强化好氧污泥反应器污泥颗粒化及稳定运行水力学策略研究

摘要

好氧活性污泥法一直以来是城镇污水及工业废水处理的主流技术，但其存在的脱氮除磷工艺复杂、稳定性差、抗冲击负荷能力弱、剩余污泥产量高及占地面积大等问题成为现有污水厂提标改造的制约因素。好氧颗粒污泥具有致密的物理结构、优异的沉降性能、功能互营的菌群和高浓度的生物量，在泥水快速分离、同步脱氮除磷、有毒物高效降解及剩余污泥减量等方面具有明显技术优势和良好的应用前景。但好氧颗粒污泥在低强度进水条件下颗粒化困难、颗粒结构不稳定、形成与演替机制不明等问题限制了其技术工程应用。目前，有关好氧颗粒污泥的研究主要集中在污泥颗粒化过程影响因素与性能优化、污水处理过程模型模拟、菌群结构分析与微生物学机理等方面，对颗粒化过程中絮体-颗粒演替及相关水力学研究鲜有报道。论文以好氧颗粒污泥工艺快速颗粒化及高效稳定运行为目的，以污泥颗粒化过程与絮体-颗粒演变研究为基础，从颗粒污泥反应器水力学条件入手，开展颗粒污泥反应器水力学参数与构型优化、体系流场与颗粒结构互作机制等研究，取得研究结果如下：
　　1、采用可视化高速摄像技术表征不同表面气速对絮体污泥速度场、死区面积及团聚过程的影响。以紊流强度IR(total)作为流场特征指标，研究发现其随表面气速增加而提高，低表面气速下体系速度场均质化程度高、流场稳定。
　　以团聚体颗粒分率（PRatio）及团聚体平均生命周期（TCluster）作为团聚效果特征指标，通过研究水力条件对絮体团聚效果影响发现，随着紊流强度IR(total)的增加，PRatio与TCluster逐渐降低，絮体团聚效果减弱、颗粒化受抑制。过高的表面气速抑制团聚体形成与污泥颗粒化，而过低的表面气速容易导致反应器底部形成死区、影响系统性能与稳定性。实验条件下1.0 cm s-1的表面气速具有最小的死区面积和较低的紊流强度，有利于好氧污泥颗粒化。
　　2、在低负荷进水条件下研发了基于SRT调控强化低生长速率絮凝菌富集与絮体团聚的运行策略。结果表明，采用SRT调控策略(R1)有效控制SRT，抑制了过量排泥，体系污泥龄维持在12.0±1.5 d，MLSS稳定在11.6±0.2 g L-1，运行43 d后出现了结构稳定的污泥颗粒。相比而言，常规工艺（R2）处理低强度进水时，启动初期存在大量污泥流失、SRT波动明显，反应器难以颗粒化。同时，随着颗粒化程度提高，R1中TN去除率逐渐升高并稳定在65.4±4.3％，而R2中始终以絮体为主，其TN去除率仅为48.9±3.1％。
　　采用SRT调控策略赋予了反应器高污泥浓度与低F/M，多数颗粒污泥内部形成碳酸钙颗粒。推测高生物量条件下，体系具有较高CO2浓度与Ca2+吸附能力，低F/M促进了微生物内源呼吸、提高了体系碱度，为碳酸钙颗粒形成创造了条件。大量钙核的生成强化了絮体的团聚效果，微生物以其为原始核附着、繁殖、生长和富集，促进了污泥颗粒化。但同时，由于采用SRT调控策略后反应器中污泥浓度高、F/M低，导致形成的颗粒粒径较小，反应器脱氮效果有待进一步提高。
　　3、实验发现投加载体能促进低强度进水条件下污泥颗粒化。为进一步强化污泥颗粒化及其过程中污染物去除效果，实验在低负荷进水条件下启动三组SBR反应器，分别投加不同粒径颗粒活性炭(GAC)，采用可视化技术研究载体粒径对反应器流场及团聚效果的影响。结果表明，具有高比表面积、zeta电位和良好沉降性的0.2mmGAC能有效促进污泥颗粒化，最终形成了具有良好污染物去除效率的成熟颗粒污泥，而投加0.6mmGAC反应器污泥颗粒化强化作用不明显。
　　多相流模拟研究发现，GAC与絮体速度场差异随着GAC粒径的增加迅速增大，团聚效果随之受到抑制。粒径为0.2 mm的GAC具有与絮体相似的速度场分布，而0.6 mm GAC与絮体速度场分布的差异是0.2 mm GAC的7.62倍。同时，投加0.6mm GAC中絮体-GAC团聚体的比例及生命周期分别为投加0.2mmGAC的55.6％和38.5％，GAC与絮体速度场差异的增加降低了团聚效果，最终影响颗粒化效果。研究发现投加具有与絮体相似速度场的GAC（粒径0.2 mm）能作为原始核促进絮体-GAC团聚，进而强化低强度进水条件下颗粒污泥形成。
　　4、采用总体水力剪切（τtatal）作为体系中颗粒污泥所受水力剪切的特征指标，研究了不同表面气速对水力剪切的影响，为进一步研究反应器水力学调控策略提供理论基础。实验结合反应器内部多相流模拟，创新研发内置筛网型构件的颗粒污泥反应器，通过水力学调控策略强化好氧颗粒污泥运行稳定性。
　　提高大粒径颗粒污泥所受水力剪切能抑制粒径过度增长，对好氧颗粒污泥反应器稳定运行具有重要意义。水力学研究发现，颗粒污泥所受的水力剪切随表面气速的增加提高，但趋势逐渐减缓。当表面气速从1.0 cm s-1提高至4cm s-1时，曝气强度增加了4倍，而大颗粒污泥总体水力剪切（τtotal）仅增加了1.53±0.08倍。同时，过高的表面气速抑制了团聚体的形成，导致反应器中新生污泥颗粒化困难。采用提高表面气速强化反应器稳定性效果不佳，且造成了能耗浪费。
　　基于反应器内部多相流模拟结果，创新研发内置筛网型构件的颗粒污泥反应器，通过选择性分配水力剪切，在低表面气速下优化颗粒污泥粒径分布。研究发现，新型反应器(R1)中68.3±1.4％的颗粒污泥处于最佳粒径范围内(700-1900μm)，而常规反应器(R2)仅为29.7±1.1％。R1中TN的去除率达到81.6±2.1％，高于R2（48.1±2.7％）。
　　研究表明，R1反应器内大颗粒污泥受水力剪切增加的同时（R2的3.07±0.14倍），小颗粒污泥所受水力剪切降低（R2的70.7±4.6％)，实现了水力剪切的选择分配，促进了对颗粒粒径分布的优化。进一步分析R1中大颗粒污泥结构发现，R1大颗粒污泥具有致密的表观结构和无机内核(Ca5(PO4)3OH)，颗粒稳定性明显增强;而R2颗粒污泥结构松散并具有贯通通道结构和内部空腔，颗粒结构不稳定，反应器易失稳。
　　通过研究得到结论，低表面气速条件下(1 c ms-1)运行颗粒污泥工艺具有流场稳定，能耗低的特点。通过SRT调控、载体投加及内构件优化等策略能明显优化反应器水力条件，强化颗粒污泥形成与结构稳定，为好氧颗粒污泥工艺快速颗粒化及高效稳定运行的工艺调控策略提供有力支撑。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 好氧颗粒污泥研究进展

1．1．1 影响好氧颗粒污泥形成的因素

1．1．2 颗粒污泥工艺强化稳定运行研究

1．1．3 颗粒污泥形成机制

1．1．4 好氧颗粒污泥的工业化应用

1．2 生物反应器水力学研究

1．2．1 水力学参数对系统性能、颗粒特性的影响

1．2．2 水力学特征参数主要表征方法

1．2．3 反应器构型对内部流场的影响研究

1．3 研究的目的、意义及主要内容

1．3．1 研究的目的与意义

1．3．2 主要研究内容

1．4 技术路线

第二章 好氧污泥颗粒化过程水力学影响研究

2．1 材料与方法

2．1．1 试验装置

2．1．2 接种污泥

2．1．3 水力学测定项目与方法

2．1．4 颗粒化测定项目及方法

2．1．5 其他测定项目及方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 颗粒污泥反应器流场分析

2．2．2 絮体团聚特性分析

2．2．3 流场波动性对絮体团聚效果的影响

2．3 本章小结

第三章 SRT对污泥颗粒化及其稳定性影响

3．1 材料与方法

3．1．1 试验装置

3．1．2 测定项目及方法

3．3 结果与分析

3．3．1 反应器污泥特性变化

3．3．2 反应器污染物去除性能变化

3．3．3 反应器污泥粒径变化

3．3．4 颗粒污混微观结构变化

3．3．5 碳酸钙内核形成机理

3．3．6 SRT调控策略促进污泥颗粒化机理

3．4 本章小结

第四章 投加载体对反应器流场及污泥团聚与颗粒化效果的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 试验装置

4．1．2 测定项目及方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 投加GAC对反应器污染物去除效果影响

4．2．2 投如GAC对额粒污泥性状影响

4．2．3 投加GAC对颗粒表面性状及粒径分布影响

4．2．4 污泥及颗粒微观结构变化

4．2．5 反应器中团聚现象研究

4．2．6 载体柱径对水力学参数影响研究

4．2．7 原始核对絮体团聚的影响机制

4．3 本章小结

第五章 新型强化稳定运行颗粒污泥反应器研发与运行性能

5．1 材料与方法

5．1．1 测定项目及方法

5．1．2 测定项目及方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 不同表面气速对大颗粒速度场分布影响

5．2．2 不同表面气速对大颗粒应力分布影响

5．2．3 不同表面气速对大颗粒固含率分布影响

5．2．4 不同表面气速对大颗粒总体水力剪切(τtotal)影响

5．2．5 创新工艺污染物去除性能

5．2．6 创新工艺颗粒污泥特性变化

5．2．7 内构件对颗粒污泥微观结构影响研究

5．2．8 好氧颗粒污泥的3D重建

5．2．9 内构件对大颗粒污泥水力条件影响

5．2．10 内构件对小颗粒污泥水力条件的影响

5．2．11 水力调控策略对颗粒稳定性及污染物去除作用机制

5．3 本章小结

第六章 主要研究结论与展望

6．1 论文的主要研究结论

6．2 论文的创新之处

6．3 论文的不足与展望

参考文献

作者简历