生物造粒流化床污水处理工艺的物化-生化协同作用及工艺研究

摘要

生物造粒流化床是将混凝造粒固液分离工艺应用于污水处理的一种尝试。通过对装置进水进行预充氧,维持流化床内的好氧状态,使微生物在流化床内得以繁殖与富集,从而实现物化与生化耦合作用下的污染物强化去除。前期针对城市生活污水的实验研究已证明了生物造粒流化床不仅能有效去除污水中悬浮态或胶体态的污染物,而且能去除较高比例的溶解性COD、氨氮和总磷,在总水力停留时间为1～2h的条件下,达到优于强化一级处理的效果。作为一种短流程的一体化污水处理工艺,生物造粒流化床具有良好的推广应用前景。为了揭示生物造粒流化床对溶解性污染物的物化-生化协同作用,本文设计了小型实验装置,采用人工配水,针对生物造粒流化床对溶解性污染物的去除特性、流化床中的颗粒污泥特性、混凝剂对污泥中微生物生理生态的影响开展了实验和理论研究。本文的主要工作及成果如下:
　　(1)生物造粒流化床对溶解性污染物的去除特性
　　在实验室条件下,建立小型生物造粒流化床装置并投入连续运行。生物造粒流化床连续操作控制条件为:PAC50mg/L,PAM3mg/L,上升流速u1mm/s,机械搅拌速度ω25rpm,回流污泥池水力停留时间2h,流化床泥层高度控制范围110cm~130cm;回流污泥池参数的控制为:平均每2个小时回流污泥0.5L至回流污泥池,SS0.82g/L,DO8mg/L。稳定运行条件下对溶解性COD、NH3-N及TP的平均去除率分别为85％、34%和46%。
　　(2)生物造粒流化床对溶解性污染物的去除机理研究
　　流化床对溶解性污染物去除过程中包括混凝、吸附和生物降解等物化和生化作用。量化溶解性COD在不同作用机理下的去除效果为:回流污泥池生化降解46%,混凝去除6%,吸附去除8%,流化床原位生化降解22%,未降解18%;溶解性NH3-N在不同作用机理下的去除效果为:回流污泥池生化降解9%,混凝去除5%,吸附去除10%,流化床原位生化降解11%,未降解65%;溶解性TP在不同作用机理下的去除效果为:回流污泥池生化降解27%,混凝去除1%,吸附去除3%,流化床原位生化降解17%,未降解52%。其中回流污泥池生化降解是完成在回流污泥池中的吸附于回流污泥中溶解性污染物的生化降解作用,因此对于附着于颗粒污泥的溶解性污染物而言,回流污泥池生化降解仍是生物降解的一部分。因此,生物降解对于溶解性COD、NH3-N和TP的总的作用分别为68%、20%和44%,说明生物降解是生物造粒流化床污染物去除的去除效果更为明显。
　　(3)生物造粒流化床中颗粒污泥的物理和生化特性研究
　　生物造粒流化床由下至上不同高度处的颗粒呈现良好的球形状态,颗粒粒径呈沿床高逐渐降低的趋势,其中,10cm、50cm、90cm三个高度的中值粒径d50依次为2.84、2.22、1.92mm。生物造粒流化床中颗粒污泥密度趋于均一,随粒径变化的趋势不明显,有效密度的范围为0.006～0.013g/cm3,远高于常规絮凝体的有效密度,说明通过生物造粒流化床操作形成的颗粒污泥具有更加紧实的构造。
　　对流化床中的颗粒污泥进行生化特性分析可知,DO进入流化床内不断被消耗,从入口处的8mg/L降至顶部的1.7mg/L,且主要在底部被消耗。同时沿流化床自下而上MLSS逐渐降低,但每个断面MLSS的浓度远高于常规活性污泥法。细菌计数结果表明,流化床柱体内各断面生物量均在108的数量级,与常规活性污泥法的生物量基本相当,由于流化床底部营养基质丰富,DO充足,因此微生物量最高。随着流化床高度的增加,生物量呈降低的趋势。
　　(4)生物造粒流化床中颗粒污泥中的微生物群落分布特性
　　运用FISH技术对流化床中颗粒污泥的亚硝化菌和硝化菌鉴定分析得出,在流化床10cm、50cm、90cm处AOB/DAPI和NOB/DAPI分别达到3.4%,3.9%,2.5%以及1.8%,1.8%。1.4%。表明就亚硝化菌和硝化菌的分布而言,在流化床高度上没有较大变化的。在生物造粒流化床形成的颗粒污泥中AOB、NOB占DAPI染色总菌的比例与悬浮活性污泥法中的比例基本相同;而每个高度的颗粒污泥中NOB的数量均低于AOB的数量,这可能是由于NOB具有较低的比增值速率的缘故。
　　从DGGE谱图可以看出,生物造粒流化床内微生物种群丰富,且因其独特的空间结构使好氧、兼性、厌氧微生物均能生长。生物造粒流化床处理工艺装置不同位置的活性污泥中微生物的结构相差不大,曝气池与流化床内微生物种群结构对比,少数细菌的种类与数量在曝气池中锐减(如兼性厌氧细菌Actinobacillus),但总体来说相差不大,其余优势种群都是好养菌群(Actinobacillus,Arcobactersp.,Epsilonproteobacteria和Betaproteobacteria类群)。表明在微生物对于底物变化和DO浓度改变适应性较好,工艺运行较为稳定。
　　为了提高生物造粒流化床的脱氮能力,针对生物造粒流化床颗粒污泥进行3个月的亚硝化细菌和硝化细菌的富集培养,运用PCR-DGGE技术鉴定出富集培养液中完全自养型硝化菌的优势菌群为Nitrosospirasp.(亚硝化螺菌)和Nitrobactersp.(硝化杆菌),且还被鉴定出异养细菌Pseudomonassp.(假单胞菌)以及Pseudomonasaeruginosa(铜绿假单胞菌)。这些异养细菌Pseudomonassp.为好氧反硝化菌,与自养硝化细菌起到了共生的作用。
　　(5)混凝剂对颗粒污泥中功能菌群的影响研究
　　在生物造粒流化床的操作条件基础上,利用SBR反应器进行了不投加和分别投加聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM),对活性污泥生长及其污染物降解特性的对比试验。生物量分析和FISH检测结果表明投加PAC和投加PAM不会影响活性污泥中微生物的繁殖和生长。对污染物的去除效果分析发现,投加PAC和投加PAM的反应器都要比未投加药剂的反应器COD的去除率要高;三种反应器内各种形态的氮去除效果非常接近,说明PAC和PAM对微生物的硝化作用无抑制作用;且化学除磷能够提高磷的去除率。
　　(6)生物造粒流化床颗粒污泥的动态稳定性研究
　　利用基于两个生物造粒流化床的二级串联交替运行模式研究了流化床颗粒污泥的动态稳定性。生物造粒流化床采用二级串联交替运行模式后,总的水力停留时间延长,有效处理泥床高度加倍,溶解性污染物的去除得到强化,溶解性COD、氨氮、磷在二级柱的去除率分别为10%、3%以及5%。在交替轮回的一个周期内,由于铝盐混凝剂和高分子絮凝剂投量减小,颗粒的粒径减小,反之,颗粒粒径增大。在流化床多次轮回切换,颗粒污泥多次经历“破碎——成长——再破碎——再成长”的过程中,颗粒的有效密度并未发生明显变化,且此条件下形成的颗粒污泥仍保持着紧实的结构。流化床中的颗粒能保持良好的动态稳定性。

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1 绪论

1.1 污水处理单元技术的发展

1.2 污水处理组合工艺的发展

1.3 课题来源

1.4 论文研究概要

2 研究方法

2.1 实验装置设计

2.2 实验条件

2.3 样品采集方法

2.4 分析方法

3 生物造粒流化床对溶解性污染物的去除特性

3.1 生物造粒流化床运行特性

3.2 生物造粒流化床的溶解性污染物的去除特性

3.3 生物造粒流化床对溶解性污染物的去除机理研究

3.4 本章小结

4 生物造粒流化床中颗粒污泥特性研究

4.1 颗粒污泥的物理特性

4.2 颗粒污泥的生物化学特性

4.3 颗粒污泥的微生物多样性

4.4 本章小结

5 混凝剂对颗粒污泥中功能菌群的影响研究

5.1 PAC和PAM的作用特点

5.2 混凝剂投加对生物量和生物种群影响

5.3 混凝剂的投加对污染物去除的影响

5.5 本章小结

6 生物造粒流化床颗粒污泥的动态稳定性研究

6.1 实验操作

6.2 两柱串联运行条件下溶解性污染物的去除特点

6.3 流化床中颗粒污泥的动态稳定性

6.4 本章小结

7 结论

7.1 结论

7.2 论文创新点

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文