一体化生物膜-颗粒污泥耦合反应器实现同步脱氮除磷的技术研究

摘要

氮、磷的过量排放是造成水体富营养化的主要原因。随着污水排放标准的不断提高，特别是生活污水在污水排放量比重的逐年增加，在去除有机物的同时实现对氮磷达标排放的水处理工艺已成为目前研究热点。针对我国污水处理厂脱氮除磷工艺普遍存在着能耗高、效率低以及运行不稳定的现状，本项研究采用自行设计的一套生物膜-颗粒污泥耦合反应装置，将悬浮填料生物膜和颗粒污泥两种水处理技术相结合，根据各类细菌的代谢特性，在装置不同区域通过参数调节厌氧、好氧、缺氧过程，从而实现同步脱氮除磷。本课题以模拟废水为处理对象，将悬浮载体生物膜和颗粒污泥技术耦合，全面研究生物膜/颗粒污泥耦合工艺反硝化除磷脱氮的可行性，首先，提出快速富集反硝化颗粒污泥的策略并成功启动耦合工艺，考察不同进水方式和不同好/厌氧区容积负荷对耦合工艺反硝化除磷脱氮的影响，并以此为基础，开发了改进型生物膜/颗粒污泥耦合工艺，同时考察了HRT、曝气量、温度和碳源等不同影响因素对改进型耦合工艺的影响。
　　悬浮载体生物膜和厌氧颗粒污泥分别是脱氮除磷工艺中最为高效的处理手段。本研究以自行设计、研发的生物膜-颗粒污泥耦合工艺反应器(专利申请号:201110293470，专利公开号:102372362A)为实验载体，首次成功将生物膜和颗粒污泥耦合，提出并验证了工艺的可行性。
　　通过60个周期驯化，实现硝化菌在悬浮载体上的成功挂膜。驯化结束后，NH4+-N出水浓度为1.32 mg/L，去除率高达95.65％，出水NO3--N浓度19.14mg/L;悬浮载体表面逐渐被活性污泥紧密包裹。以絮状污泥为接种污泥，利用三阶段富集策略，成功富集出反硝化除磷颗粒污泥，磷酸盐、氨氮和COD的去除率逐步上升。试验未期，均稳定在90％以上。将驯化和富集好的生物膜载体及颗粒污泥放入生物膜-颗粒污泥耦合工艺反应器，进行初次启动。
　　通过选取不同进水方式和不同厌氧区/好氧区容积负荷对生物膜-颗粒污泥耦合工艺进行改进、优化实验。首先，通过实验对比分析了瞬时进水和连续进水对耦合工艺稳定性的影响。其次，通过移动反应器中多孔挡板，分别调整反应器中厌氧区/好氧区容积比例，确定了各反应区最佳容积负荷，进一步改进、优化了反应器运行参数。改进后的耦合工艺，较之前对污染物的去除均有了一定程度提高。COD、P、NH4+-N和TN的去除率分别提升了16.68％，26.10％，19.45％和19.64％。
　　为实现生物膜-颗粒污泥耦合工艺在实际工程中的应用，对影响耦合工艺稳定运行的一些重要因子进行了考察。当HRT为8.5h时，释磷速率和吸磷速率最高，达到0.47和0.97mg P/g SS/h，其碳源利用率最大，反硝化除磷效率最稳定;当曝气量分别为0.2，0.1和0.05 m3/h，氨氮的去除率分别为81.03％、74.42％和70.34％，PO43--P去除率分别为80.40％、75.22％和69.19％，反硝化速率分别为1.04，0.92和0.81 mg N/g SS/h;当温度分别为20℃，28℃和33℃时，氨氮的去除效率分别为76.09％、81.57％、83.07％。出水磷酸盐浓度分别为2.37，2.03和1.96 mg/L，而缺氧段吸磷量分别为14.49，15.00和14.94 mg/L，20℃反硝化除磷效率最大，为0.93 mg P/mg NO3-N;当选用不同的碳源（葡萄糖和无水乙酸钠）时，耦合工艺对COD的去除率分别为77.23％和83.58％，对磷酸盐的去除率分别为59.91％和71.22％。
　　与传统的脱氮除磷工艺相比，生物膜-颗粒污泥耦合工艺具有节省占地空间、降低能源消耗、工艺流程简洁、污染物去除率高等特点，这为寻求经济、高效、可行的污水处理新技术，实现水质改善和维持生态系统平衡，提供了全新的思路和视角。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 目的与意义

1．3 污水生物脱氮除磷理论

1．3．1 生物脱氮机理

1．3．2 生物除磷机理

1．3．3 生物脱氮除磷组合工艺

1．4 可持续生物除磷脱氮工艺技术基础

1．4．1 反硝化除磷原理

1．4．2 反硝化聚磷微生物的研究

1．5 本文研究内容和创新点

1．5．1 研究内容

1．5．2 创新点

2 材料与方法

2．1 实验装置

2．2 实验用水及污泥

2．2．1 实验用水水质

2．2．2 试验污泥

2．3 悬浮载体选择

2．4 主要仪器和分析检测方法

3 生物膜／颗粒污泥耦合工艺的启动

3．1 好氧硝化生物膜培养

3．1．1 载体选择

3．1．2 驯化方式

3．1．3 驯化阶段对氨氮去除效果

3．2 反硝化聚磷菌富集

3．2．1 试验方案设计

3．2．2 颗粒污泥富集阶段的运行效果

3．2．3 颗粒污泥富集阶段释磷和吸磷特性

3．2．4 颗粒污泥富集阶段污泥特性

3．3 本章小结

4 不同进水方式对生物膜／颗粒污泥耦合工艺的影响研究

4．1 瞬时进水实现生物膜／颗粒污泥耦合工艺的研究

4．1．1 采取瞬时进水实现同步脱氮除磷的研究方案

4．1．2 不同工况条件下系统的有机去除负荷的变化

4．1．3 不同工况条件下系统的氨氧化特性

4．1．4 不同工况条件下系统的释磷和吸磷特性

4．2 采取连续进水方式体系的运行效能分析

4．2．1 采取连续进水实现同步脱氮除磷的研究方案

4．2．2 生物膜／颗粒污泥耦合工艺有机物去除平衡分析

4．2．3 采取连续进水方式下脱氮除磷效果

4．3 采用不同进水方式运行状况对比分析

4．3．1 同步脱氮除磷效果对比分析

4．3．2 反硝化除磷效率对比分析

4．4 本章小结

5 不同好／厌氧区容积负荷对耦合工艺运行效能的影响

5．1 试验方案

5．2 不同好氧区容积负荷对氨氧化的影响

5．2．1 氨氮的去除

5．2．2 不同好氧区容积氮去除速率

5．2．3 不同好氧区容积负荷硝化菌的氨氧化速率

5．3 不同厌氧区容积负荷对反硝化除磷的影响

5．3．1 有机物去除

5．3．2 不同厌氧区容积负荷对释磷量的影响

5．3．3 不同厌氧区容积负荷对吸磷量的影响

5．3．4 生物膜-颗粒污泥反应器内反硝化除磷反应计量学

5．4 本章小结

6 改进型生物膜／颗粒污泥耦合工艺脱氮除磷效能及影响因素研究

6．1 改进型生物膜／颗粒污泥耦合工艺及运行效果对比分析

6．2 HRT对改进型耦合工艺脱氮除磷影响

6．2．1 不同厌氧和好氧时间下的有机物降解速率

6．2．2 HRT对反硝化脱氮速率的影响

6．2．3 HRT对厌氧段释磷碳源利用率的影响

6．2．4 HRT对缺氧吸磷的影响

6．3 曝气量对改进型耦合工艺脱氮除磷影响

6．3．1 曝气量对好氧段氨氧化的影响

6．3．2 曝气量对吸磷效率的影响

6．4 温度对改进型耦合工艺脱氮除磷的影响

6．4．1 温度对厌氧释磷的影响

6．4．2 温度对同步脱氮吸磷的影响

6．4．3 温度对反硝化除磷效率的影响

6．5 碳源对改进型生物膜／颗粒污泥耦合工艺的影响

6．5．1 碳源选择

6．5．2 碳源对磷酸盐去除影响

6．5．3 不同碳源的释／吸磷计量关系

6．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利

致谢

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