BAF释碳填料的研制及处理含氮废水的研究

摘要

针对氮过量排放带来的问题，国家颁布了相关法规明确规定，要向排入河流内的重点污染物施行严格控制。而且提出了控制要求，在“十三五”期间（2016-2020年），对任何污水处理厂或企业单位排放的废水施行总氮排放控制。 我国是农业生产大国，每年有大量的农业废弃物产生，例如香蕉皮、橘子皮、核桃壳等，大部分废弃物只是作为燃料或者丢弃，不仅造成资源浪费而且增加了环境负担。为了有效解决这个难题，本课题组在前期经过大量的试验研究，发现核桃壳具有特殊的骨架结构可作为微生物载体，并具有良好的释碳性能，但将核桃壳应用于BAF中，在长期的BAF运行过程中发现，核桃壳 BAF易坍塌而容易堵塞曝气头，这样既增加了反冲洗频率也比较耗能。为了使核桃壳更好的应用于 BAF，本试验将核桃壳研磨为粉末作为缓释碳源，并添加沸石、水泥和铝粉制备成新型 BAF多孔释碳填料，考察填料性能并将其应用于 BAF研究其释碳性能及脱氮效果，并对 BAF的运行参数进行了优化，得到以下结果： （1）将沸石粉末、水泥（粘结剂）、核桃壳粉末（缓释碳源）和铝粉（成孔剂）作为原材料制备出粒径为 5.0-9.0 mm的多孔释碳填料（Porosity&carbon release midia，PCRM），其孔隙率为 68%，表观密度为 1.65 g/cm3，抗压强度为 100.8 N，堆积密度为 0.57 g/cm3，比表面积为 10.49×104 m2/g。对 PCRM 填料利用 X 射线衍射(X-RayDiffraction，XRD)进行成分分析，内外表面的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscorp，SEM )观察、填料释碳及脱氮试验和氨氮静态吸附试验，研究结果表明：PCRM外表面粗糙，且内部孔隙间贯通性强，便于微生物附着以及进入填料内部生长，有利于提高挂膜生物量；单位质量缓释碳源的释碳速率为 0.68 mg/(g?h)；对氨氮的饱和吸附量为 1.65 mgN/g。 （2)BAF的挂膜启动试验表明：微生物能够在 PCRM 及陶粒（Commercial application ceramite，CAC）填料上成功挂膜；PCRM 反应器和 CAC反应器的COD去除率分别为 86%和 91%；PCRM反应器和 CAC反应器的氨氮去除率分别为 95%和 92%。氨氮的变化趋势表明两种填料反应器中存在硝化和反硝化作用，pH和 DO的变化能说明反应器内硝化反应进行的程度，而且充足的DO及偏碱性 pH是成功挂膜的必要条件。 （3）对各工艺参数的考察结果发现，水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）对反应器的COD的处理影响较小。当 HRT为48h时，各项废水指标去除率均趋于稳定且达到最大，其中 PCRM反应器和 CAC反应器 COD去除率分别为 94%和 89%，氨氮去除率分别为 99%和 73%，总氮去除率分别为 74%和 61%，硝态氮有积累而亚硝态氮没有积累。相比之下，增加停曝时间对硝态氮的积累具有较大的影响，当停曝时间为 12 h时，两个反应器均没有硝态氮及亚硝态氮的积累，PCRM反应器和 CAC反应器氨氮去除率分别为 94%和92%；总氮去除率大幅上升，PCRM反应器总氮去除率上升至99%，CAC总氮去除率上升至 96%。 （4）BAF沿程化学参数测定研究结果表明，PCRM反应器和 CAC反应器均在 30-60 cm阶段，微生物最为丰富，利用脂磷法测得生物膜量分别达到 14.85 nmolP/g和 11.94 nmolP/g，而在此阶段的硝化反硝化进行的最彻底，氮素指标在该区域大幅去除。

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摘 要

ABSTRACT

1.1 含氮废水研究概述

1.1.1 含氮废水处理现状

1.1.2脱氮工艺中外加碳源的研究

1.2 曝气生物滤池

1.2.1 曝气生物滤池概述

1.2.2 曝气生物滤池填料的选择

1.3 废水中农业废弃物的资源化利用

1.3.1 利用农业废弃物制作活性炭

1.3.2 利用农业废弃物制作生物吸附剂

1.3.3 农业废弃物作为微生物载体

1.4课题的提出及研究内容

1.4.1研究内容

1.4.2 创新点

1.4.3 技术路线

2 试验部分

2.1 试验仪器与材料

2.1.1 主要仪器

2.1.2 主要试剂

2.1.3 供试材料

2.2 PCRM的制备与优化试验

2.2.1 制备工艺

2.2.2 制备方法

2.2.3 填料最优配比

2.2.4 填料性能表征

2.2.5 填料动态释碳脱氮试验

2.3 BAF挂膜启动及稳定运行试验

2.3.1 试验装置

2.3.3 BAF挂膜启动及稳定运行

2.4 PCRM BAF反硝化脱氮工艺特性研究试验

2.4.1 不同HRT的对比

2.4.2 不同停曝时间的对比

2.5 PCRM BAF与CAC BAF沿程生物化学特性对比试验

2.5.1 沿程化学参数测试

2.5.2 沿程填料微生物指标观察

2.5.3 沿程填料表面及内部结构观察

3 结果与讨论

3.1 PCRM的结果与讨论

3.1.1 PCRM的制备

3.1.2 PCRM的优化配方

3.1.3 PCRM的物理性能

3.1.4 PCRM静态释碳性能

3.1.5 PCRM动态释碳及脱氮效果

3.1.6 PCRM氨氮吸附性能

3.2 BAF挂膜启动及稳定运行的结果与讨论

3.2.1 启动期间CODcr的去除情况对比

3.2.2 启动期间pH、DO的变化规律

3.3 PCRM BAF反硝化脱氮工艺特性的结果与讨论

3.3.1 HRT对氨氮、硝态氮和亚硝态氮的影响

3.3.2 HRT对总氮的影响

3.3.3 HRT对COD的影响

3.3.4 停曝时间对氨氮、硝态氮和亚硝态氮的影响

3.3.5 停曝时间对总氮的影响

3.4 PCRM BAF沿程生物化学特性对比试验的结果与讨论

3.4.1 DO和氮素的沿程变化情况

3.4.2 硝态氮和pH沿程浓度变化情况

3.4.3 TN沿程髙度的变化

3.4.4 COD和COD去除率沿程变化情况

3.4.5生物膜量沿程变化情况

3.5 沿程生物膜及生物相形态变化

3.5.1 生物相形态的变化

3.5.2 PCRM表面形态的变化

3.5.3 CAC填料表面形态的变化

4结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

致 谢

参考文献

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