生物生态组合型农村生活污水处理系统污染物去除特性及工艺模拟研究

摘要

随着我国农村社会与经济的发展、农村居民生活与生产方式的转变，农村水环境质量持续恶化。调查表明，生活污水是农村水环境的主要污染源之一。农村生活污水治理成为改善农村人居环境的重要内容，高效、低耗、可持续的农村生活污水治理技术研究已成为国内水污染控制领域的重要研究方向之一。
　　针对我国农村水污染特征和经济社会发展现状，以农村生活污水处理过程中的节能减排和资源化利用为出发点，课题组开发了由大深径比厌氧反应器、缺氧除臭反应器、跌水充氧反应器和组合型人工湿地组成的生物生态组合型污水处理系统。组合系统同时具备生物处理工艺的高效性和生态处理工艺的经济性，适用于广大农村地区。本文对组合系统的污染物去除效能和特性进行了深入研究，归纳总结提出了应用方法，具体开展了:大深径比厌氧反应器的工艺优化及运行特性分析;缺氧段脱氮除臭过程优化;跌水充氧段污染物去除效率及生物膜特性研究;水生蔬菜型人工湿地和潜流人工湿地氮磷资源化利用、污染物去除途径研究与运行方式优化;基于上述研究建立并验证了组合系统工艺模型。主要研究成果简述如下。
　　1、采用大深径比厌氧反应器作为厌氧单元，考察了反应器体积一定时不同水温条件下水力停留时间对厌氧反应器有机物去除率、产气量、出水臭阈值等指标的影响。结果表明，在不同水温条件下，随着水力停留时间的延长，有机物去除率升高，产气量减少，出水臭阂值降低。水温低于12℃时反应器有机物去除效率明显降低，需要适当延长水力停留时间以保障有机物的去除。试验表明，可通过厌氧发酵将生活污水中的有机物转化为沼气，在降解有机物的同时，实现生物质能的资源化利用。
　　2、缺氧除臭反应器内悬挂弹性填料，厌氧单元出水与好氧单元回流液混合，实现缺氧反硝化脱氮除臭。随着回流比升高，缺氧段出水的总氮、硫化氢、挥发性脂肪酸和臭阈值均有显著下降。水温对反应效率影响明显，低水温条件下需通过增大回流比，方能保证反应器对主要臭味组分的去除率不低于60％。
　　3、优化阶式跌水充氧装置运行参数，以获得较佳的充氧效果及硝化效率，有机物和氨氮去除率可达到50％以上。试验水质条件下，COD容积负荷小于1.5 kgCOD/(m3 d)时，可获得较优污染物处理效果。
　　4、开展水生蔬菜型人工湿地和潜流人工湿地污染物去除工艺特性研究，确定水生蔬菜型人工湿地适宜的水力负荷为0.2m3/(m2·d)，较优栽培水深为10 cm，采用1/4收割和换茬法，可实现营养盐的稳定有效去除及较高的蔬菜产量。空心菜的吸收作用和微生物降解是水生蔬菜型人工湿地去除TN的主要途径，两者的去除贡献率分别分别为51.14％和47.87％。空心菜的吸收作用是TP的主要去除途径，去除贡献率达61.92％。前置水生蔬菜型人工湿地、后置潜流湿地的组合形式可获得较好的污染物去除效果。经检测，湿地系统培育的蔬菜（空心菜和水芹菜）的农药残留和重金属含量均符合国家标准，为实现生活污水中的氮磷资源化利用提供了依据。
　　5、基于物料守恒，建立了农村生活污水生物生态组合处理系统中各单元的污染物去除模型和全流程的工艺耦合模型。工艺模型模拟的污染物去除结果与实测值之间的偏差小于25％，各单元模型以及全流程耦合模型可用于预测组合系统的运行效果与指导运行工况调整。
　　本文研究结果表明，大深径比厌氧反应器、缺氧除臭反应器、跌水充氧反应器和组合型人工湿地组成的生物生态组合型污水处理系统可有效处理农村生活污水，能有效实现污水中有机物、氮和磷的资源化利用，对构建高效、低耗、可持续的农村污水处理体系、改善农村水环境质量具有较好的工程实用价值。

目录

声明

摘要

缩略词列表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 全国水环境概况

1．1．2 我国农村水环境现状及污水特征

1．2 国内外农村生活污水处理现状

1．2．1 国外农村污水处理技术

1．2．2 国内农村污水处理技术

1．3 国内外污水处理模型模拟研究进展

1．3．1 活性污泥模型

1．3．2 固定生长好氧生物处理过程的数学模型

1．3．3 厌氧生物处理过程的数学模型

1．3．4 人工湿地模型模拟

1．4 本论文研究的意义、主要内容及项目来源

1．4．1 研究的必要性和己有的工作基础

1．4．2 研究思路

1．4．3 主要研究内容

1．4．4 课题来源

第二章 大深径比高效厌氧反应器污染物去除特性研究

2．1 大深径比高效厌氧反应器的设计思路

2．2 材料与方法

2．2．1 实验装置

2．2．2 分析项目与方法

2．3 大深径比高效厌氧反应器的启动

2．3．1 接种污泥

2．3．2 启动过程及方法

2．4 不同水温条件下的运行参数优化研究

2．4．1 常水温条件下大深径比高效厌氧反应器的参数优化

2．4．2 低水温条件下大深径比高效厌氧反应器的参数优化

2．5 厌氧反应器运行特性分析

2．5．1 不同水温条件下厌氧反应器产气率比较

2．5．2 不同水温条件下厌氧反应器COD处理效果对比

2．5．3 不同水温条件下厌氧反应器进出水臭阈值对比

2．5．4 厌氧污泥特性研究

2．6 本章小结

第三章 缺氧-跌水充氧单元污染物去除特性研究

3．1 材料与方法

3．1．1 实验装置

3．1．2 分析项目与方法

3．2 缺氧反应器脱氮除臭条件参数优化研究

3．2．1 常水温条件下缺氧反应器脱氮除臭条件参数优化研究

3．2．2 低水温条件下缺氧反应器脱氮除臭条件参数优化研究

3．3 跌水充氧单元污染物去除效能

3．3．1 跌水充氧单元反应池DO分析

3．3．2 跌水充氧单元对污染物的去除效果

3．4 生物膜特性的研究

3．4．1 跌水充氧单元的生物量比较

3．4．2 跌水充氧单元的生物膜活性比较

3．4．3 跌水充氧单元生物膜的硝化潜力比较

3．5 本章小结

第四章 不同类型人工湿地氮磷去除特性研究

4．1 材料与方法

4．1．1 实验装置

4．1．2 分析项目与方法

4．1．3 空心菜对不同形态氮及磷的吸收特性试验

4．1．4 水生蔬菜型人工湿地氨的挥发量试验

4．1．5 氮磷去除量计算方法

4．1．6 试验用水水质

4．2 水生蔬菜型人工湿地氮磷去除及资源化利用研究

4．2．1 水生蔬菜型人工湿地工艺特性研究

4．2．2 水生蔬菜型人工湿地内氮磷去除途径与资源化利用效率研究

4．3 潜流人工湿地运行方式优化与污染物去除特性研究

4．3．1 潜流人工湿地对有机物的去除特性

4．3．2 潜流人工湿地对氮的去除特性

4．3．3 潜流人工湿地对磷的去除特性

4．4 水生蔬菜型人工湿地与潜流人工湿地组合系统的污染物去除特性研究

4．4．1 水力负荷对水生蔬菜／潜流人工湿地组合系统污染物去除效果的影响

4．4．2 水力负荷对潜流／水生蔬菜人工湿地组合系统污染物去除效果的影响

4．5 水生蔬菜的安全性评价

4．5．1 水芹菜食用安全性评价

4．5．2 空心菜食用安全性评价

4．6 生活污水中氮磷资源化安全利用的模式

4．6．1 人工湿地组合形式的确定

4．6．2 人工湿地工艺参数的选择

4．7 本章小结

第五章 农村生活污水生物生态组合处理系统集成研究

5．1 大深径比厌氧反应器反应动力学模型研究

5．1．1 模型构建

5．1．2 模型应用

5．2 缺氧反应器反应动力学模型研究

5．2．1 模型构建

5．2．2 参数率定

5．2．3 模型应用

5．3．1 模型构建

5．3．2 参数率定

5．3．3 模型应用

5．4 人工湿地处理单元数学模型研究

5．4．1 模型构建

5．4．2 模型应用

5．5．1 耦合模型整合

5．5．2 模型应用

5．6 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 建议

致谢

攻读博士学位期间发表的论文情况及参与的研究项目

参考文献