亚硝化细菌应用于生物滤池及反渗透深度处理城市污水现场中试研究

摘要

从我国水环境形势来看，NH<,3>-N污染已成为我国水污染的主要问题，而目前我国的污水处理厂无论是工业废水还是生活污水脱氮比例及效率皆是很低的，所以有必要针对低浓度废水的脱氮问题探讨更为切实有效的工艺。本文结合我国城市污水处理厂出水的实际水质特征进行深度处理以满足电厂用水的需要，主要对亚硝化细菌筛选及其应用于生物滤池技术进行重点研究，在注重工程实际应用的同时，从理论上阐述了采用亚硝化细菌强化处理低氨氮浓度废水短程硝化的可行性。然后在此基础上，生物滤池出水进行预处理后进入低压反渗透系统进行脱盐处理，初步探讨了工艺参数。具体实验过程如下： 1.为了在最大程度上实现低浓度废水的短程硝化去除氨氮，首先以山东济南污水处理厂二沉池污泥为底物，经过亚硝化细菌富集培养基富集培养和硅胶平板分离，利用肉汤蛋白胨培养基检测异养细菌，最终筛选纯化得到6株较优亚硝化细菌。在考察氨氮去除性能的基础上，重点研究了一株最优细菌YB一2的去除氨氮特性。 (1)对YB-2细菌进行了测序，将所测的序列经校对后，通过Blast程序在GenBank中核酸数据进行比对分析，与亚硝化单胞菌GH22 amoA基因(AF327917.1)有较高同源性，同源性98％，并进行了系统发育分析。 (2)亚硝化细菌YB-2可有效降解在250mg/L以下范围的氨氮浓度的废水，且随氨氮浓度的增加降解速度增加，但经过3天的降解后氨氮去除效果不再明显，去除率均在30％以上。 (3)亚硝化细菌去除不同pH氨氮废水，其最佳pH=8左右。pH值超过8以后，亚硝化细菌在开始的2天作用不好，但会从第3天开始去除效果变好。pH值低于7，亚硝化细菌也有去除氨氮作用，但是去除率较小。 (4)亚硝化细菌处理氨氮废水适宜温度在25--30℃范围，温度低于20℃去除率下降，高于30℃也会下降。该亚硝化细菌对溶解氧浓度要求较低，静止状态下对氨氮也有较好处理作用。亚硝化细菌去除氨氮废水周期较长，采取载体长时间培养可以获得比较稳定的亚硝化细菌生物膜，这样可以大大加快氨氮去除速度，实验发现陶粒适合亚硝化细菌的生长，且从机械强度和长期使用考虑，有利于亚硝化细菌发挥更好的去除氨氮的作用。 2.为了能够有效地实现城市污水处理厂出水的氨氮短程去除，本文采用亚硝化细菌强化一级好氧生物滤池工艺。然后二级缺氧滤池在有碳源加入的条件下实现脱氮。一级好氧生物滤池采取投加优势菌亚硝化细菌和二级缺氧生物滤池自然挂膜培养方式，在水温24～30℃，只用10d就完成了启动挂膜过程，比一般的生物挂膜方法缩短10天左右。 (1)探讨了实现短程硝化的最佳运行参数和效果。实验研究主要包括：运行时间、气水比、反冲洗、水力负荷、温度、及污染物负荷等内容。通过现场实验得到滤池最佳工艺参数为：控制滤速为5-8m/h均可，从去除氨氮、COD角度一级滤池采用气水比为0.5-1：1为最佳，但从实现短程硝化角度，最佳的气水比为0.5：1。在一级好氧生物滤池中，氨氮和COD的去除呈阶梯分布，有一定程度的同步短程硝化反硝化现象。在实现氨氮有效去除的基础上，选择气水比0.5：1可以实现最大化的亚硝酸盐积累，同时有效避免硝酸盐氮的增加，实现总氮的良好去除。最初一级滤池出水硝酸盐氮浓度呈现下降的趋势，随时间延长有升高的现象，说明硝酸细菌的活动从无到有，但是控制最佳运行条件可以较好的实现亚硝酸盐的积累，避免硝酸盐的升高。较低的溶解氧和采用亚硝化细菌先期挂膜是控制氨氮一般不会转化为硝酸盐氮的主要原因。反冲洗有利于亚硝酸盐的积累，但是对COD去除影响较大。 (2)研究表明影响短程硝化的原因主要是硝酸细菌的持续生长所致，采取亚硝化细菌先期挂膜和适中的气水比的方法可使亚硝化细菌稳定维持活性，在氨氮浓度不是太高的城市污水中具有较长的使用时间，并且实现氨氮和总氮的良好去除。 (3)生物相特征表明采用优势亚硝化细菌启动强化先期挂膜，由于没有受到异养细菌的干扰，挂膜效果比较好。亚硝化细菌倾向于聚集在附着物表面。但是随着进水时间的延长，亚硝化细菌在进水端容易被异养细菌覆盖，而随着高度增加，被覆盖的情况减少。好氧条件下填料生物膜结构与缺氧填料有所不同，即使在好氧滤池的不同部位也有所区别。在溶解氧较为丰富的环境由于异养细菌的生长，也可以在填料内部产生厌氧微环境，具备反硝化细菌的生长条件。好氧滤池不同填料高度的陶粒表面的微生物相的差异性可从亚硝化菌和异养细菌所占比例的不同解释。亚硝化菌作为专性好氧化能自养菌，能在一级好氧生物滤池中保持一定的优势地位。扫描电镜对生物膜进行观察，发现亚硝化细菌和异养细菌共同生长，但是不同部位比例有差异。另一方面，好氧滤池填料生物膜结构与有机物丰富的缺氧滤池明显不同，缺氧滤池中主要为分布较为集中的反硝化细菌和异养细菌。 3.为了生物滤池出水进一步处理后满足锅炉补充水的脱盐要求，采用了反渗透系统脱盐处理。初步分析了影响膜组件运行的因素，操作压力对膜的水通量和处理效果有直接影响。本从操作条件来看，在0.8--1.2MPa，纯水流量逐步增加，浓水流量逐渐减少，但超过1.2MPa，浓水流量下降很快，出水流量增加不大。在本试验中，低压RO的操作压力定在1.0MPa。随着操作压力的升高，膜的脱盐率基本变化不大，以操作压力为1Mpa电导率最小，此时纯水的回收率为34％。随着操作时间的增加，纯水流量为600 L/h和720 L/h时膜的水通量和脱盐率基本保持不变。纯水流量在5-25℃之间随温度升高而线性增加。 主要创新点： ①从污水处理厂污泥富集分离纯化获得了6株亚硝化细菌，采用其中一株YB-2进行废水处理特性研究，结果表明该菌对氨氮降解速度快，对pH适应范围广，对溶解氧要求低，对载体有依附性，适合对250mg/L以下氨氮浓度的处理，提供了一种实现短程硝化的新思路。 ②向好氧生物滤池中投加YB-2富集液，控制滤池氨氮浓度为50mg/L，闷曝3天，接种YB-2亚硝化细菌于滤料表面，然后连续进水，实现亚硝化细菌强化短程硝化好氧和缺氧生物滤池工艺快速启动，比一般的挂膜方法缩短10天，强化了对氨氮的去除。 ③通过6个月亚硝化细菌强化短程硝化好氧一缺氧两级生物滤池处理城市污水处理厂出水的中试试验，探讨了在氨氮浓度变化较大的条件下，实现短程硝化的最佳工艺条件，研究了滤池生物相特征，解释了实现短程硝化反硝化的原因，建立了动力学模型。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2城市污水处理厂出水特征

1.3电厂用水分析

1.4二级出水再处理技术

1.5国内外城市污水二级出水深度处理研究现状

1.6本研究的来源与内容

第二章 高效亚硝化细菌的筛选分离与特性

2.1前言

2.2高效亚硝化细菌筛选与分离

2.3 YB-2亚硝化细菌的实验研究

2.4本章小结

第三章 生物滤池处理二级出水的中试工艺

3.1前言

3.2试验装置参数

3.3出水水质特征

3.4水质分析方法

3.5工艺启动及运行

3.6生物滤池工艺性能研究

3.7一级好氧滤池中短程硝化和同步反硝化探讨

3.8化学和生化分析

3.9本章小结

第四章 滤池生物相特征及动力学

4.1前言

4.2材料与方法

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 城市污水深度脱盐

5.1前言

5.2反渗透预处理工艺选择

5.3反渗透脱盐实验研究

5.4本章小结

第六章 经济与社会效益分析

6.1经济分析

6.2社会效益分析

第七章 结论与建议

7.1结论

7.2建议

7.3主要创新点

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文

发表论文一

发表论文二