳、磷的去除

4.2.1 试验运行结果

4.2.2 IABF 运行的周期特征

4.2.3 水力负荷对碳、磷去除的影响

4.2.4 有机负荷与磷酸盐负荷

4.2.5 好氧阶段历时时长对碳、磷去除的影响

4.3 IABF 厌氧阶段磷的释放

4.3.1 试验运行结果

4.3.2 厌氧阶段磷释放的影响因素

4.4 IABF 的净吸磷能力

4.4.1 净吸磷能力的定义

4.4.2 净吸磷能力的影响因素

4.5 IABF 中氮的去除

4.5.1 试验运行结果

4.5.2 水力负荷的影响

4.5.3 好氧阶段污染物负荷的影响

4.5.4 间歇曝气周期内氮的去除

4.6 本章小结

5 运行方式对间歇曝气生物滤池除磷特性的影响

5.1 试验内容与方法

5.1.1 试验内容

5.1.2 测试项目与分析方法

5.2 两种运行方式下的生物除磷过程

5.2.1 两种运行方式下间歇曝气循环周期内运行结果

5.2.2 磷酸盐和有机物浓度变化的特征曲线

5.2.3 好氧磷酸盐负荷与好氧吸磷速率

5.2.4 好氧吸磷与厌氧释磷

5.2.5 净吸磷效能

5.3 两种运行方式下的厌氧释磷过程

5.3.1 厌氧释磷速率

5.3.2 厌氧释磷与基质利用

5.4 有机物与好氧吸磷过程

5.4.1 好氧连续流阶段

5.4.2 好氧初始阶段

5.5 生物膜组分分析

5.5.1 生物膜组分

5.5.2 生物膜的有机组分与活性细胞组成

5.5.3 生物膜中聚合物的转化

5.6 长运行周期下磷的分布与转化

5.6.1 IABF 在长周期下的运行性能

5.6.2 长周期内液相磷酸盐分布特征

5.6.3 长周期内生物膜胞内聚合物组成及转化

5.6.4 IABF 填充柱内胞内聚合物分布特征

5.7 IABF 运行方式的进一步分析

5.7.1 IABF 运行方式的主要特点

5.7.2 IABF 运行性能与传统生物膜除磷系统的对比分析

5.7.3 IABF 长周期运行的经济分析

5.8 本章小结

6 组合生物膜系统生物相分析

6.1 反冲洗污泥中的微型动物种群

6.1.1 IABF

6.1.2 好氧滤池

6.2 反冲洗污泥特征

6.3 微型动物种群对生物膜系统的指示作用

6.3.1 IABF

6.3.2 好氧滤池

6.4 本章小结

7 厌氧富磷液的磷回收

7.1 概述

7.1.1 化学除磷方法

7.1.2 结合化学除磷方法的生物除磷过程

7.2 组合生物膜系统可回收的磷源

7.3 厌氧富磷液的化学处理

7.3.1 试验材料与方法

7.3.2 反应液的pH 条件对化学除磷的影响

7.3.3 Fe/初始OP 比对化学除磷的影响

7.3.4 在厌氧富磷液pH 条件下的处理效果

7.3.5 厌氧富磷液化学处理药剂成本分析

7.4 本章小结

8 结论与建议

致谢

参考文献

附录