农村生活污水氮磷资源化研究

摘要

中国是一个农业大国，然而每年农业生产缺水量达300×108m3，受旱面积约2×104km2。近年来，随着中国乡镇建设的迅速发展和人民生活水平的提高，我国村镇污水年排放量超过100亿吨。农村生活污水性质比较稳定，基本不含重金属和有毒物质，可生化性较好，成为潜在的农业灌溉水源。污水中的氮磷等物质对水环境是一种污染物而对于农业生产是必须的营养物质，是一种宝贵的资源。但是，生活污水直接回灌农田，由于悬浮颗粒和有机物浓度过高，从而造成土壤板结和植物烂根等问题，长期使用会导致土壤的退化。
　　本研究提出了一种从“单纯处理”转变到“氮磷资源化利用”的农村生活污水治理新思路:污水的治理不是以除磷脱氮为首要目的，相反是尽量保留污水中的氮、磷成分，通过简单的处理将有机氮、有机磷无机化为易于农作物吸收的无机态成分，同时降低尾水中有机物的含量，使其达到国家《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)的要求，安全回用于农田灌溉，解决以往污水灌溉存在的农作物烂根、土壤板结等问题，从而实现生活污水氮磷的资源化利用和水资源的可持续利用。
　　本研究提出的农村生活污水资源化工艺为“厌氧池+短程好氧生物滤池”，尾水可直接安全灌溉。这种工艺组合，从其氮磷资源化的目的出发，可称为短程氮磷无机化反应器(short-range nitrogen and phosphorus inorganic reactor，简称SNPIR)。开展了近一年的实验研究，结果如下所述:
　　1、考察了SNPIR在不同季节下的氮磷资源化效果及其运行参数调节。夏季和秋季，SNPIR的适宜运行参数:厌氧池HRT=4h，短程好氧生物滤池HLR=5.40 m3/(m2·d)。SNPIR出水的氨氮平均浓度分别在45mg/L和55mg/L左右，PO43--P平均浓度分别在6.5mg/L和5.6mg/L左右，同时出水COD平均浓度均在60mg/L以下;冬季，SNPIR的适宜运行参数:厌氧池HRT=5h，短程好氧生物滤池HLR=4.20m3/(m2·d)。SNPIR出水的氨氮平均浓度在88mg/L左右，PO43--P平均浓度在7.7mg/L左右，可为后续资源化利用提供大量的无机氮肥和磷肥，但是COD平均浓度为163mg/L，无法满足《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)中COD指标的限制要求。在冬季适宜运行参数下，采用1∶1回流、增温至10℃以上、设置各种保温措施的方法，可将进水COD浓度降低至250mg/L以下，COD去除率提高至75％左右，使出水COD浓度降低到60mg/L以下，此时，出水NH4+-N、PO43--P平均浓度分别为70.95mg/L和5.8mg/L。
　　2、推导、建立了不同季节厌氧池和短程好氧生物滤池的底物降解动力学模型，指导反应器的设计、优化与控制。夏季、秋季和冬季厌氧池内COD降解过程均遵循一级反应动力学;夏季和秋季短程好氧生物滤池内COD降解过程遵循一级反应动力学，冬季短程好氧生物滤池内COD降解过程遵循二级反应动力学。氨氮降解主要针对夏季和秋季的短程好氧生物滤池，滤池内氨氮降解过程遵循一级反应动力学。对推导、建立的动力学模型进行验证，绝对误差和相对误差均较小，能够在一定误差范围内很好的预测出水COD和氨氮浓度。
　　3、对不同季节单独短程好氧生物滤池的运行效能进行了研究，并与SNPIR工艺的效能进行了对比。单独短程好氧生物滤池具有较好的氮、磷无机化效能，但是抗冲击负荷能力较小，在较小的水力负荷下出水COD平均浓度才低于60mg/L。在对短程好氧生物滤池进行设计时，小的设计水力负荷会增大滤池面积，增加基建费用。冬季采取1∶1回流、增温至10℃以上、设置各种保温措施的方法，出水COD平均浓度仍高于60mg/L，无法满足《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)中COD指标的限制要求。近一年的运行过程中，SNPIR工艺无填料堵塞情况出现，而单独短程好氧生物滤池工艺反复出现填料堵塞的情况，因此，SNPIR工艺更加有利于推广应用。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 农村生活污水污染现状

1．1．2 农村生活污水处理技术

1．2 污水资源化利用研究进展

1．3 课题的提出

1．3．1 农村生活污水资源化利用的提出

1．3．2 农村生活污水氮磷资源化利用新思路

1．3．3 前人研究成果

1．4 课题来源、研究目的和内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 研究目的

1．4．3 研究内容

第二章 短程氮磷无机化反应器工作机理及特点

2．1 SNPIR技术简介

2．2 有机氮无机化机理

2．3 有机磷无机化机理

2．4 有机氮、磷无机化的表征

2．5 SNPIR技术特点

第三章 试验装置与研究方法

3．1 试验工艺流程

3．2 试验装置

3．3 试验材料

3．3．1 试验用水水质

3．3．2 试验接种污泥

3．3．3 试验所用填料

3．3．4 试验药品及仪器

3．4 试验测定项目及分析方法

3．4．1 水质监测分析方法

3．4．2 污泥性质分析方法

3．4．3 生物膜分析方法

第四章 SNPIR的启动研究

4．1 引言

4．2 反应器生物膜的培养驯化

4．4 短程好氧生物滤池启动方式对比研究

4．5 反应器挂膜成熟的标志

4．6 小结

第五章 不同季节SNPIR氮磷无机化效能研究

5．1 引言

5．2 不同季节厌氧池效能研究

5．2．1 不同水力停留时间下COD去除效果

5．2．2 不同水力停留时间下有机氮无机化效能

5．2．3 不同水力停留时间下有机磷无机化效能

5．2．4 不同季节厌氧池运行参数的确定

5．3 不同季节短程好氧生物滤池氮磷无机化效能研究

5．3．1 不同水力负荷下有机氮无机化效能

5．3．2 不同水力负荷下有机磷无机化效能

5．3．3 不同水力负荷下COD去除效果

5．3．4 不同季节短程好氧生物滤池运行参数的确定

5．4 不同季节适宜运行参数下SNPIR氮磷无机化效能研究

5．4．1 夏季氮磷无机化效能和COD去除效果

5．4．2 秋季氮磷无机化效能和COD去除效果

5．4．3 冬季氮磷无机化效能和COD去除效果

5．5 冬季低温条件下提高COD去除效果的方法探究

5．5．1 回流

5．5．2 增温保温措施

5．5．3 回流、增温措施下有机氮、磷无机化效能

5．6 小结

第六章 SNPIR动力学研究

6．1 引言

6．2 底物降解动力学模型建立

6．2．1 有机底物降解动力学模型

6．2．2 氨氮动力学模型

6．3 动力学模型试验数据拟合与验证

6．3．1 有机底物降解动力学模型拟合结果

6．3．2 短程好氧生物滤池内氨氮动力学模型拟合结果

6．3．3 模型在试验中的验证

6．4 小结

第七章 单独短程好氧生物滤池运行效能研究

7．1 引言

7．2 单独短程好氧生物滤池与SNPIR运行效能对比研究

7．2．1 有机氮无机化效能

7．2．2 有机磷无机化效能

7．2．3 COD去除效果

7．2．4 冬季低温条件下COD去除率的提高

7．2．5 单独短程好氧生物滤池工艺长期运行存在的问题

7．3 小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 建议

致谢

参考文献

在校期间科研情况