強(qiáng)化反硝化吸磷的低碳源污水處理技術(shù)

【摘要】：在生物除磷脫氮過程中,有機(jī)物(COD/BOD)不僅為生物脫氮過程提供了電子供體、而且也通過生物同化為生物除磷過程提供了富磷污泥載體,因此,有機(jī)物已經(jīng)成為保證生物除磷脫氮效果的一個重要的碳資源。在低碳源污水處理系統(tǒng)中,如何提高有機(jī)物的利用率、優(yōu)化污水處理工藝,已成為低碳源污水處理領(lǐng)域保障除磷脫氮效果亟待解決的問題。筆者所在課題組基于傳統(tǒng)生物除磷脫氮理論,分析了生物除磷脫氮的碳耗,發(fā)現(xiàn)去除單位磷需要的有機(jī)碳源是去除單位硝態(tài)氮的6.1倍,認(rèn)為改變生物除磷方法有利于開發(fā)低碳源污水除磷脫氮技術(shù)。在綜合分析現(xiàn)有污水除磷脫氮技術(shù)時進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),低DO控制運(yùn)行模式,可以降低有機(jī)物的無效氧化;利用反硝化聚磷菌能夠消除聚磷菌和反硝化菌之間的碳源競爭和控制污泥齡(SRT)的矛盾;將剩余污泥碳源化轉(zhuǎn)化,可以彌補(bǔ)系統(tǒng)的碳匱乏;同時,輔以厭氧釋磷污水側(cè)流除磷技術(shù),可以消除除磷效果對生物同化能力以及剩余污泥排放量的依賴?；诖藰?gòu)建了集強(qiáng)化反硝化吸磷、側(cè)流除磷、低DO控制、剩余污泥碳源化補(bǔ)碳的低碳源污水脫氮除磷技術(shù)LCS-SDS(Low carbon consumption Sewage Disposal System),并進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。主要內(nèi)容包括:低碳源污水的反硝化吸磷特性研究、剩余污泥水解酸化碳源化轉(zhuǎn)化特性、DO對除磷脫氮過程的影響、LCS-SDS系統(tǒng)的運(yùn)行特征及除磷脫氮性能。得出以下主要試驗(yàn)結(jié)論:1)在研究低碳源污水反硝化吸磷特性時發(fā)現(xiàn):LCS-SDS系統(tǒng)能夠充分利用回流釋磷污泥攜帶的胞內(nèi)PHB以及上周期殘留的NO3--N,強(qiáng)化缺氧反硝化吸磷作用。同時降低殘留NO3--N對后續(xù)厭氧段的影響,系統(tǒng)厭氧末端和好氧末端磷濃度分別為5.8mg/L、1.1mg/L,出現(xiàn)了明顯的厭氧釋磷和好氧吸磷現(xiàn)象。論文利用微量熱法對反硝化吸磷進(jìn)行熱力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)Na Ac作為碳源時,傳統(tǒng)生物除磷方式的摩爾電子產(chǎn)熱量約為反硝化除磷系統(tǒng)的一半,即反硝化吸磷系統(tǒng)碳源有機(jī)物用于氧化還原反應(yīng)明顯多于傳統(tǒng)生物除磷系統(tǒng),這說明厭氧/缺氧環(huán)境下生長的反硝化吸磷菌較厭氧/好氧環(huán)境下生長的聚磷菌增殖速率慢,污泥產(chǎn)率低。生物能學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,傳統(tǒng)除磷系統(tǒng)和反硝化吸磷系統(tǒng)污泥產(chǎn)率分別為0.36 g VSS/g COD、0.04g VSS/g COD。進(jìn)一步分析熱力學(xué)分析還發(fā)現(xiàn),反硝化吸磷過程較傳統(tǒng)除磷脫氮方式可節(jié)省碳耗量約29.4%。此外,研究還表明反硝化吸磷系統(tǒng)最佳SRT為32d,SRT過長或過短,其厭氧段合成的PHB較少,而缺氧段放熱量高,用于吸磷的能量也少。2)反硝化吸磷因素影響試驗(yàn)結(jié)果表明:反硝化吸磷作用主要取決于缺氧段中電子受體NO3--N濃度和胞內(nèi)PHB含量,延長缺氧時間不能提高反硝化吸磷作用。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)污泥齡(SRT)對反硝化吸磷過程有明顯的影響,反硝化吸磷系統(tǒng)最佳污泥齡為20-25d,過低或過高的污泥齡都會致使系統(tǒng)的處理效果下降。3)DO對系統(tǒng)除磷脫氮影響的試驗(yàn)表明:LCS-SDS系統(tǒng)最佳DO工況為0.21mg/L,此時,出水COD、NH4+-N、TN、TP均能穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo),其中出水NH4+-N平均濃度僅為0.3mg/L,去除率達(dá)到了98.6%,系統(tǒng)硝化效果并未受到明顯的抑制。進(jìn)一步的周期試驗(yàn)結(jié)果表明,DO會對系統(tǒng)脫氮途徑多樣化產(chǎn)生一定影響,DO濃度為0.1 mg/L會使前缺氧段中的反硝化吸磷作用消失。試驗(yàn)結(jié)果還表明DO為0.21mg/L時具有好氧段碳源的有效利用率最高,SND碳耗占好氧段總碳耗的58%,遠(yuǎn)大于其余兩組工況。此外,DO為0.21mg/L的系統(tǒng)中同時存在著三種脫氮途徑,分別為反硝化吸磷(15%)、缺氧反硝化(70%)和SND(15%),具有最佳的脫氮除磷效率,其較ERP-SBR系統(tǒng)理論上可以節(jié)省脫氮除磷過程碳耗量約27.4mg/L。4)在研究剩余污泥水解酸化碳源化轉(zhuǎn)化特性時發(fā)現(xiàn):序批式反應(yīng)過程投加接種污泥,對提高剩余污泥降解效率的作用不明顯,但是能夠改善發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)酸特性。VS降解效率與剩余污泥投配比成正比。試驗(yàn)表明,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)酵至第5天或第25天,剩余污泥投配比范圍在60%~80%之間時,此時,系統(tǒng)發(fā)酵液中的VFAs濃度最高可達(dá)到600mg/L左右,而且系統(tǒng)也具有較佳的VFAs表觀轉(zhuǎn)化率(約24%)。而連續(xù)投加剩余污泥運(yùn)行模式下,試驗(yàn)最佳剩余污泥投加量范圍為4.0~5.5g/d,此時,污泥負(fù)荷率(Nfs)在0.048~0.053 g剩余污泥/(g MLSS·d)之間,系統(tǒng)穩(wěn)定后,VFAs的表觀轉(zhuǎn)化率相對較高約為6.5%,且穩(wěn)定后發(fā)酵液中VFAs濃度可達(dá)430mg/L,VFAs/COD比值為40%左右,較其他剩余污泥投加水平要高,是連續(xù)投加剩余污泥動態(tài)運(yùn)行發(fā)酵工藝較為理想的運(yùn)行條件。5)在研究水解發(fā)酵基質(zhì)對LCS-SDS系統(tǒng)除磷脫氮性能影響時發(fā)現(xiàn):當(dāng)發(fā)酵液中SCOD和VFAs平均濃度分別為1690mg/L、295mg/L時,LCS-SDS利用剩余污泥碳源化基質(zhì)作為釋磷碳源時,釋磷池依然具有穩(wěn)定的釋磷效果,平均釋磷量達(dá)到了42.0 mg/L。較以乙酸鈉為釋磷碳源的系統(tǒng),以污泥水解基質(zhì)為釋磷碳源時,不僅不會影響系統(tǒng)主體反應(yīng)器中脫氮方式多樣性,而且LCS-SDS系統(tǒng)的前缺氧段反硝化吸磷作用得到增強(qiáng)。此外,盡管污泥水解基質(zhì)會增加釋磷池上清液中的氮磷鹽濃度,但不會對LCS-SDS系統(tǒng)總體脫氮除磷效果造成明顯影響。表明污泥水解液基質(zhì)作為系統(tǒng)補(bǔ)充碳源是可行的。6)在研究LCS-SDS系統(tǒng)總體運(yùn)行效果時發(fā)現(xiàn):在進(jìn)水平均C/N(BOD/TN)、C/P(BOD/TP)比值范圍分別為2.6、14.3的條件下,LCS-SDS系統(tǒng)在好氧段平均DO濃度為0.21mg/L,SRT為40d,污泥外循環(huán)比10%,LCS-SDS系統(tǒng)總體運(yùn)行效果良好,出水各項(xiàng)指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級A標(biāo)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),污泥外循環(huán)比降至8%左右也能滿足系統(tǒng)除磷要求。7)在研究LCS-SDS系統(tǒng)微生物特性時發(fā)現(xiàn):PCR-DGGE技術(shù)分析表明LCS-SDS系統(tǒng)有助于DPAOs的繁殖生長,但會抑制PAOs和GAOs。此外,根據(jù)Biolog數(shù)據(jù)計(jì)算得到的功能多樣性指數(shù)表明LCS-SDS與接種污泥相比,其生物多樣性基本沒有變化,而主要的優(yōu)勢菌發(fā)生了改變,這與PCR-DGGE的結(jié)果相似。這表明LCS-SDS系統(tǒng)具有強(qiáng)化反硝化吸磷作用的功能,且在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了脫氮除磷方式的多樣化。從穩(wěn)定運(yùn)行的低碳源污水處理系統(tǒng)LCS-SDS分離鑒定可得三株反硝化吸磷菌,分別命名為Klebsiella pneumoniae strains13#,Ralstonia pickettii strain15#,Acinetobacter junii strain17#,其中,13#為低碳源條件下高效的反硝化吸磷菌。此外,還發(fā)現(xiàn)除17#外,13#和15#均具有好氧反硝化能力。 【關(guān)鍵詞】：污水處理 除磷脫氮 反硝化吸磷 微量熱法 側(cè)流除磷 化學(xué)除磷
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X703
【目錄】：

• 中文摘要3-6
• 英文摘要6-14
• 1 概述14-22
• 1.1 污水處理系統(tǒng)的碳源有機(jī)污染物14
• 1.2 城鎮(zhèn)污水水質(zhì)特征及除磷脫氮存在的問題14-16
• 1.2.1 城鎮(zhèn)污水水質(zhì)特征14-15
• 1.2.2 低碳源污水同步脫氮除磷存在的問題15-16
• 1.3 生物除磷脫氮過程碳源消耗量分析16-22
• 1.3.1 傳統(tǒng)生物脫氮碳源消耗量分析16
• 1.3.2 傳統(tǒng)生物除磷碳源消耗量分析16-18
• 1.3.3 降低生物除磷脫氮碳源消耗量的途徑分析18-22
• 2 污水脫氮除磷新技術(shù)研究現(xiàn)狀22-32
• 2.1 生物脫氮新技術(shù)22-25
• 2.1.1 短程硝化反硝化23-24
• 2.1.2 厭氧氨氧化技術(shù)及全程自養(yǎng)脫氮工藝24
• 2.1.3 同時硝化反硝化技術(shù)（SND）24-25
• 2.2 生物除磷新技術(shù)25-28
• 2.2.1 反硝化吸磷25-26
• 2.2.2 側(cè)流除磷技術(shù)26-28
• 2.3 剩余污泥碳源化技術(shù)28-29
• 2.4 低 DO 控制技術(shù)29
• 2.5 課題的提出及主要研究內(nèi)容29-32
• 2.5.1 課題的提出及研究目的29-30
• 2.5.2 主要研究內(nèi)容30
• 2.5.3 課題來源30-32
• 3 低碳源污水除磷脫氮系統(tǒng)構(gòu)的建及研究方法32-42
• 3.1 低碳源污水除磷脫氮系統(tǒng)的構(gòu)建32-36
• 3.1.1 系統(tǒng)構(gòu)建的理論基礎(chǔ)32-33
• 3.1.2 低碳源污水除磷脫氮系統(tǒng)LCS-SDS33-34
• 3.1.3 LCS-SDS系統(tǒng)運(yùn)行方式34-36
• 3.2 研究內(nèi)容及方法36-37
• 3.2.1 低碳源污水反硝化吸磷特性及影響因素研究36-37
• 3.2.2 溶解氧對LCS-SDS系統(tǒng)的影響37
• 3.2.3 污泥水解碳源化轉(zhuǎn)化特性及對LCS-SDS系統(tǒng)的影響37
• 3.3 試驗(yàn)水質(zhì)及測試方法37-41
• 3.3.1 試驗(yàn)水質(zhì)37
• 3.3.2 系統(tǒng)微生物特征研究方法37-41
• 3.4 指標(biāo)測試方法及儀器設(shè)備41-42
• 4 新除磷脫氮模式特性研究42-74
• 4.1 低碳源污水反硝化吸磷特性42-44
• 4.1.1 試驗(yàn)方法42
• 4.1.2 系統(tǒng)DO周期變化特征42-43
• 4.1.3 LCS-SDS系統(tǒng)反硝化吸磷特性43-44
• 4.2 反硝化吸磷系統(tǒng)碳耗分析44-57
• 4.2.0 試驗(yàn)方法45-47
• 4.2.1 TBPRS與DPRS反應(yīng)熱變化特征47-49
• 4.2.2 SRT對DPRS反應(yīng)熱的影響49-51
• 4.2.3 反應(yīng)熱和污泥產(chǎn)率的關(guān)系51-54
• 4.2.4 反硝化吸磷系統(tǒng)碳耗量分析54-57
• 4.3 反硝化吸磷因素影響57-73
• 4.3.0 試驗(yàn)方法57-58
• 4.3.1 運(yùn)行工況58-64
• 4.3.2 污泥齡對反硝化吸磷的影響64-70
• 4.3.3 硝態(tài)氮濃度對反硝化吸磷的影響70-73
• 4.4 本章小結(jié)73-74
• 5 DO對系統(tǒng)脫氮除磷過程的影響74-88
• 5.1 試驗(yàn)方法74-75
• 5.2 低DO狀態(tài)下各指標(biāo)的周期變化特征75-81
• 5.2.1 DO周期變化過程75
• 5.2.2 系統(tǒng)COD周期變化75-77
• 5.2.3 不同氮形態(tài)的周期變化過程77-79
• 5.2.4 TP的周期變化過程79-80
• 5.2.5 系統(tǒng)除磷脫氮途徑及其貢獻(xiàn)率80-81
• 5.3 溶解氧對厭氧厭氧強(qiáng)化釋磷池釋磷效果的影響81-83
• 5.4 低DO狀態(tài)下運(yùn)行效果及碳耗分析83-87
• 5.4.1 運(yùn)行效果83-84
• 5.4.2 碳耗分析84-87
• 5.5 本章小結(jié)87-88
• 6 剩余污泥水解酸化碳源化轉(zhuǎn)化特性88-108
• 6.1 試驗(yàn)方法88-90
• 6.1.1 試驗(yàn)裝置88
• 6.1.2 序批式水解發(fā)酵運(yùn)行模式試驗(yàn)88-89
• 6.1.3 污泥序水解發(fā)酵連續(xù)運(yùn)行模式試驗(yàn)89-90
• 6.2 序批式污泥水解產(chǎn)酸及基質(zhì)釋放特征90-97
• 6.2.1 序批式發(fā)酵過程中VS降解過程90-91
• 6.2.2 發(fā)酵液中VFAs和COD濃度及其比值的變化特征91-94
• 6.2.3 發(fā)酵過程中VFAs和COD的轉(zhuǎn)化率94-95
• 6.2.4 發(fā)酵液中NH_4~+-H和PO_4~(3-)-P濃度變化過程95-97
• 6.3 連續(xù)運(yùn)行模式下污泥水解產(chǎn)酸及其基質(zhì)釋放特征97-107
• 6.3.1 動態(tài)發(fā)酵過程中MLSS變化規(guī)律98-100
• 6.3.2 發(fā)酵液中VFAs和COD濃度及其比值變化特征100-103
• 6.3.3 污泥發(fā)酵產(chǎn)酸綜合效果103-105
• 6.3.4 發(fā)酵液中NH_4~+-H和PO_4~(3-)-P濃度變化特征105-107
• 6.4 本章小結(jié)107-108
• 7 LCS-SDS系統(tǒng)總體運(yùn)行效果及污泥特性分析108-128
• 7.1 LCS-SDS運(yùn)行效果108-117
• 7.1.1 試驗(yàn)方法108-109
• 7.1.2 堿解發(fā)酵上清液水質(zhì)特征109-110
• 7.1.3 系統(tǒng)COD去除效果110-111
• 7.1.4 系統(tǒng)脫氮效果及變化特征111-112
• 7.1.5 系統(tǒng)除磷效果及變化特征112-113
• 7.1.6 側(cè)流除磷池釋磷效果分析113-114
• 7.1.7 LCS-SDS系統(tǒng)各脫氮行為分析114-115
• 7.1.8 系統(tǒng)除磷行為分析及系統(tǒng)磷平衡115-117
• 7.2 系統(tǒng)微生物特性與污泥特性分析117-121
• 7.2.1 反應(yīng)器菌群結(jié)構(gòu)分析117-119
• 7.2.2 生物代謝特性分析119-121
• 7.3 低碳源污水系統(tǒng)中反硝化吸磷菌的分離121-127
• 7.3.1 菌株分離實(shí)驗(yàn)方法121-123
• 7.3.2 菌株分離鑒定123-125
• 7.3.3 低碳源條件下的脫氮除磷效率試驗(yàn)125-127
• 7.4 本章小結(jié)127-128
• 8 結(jié)論與建議128-132
• 8.1 結(jié)論128-130
• 8.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)130
• 8.3 建議與展望130-132
• 致謝132-134
• 參考文獻(xiàn)134-144
• 附錄144
• A. 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文144
• B. 作者在攻讀學(xué)位期間主研和參與的科研成果144

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