同心圆活动导流墙式反应器处理生活污水的试验研究

摘要

论文从反应技术的角度,在OCO反应器的基础上,开发了同心圆活动导流墙式反应器(OGO反应器)。论文对OGO技术处理生活污水进行了系统研究,主要围绕以下几方面展开:通过对比试验,考察了OGO反应器生物除磷脱氮能力及去除效果的稳定性;进行了反应器流型特性试验比较;通过正交试验得出OGO系统运行的最佳控制条件,并以长期、连续运行的试验数据为基础,分析了OGO系统有机物去除与脱氮除磷效能、系统中活性污泥特性与系统需氧量、反应器低温运行效果及参数优化;通过反应器中氮素的追踪和氮平衡计算,考察了系统内同时硝化反硝化生物脱氮现象、机制及其影响因素。论文主要研究内容与结论如下:①OGO反应器中内隔墙结构的延伸,有效增加了缺氧区的有效容积和缺氧停留时间,反应器中好氧-缺氧的宏观分区及基质在环区的动态分配得以优化,提高了反应器内缺氧环境的稳定性,可以更为充分地发挥系统生物脱氮除磷潜能。在进水NH3-N浓度、TN浓度分别为15.67～35.42mg/L和19.6840.08mg/L的条件下,其出水浓度分别为3.97～9.48mg/L和7.86～13.85mg/L。氨氮、总氮平均去除率分别从OCO系统的61.9％和50.5%提高到74.3%和65.6%,系统生物脱氮效果的提高较为明显。②在OGO反应器好氧区和缺氧区入口处C-隔墙的始端,设置与池底相连的活动导流墙,替代OCO反应器中的机械调速器,进行内循环流量的分配调节,实现了反应器中混合液的水力内回流,提高了反应器的节能效果。活动导流墙开角大小与流量分配的关联计算模型表明,当导流墙的开角α从0°到25°变化时,Q缺/Q好的比值从1.19增加到2.85。对于生活污水的处理,当导流墙末端位置为区间b/a=1/2～1/4,即开角α为0～15o,总体出水效果良好。试验条件下较之OCO反应器,OGO反应器TN的平均去除率从56.5%提高到70.8%,TP的平均去除率从68.2%提高到80.4%,OGO反应器处理生活污水的生物同时脱氮除磷效果的可靠性与稳定性显著提高。③反应器停留时间分布函数RTD试验计算结果得出,试验条件下,OCO与OGO反应器Pe数分别为2.1(1/Pe=0.476)和2.6(1/Pe=0.385),OGO较之OCO反应器在传质过程中平移作用的影响增加了约19%左右,推流流态的容积利用率得以提高,更有利于形成基质、溶解氧在空间上良好的浓度分布,强化反应器中的推流流型特性,提高反应效率。OGO反应器中由于内隔墙的延伸以及活动导流墙的设置,导致混合区液流的水力混合特性发生改变,可有效避免活性污泥在混合区内侧流速减小而导致的停滞积泥问题。④采用正交试验方法,得出了OGO技术处理生活污水的较佳工况参数:在厌氧区、缺氧区与好氧区(将G-隔墙虚拟成封闭圆环,以圆环容积计)的容积比约为1:3.2:4.6,沉淀污泥回流比为60%时,①总水力停留时间(HRT)约为9.5h(其中厌氧区1.2h),②污泥龄(SRT)为18d,③好氧曝气区中部DO浓度为1.5mg/L,④污泥负荷约0.3～0.4kgCOD/(kgMLSS?d)。在优化工况条件下,OGO工艺处理生活污水,CODcr、NH3-N、TN、TP的平均去除率分别为92%,81%,73%,83%,出水水质能够总体满足《城镇污水厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级标准B级相关要求。系统具有较强的抗冲击负荷的能力,系统中活性污泥恢复调节能力较强。⑤OGO反应器中厌氧区、好氧区、缺氧区以及混合区的活性污泥絮体的粒径范围约为42～670μm,粒径分布较宽。系统中活性污泥微生物种群种类较多,活性良好。正常运行工况下,系统MLSS、SVI基本稳定在2.33.1g/L与96～128mL/g的范围内。OGO系统活性污泥表观产率系数0.1996kgMLSS/kgCOD,系统总需氧量为1.13kgO2/kgBOD5(0.59kgO2/kgCOD),略低于传统A2/O工艺的需氧量1.41.91kgO2/kgBOD5。⑥冬季低温条件下,OGO系统处理生活污水CODcr、NH3-N、TN、TP的平均去除率分别为90.1%,77.7%,69.7%和81.8%。系统脱氮的表观温度影响系数θa为1.023,该值低于生物脱氮的活性污泥系统的典型值,充分表明本技术在低温工况下具有良好调控能力。通过适当增加厌氧区水力停留时间或减小活动导流墙开角等措施,可以在一定程度上有效提高低温工况条件下污染物的去除效果,尤其是生物脱氮除磷效果。⑦OGO系统生物硝化和反硝化作用受到反应器环区内DO浓度梯度分布的影响而不均匀地分布于整个环区中,OGO系统生物脱氮贡献主要在环区以同时硝化反硝化作用(SND)发生。OGO反应器环区对TN的平均去除量占系统TN平均去除总量的69%左右。宏观分区理论适用于环区中发生的SND现象,微环境理论对OGO系统整体SND脱氮作用影响不大。研究纯化分离了6株在好氧条件下具有不同程度反硝化能力的菌株,且好氧条件下,菌株B、E对硝酸盐氮的还原效果较好,硝酸盐的转化率约为26%~30%,且亚硝酸盐氮的积累量相对较少。OGO系统中存在的同步生物硝化反硝化现象,可以部分地从微生物学理论的角度来解释。⑧曝气区DO浓度、进水C/N比以及系统SRT对系统SND脱氮率存在显著影响,且曝气区DO浓度、进水C/N比对SND脱氮率具有关联影响。在OGO系统中,保持活性污泥氮负荷基本不变的情况下,最适的进水C/N为7～18,在此范围内,OGO工艺的脱氮效果和同时硝化反硝化脱氮效果最佳,系统对TN的平均去除率可达到74.15%左右,SND/TN值为59.94%。研究进行了OGO系统发生SND的最佳DO浓度计算模式的动力学参数试验,结果表明,系统最佳DO浓度的计算值与优化试验结论基本一致。研究表明,OGO技术的开发具有较强的创新性,试验研究结果可为该技术的工程推广应用提供技术支撑。

目录

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英文摘要

图表目录

1 绪论

1.1 水环境问题与水体富营养化

1.2 污水生物脱氮除磷理论基础及研究进展

1.2.1 污水生物脱氮基础理论及研究进展

1.2.2 污水生物除磷基础理论及研究进展

1.3 污水脱氮除磷工艺与技术

1.3.1 A~2/O 工艺系列

1.3.2 SBR 工艺系列

1.3.3 环流循环污水处理工艺

1.4 课题的提出

1.5 主要研究内容

2 试验材料与方法

2.1 试验流程与装置

2.2 研究方法

2.3 试验水质与分析测试方法

2.3.1 试验水质

2.3.2 分析测试方法

3 同心圆活动导流墙式反应器的试验研究

3.1 基本技术思路

3.2 OCO工艺实验分析

3.2.1 工艺的启动

3.2.2 OCO工艺对污染物去除的试验结果

3.2.3 OCO工艺污染物去除效果分析

3.2.4 OCO反应器水力特性的初步分析

3.3 同心圆活动导流墙反应技术的试验研究

3.3.1 C－隔墙延伸的试验研究

3.3.2 活动导流墙分流的试验研究

3.3.3 同心圆活动导流墙反应技术的形成

3.4 反应器运行的对比试验

3.4.1 运行试验结果

3.4.2 分析讨论

3.5 本章小结

4 反应器的流型特性与水力混合特征试验分析

4.1 反应器流型特性试验

4.1.1 反应器流态特征函数与反应器效率

4.1.2 试验研究方法

4.1.3 试验结果与分析

4.1.4 流型的模型拟合与推流比讨论

4.2 反应器水力混合特征

4.2.1 导流墙开角与混合液流量分配

4.2.2 反应器水力混合特征试验

4.3 本章小结

5 OGO系统工况参数的优化与运行效果试验研究

5.1 OGO系统主要工况参数的优化试验研究

5.1.1 正交试验方法

5.1.2 正交试验结果

5.1.3 分析与讨论

5.2 OGO系统运行效果的试验研究

5.2.1 试验结果

5.2.2 系统同时生物脱氮除磷效果的稳定性与除磷能力分析

5.2.3 系统有机物去除的效果与抗冲击负荷能力分析

5.2.4 系统低温运行效果分析

5.3 OGO 系统活性污泥特性分析

5.3.1 OGO系统中污泥性状与微生物相

5.3.2 OGO系统活性污泥沉降性能

5.3.3 OGO系统污泥产率分析

5.4 OGO系统需氧量分析

5.5 本章小结

6 OGO系统生物脱氮机理试验研究

6.1 OGO反应器的脱氮特性

6.1.1 反应器氮素浓度追踪试验

6.1.2 OGO系统各区脱氮贡献与氮素平衡分析

6.2 OGO系统同时硝化反硝化脱氮的微环境机制分析

6.2.1 试验方法

6.2.2 试验结果与分析讨论

6.3 具有反硝化功能的好氧菌分离培养试验研究

6.3.1 试验材料与方法

6.3.2 试验结果与讨论

6.4 OGO系统同时硝化反硝化生物脱氮的影响因素

6.4.1 DO 浓度对系统脱氮效果的影响

6.4.2 C/N 比对系统脱氮效果的影响

6.4.3 C/N 比与DO 浓度对系统脱氮效果的关联影响

6.4.4 生物固体停留时间（SRT）对系统脱氮效果的影响

6.5 本章小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议与展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文目录

B 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

C 申请专利情况