低碳源污水厂TN提标运行优化及玉米芯碳源强化脱氮技术

摘要

面对越来越严格的污水排放限值，投加外碳源是低碳源污水厂实现TN达标排放不得不采取的措施。目前，污水厂为了提高脱氮效果，大多采用了较高DO控制的完全硝化运行模式，这种运行模式加剧了低碳源污水处理厂碳源匮乏的矛盾。通过运行优化，提升污水自身碳源的脱氮能力，对降低外碳源投加量具有积极意义。大量工程实践表明，污水厂末端增加反硝化滤池，可以提高脱氮效果，但投加低分子碳源有机物，潜在出水COD浓度增加以及低分子碳源的运输和储存安全风险。在这种情况下，固体碳源反硝化滤池逐渐成为了新研究热点。现有研究表明，人工合成固体碳源脱氮效果好，但价格昂贵；天然固体碳源价格低廉，但脱氮速率慢。因此，针对天然固体碳源材料的性质，研究脱氮速率的提升方法，对推进天然固体碳源材料的应用具有积极意义。　　论文以重庆某低碳源污水厂TN提标技术改造为背景，在运行优化的基础上，重点研究天然固体碳源玉米芯脱氮技术。为了保证低碳源污水厂运行优化研究的边界可控，以重庆某低碳源污水厂设计参数为参考，在污水厂新建了日处理规模为48m3的A2/O氧化沟中试装置，以污水厂运行参数的基础，在中试装置上进行了运行优化研究。在运行优化的基础上，将价格低廉玉米芯天然固体碳源填充在A2/O工艺缺氧池中，研究了缺氧池玉米芯固体碳源A2/O氧化沟在不同工况下的脱氮性能、缺氧池的反硝化动力学、微生物群落特征。得到如下研究结论：　　①以重庆某低碳源污水厂运行参数的基础，将中试装置好氧池末端溶解氧控制在2.3mg/L，根据污水厂可调运行参数（HRT、回流比）进行了运行优化。研究结果表明：短HRT系统出水总氮中氨氮比例较高，限制了脱氮效率进一步提高；高回流比R将诱导缺氧池缺氧环境破坏，不利于反硝化脱氮。综合处理效果和能耗，建议处理低碳源污水时HRT宜控制为8h、内回流比R宜小于200%，出水TN浓度变化范围14.81～17.69mg/L、TN平均去除率为66%。　　②用扫描电镜技术研究了玉米芯固体碳源的表面特性，通过浸泡实验研究了玉米芯的碳源溶出释放特性。研究结果表明：玉米芯表面粗糙，经微生物利用后，出现的大量疏松密集的孔洞增加了可供微生物附着的容量。玉米芯浸出液C/N比大于134，不会增加系统的氮负荷；挂膜后玉米芯初期水解速度加快，减少了系统初始装填量、利于装填后系统的快速启动，每日浸出COD量达到0.048mg/（L·g）。　　③对不同工况的缺氧池玉米芯固体碳源A2/O系统的脱氮效果进行研究。研究结果表明：在运行参数优化的基础上，填充玉米芯固体碳源后，低碳源污水处理系统的脱氮效率随内回流比增加而增加，当R=200%时，可保证出水TN小于15mg/L；当R=300%时，可保证出水TN小于8mg/L。短HRT、高溶解氧系统的缺氧池对回流的高溶解氧具备缓冲能力，在短HRT时整体保持稳定的脱氮效率，当R≥200%时，可保证缺氧池溶解氧维持在0.23mg/L左右，出水TN小于11mg/L。冬季低温系统的脱氮效率随着HRT的延长而增加，当HRT≥10h时，可保证出水氨氮小于3mg/L，出水总氮小于12mg/L。缺氧池玉米芯固体碳源A2/O系统在不同工况条件下的出水COD浓度小于25mg/L、无色度超标风险。　　④对缺氧池反硝化动力学、微生物群落特征进行研究。研究结果表明：生物膜利用玉米芯脱氮的反硝化速率更快，其玉米芯的反硝化速率为0.71mg/(g·h)。生物膜富集了Unclassified_f_Methylophilaceae、Hyphomicrobium、Terrimonas等反硝化细菌，悬浮污泥细菌主要是Unclassified_f_Anaerolineaceae等污水厂常见的发酵细菌。在缺氧池系统中还存在许多能够对纤维素降解的真菌微生物，例如unclassified_p__Rozellomycota、Trichosporon、Candida、Penicillium等。它们在缺氧池中互相支撑配合，共同对玉米芯等碳源进行水解发酵，利用分解后的小分子碳源进行反硝化。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2.1 影响低碳源污水厂脱氮效率的主要因素

1.2.2 污水原生碳源高效利用技术

1.2.3 外加碳源强化脱氮技术

1.2.4 低碳耗生物脱氮新技术研究现状

1.3.1 固体碳源反硝化脱氮机理

1.3.2 固体碳源种类

1.3.3 影响固体碳源反硝化效率的主要因素

1.3.4 固体碳源反硝化工艺研究现状

1.3.5 固体碳源反硝化脱氮微生物特性

1.4.1 课题提出

1.4.2 任务目标

1.4.3 研究内容

1.4.4 课题来源

2 实验装置与研究方法

2.1 实验装置

2.1.1 低碳源污水处理系统A2/O氧化沟中试装置

2.1.2 缺氧池玉米芯固体碳源-A2/O氧化沟中试装置

2.1.3 运行方式

2.2 研究方法

2.2.1 低碳源污水厂运行优化研究方法

2.2.2 缺氧池玉米芯固体碳源-A2/O氧化沟的脱氮性能试验

2.2.3 缺氧池玉米芯固体碳源-A2/O氧化沟微生物特性研究方法

2.3.1 实验水质

2.3.2主要指标测试方法

3 低碳源污水处理系统的运行优化及脱氮效果

3.1 A2/O氧化沟中试装置的启动

3.2 HRT对于低碳源污水处理系统脱氮的影响

3.2.1 对出水TN的影响

3.2.2 对出水NH4+-N、NO3--N的影响

3.2.3 对出水COD的影响

3.3 内回流比R对于低碳源污水处理系统脱氮的影响

3.3.1 对出水TN的影响

3.3.2 对出水NH4+-N、NO3--N的影响

3.3.3 对出水COD的影响

3.4 本章小结

4 缺氧池玉米芯固体碳源-A2/O氧化沟的脱氮性能

4.1.1 玉米芯固体碳源的表面特性

4.1.2 玉米芯固体碳源的碳释放特性

4.2 缺氧池玉米芯固体碳源-A2/O氧化沟脱氮效果

4.2.1 缺氧池玉米芯固体碳源-A2/O氧化沟的启动

4.2.2 工况一的脱氮效果

4.2.3 工况二的脱氮效果

4.2.4 工况三的脱氮效果

4.3 缺氧池玉米芯-A2/O氧化沟系统微生物特性及脱氮动力学

4.3.1 缺氧池玉米芯固体碳源系统膜生物与悬浮污泥的脱氮动力学

4.3.2 缺氧池玉米芯固体碳源系统微生物多样性

4.4 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参 考 文 献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢