缺氧/好氧移動床生物膜反應器處理城市污水的效能研究

【摘要】：城市化和城市人口的增加，導致了污水排放量的增加，同時減少了可新建污水處理設施的用地面積。為了得到更好的處理效率而多次改良的活性污泥法，在運行中也出現一些弊端（如污泥膨脹，污泥上浮等），從而大大降低了污水處理工藝的效率，增加了反應器容積，最終增加了用地面積，特別是營養(yǎng)元素，如氮和磷的處理，因為處理氮磷要比處理其他有機物花費更多的時間。因此有必要尋找新的處理工藝，以優(yōu)化出水效果，減小用地面積。移動床生物膜反應器（MBBR）也就應運而生。MBBR是一種連續(xù)流工藝，它結合了兩種不同的處理方法（附著式和懸浮式），利用高密度聚乙烯（HDPE）表面積大和密度小的特點，來增加反應器的附著微生物量。反應器內，在好氧區(qū)的曝氣作用，以及在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的機械攪拌作用下，小型載體填料與污水充分混合，從而提高了反應器的處理效能。 本文研究了連續(xù)上升流MBBR，即組合圓柱式缺氧/好氧移動床生物膜反應器。該反應器是將缺氧區(qū)放入好氧區(qū)中，缺氧/好氧體積比為1/6，從而實現完全硝化-反硝化過程。這是一種生活污水中，處理有機物質和營養(yǎng)物質更經濟有效的方法。在重慶地區(qū)，針對4萬m3/d處理量的情況下，其中脫氮過程是MBBR設計主要考慮的問題。處理效果必須滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB/T18918-2002）一級B的要求。MBBR缺氧區(qū)填料的懸浮系數（克MLSS/載體）取4來設計的，用以減少其所需的空間，并實現了部分反硝化（硝酸鹽氧化為亞硝酸鹽）及厭氧氨氧化過程，其中約50％氨以亞硝酸鹽作為電子受體，被直接氧化成氮氣。MBBR好氧區(qū)的目的是實現完全硝化過程和有機碳的去除。磷將在缺氧區(qū)和好氧區(qū)中被去除。該系統(tǒng)的主要設計參數的值分別為7/1的氣/水比，100％的硝化液回流比，和6.2h的水力停留時間。該反應器按照完全硝化-反硝化過程操作，嚴格限制總氮，無污泥回流，且只有一個好氧區(qū)到缺氧區(qū)的內循環(huán)。 本文研究的MBBR中試工藝建于重慶市大渡口污水處理廠。該系統(tǒng)是由方形初沉池（由1m×1m×1m的PVC制成），鋼制的缺氧反應器（直徑0.6m，水深0.9米），鋼制的好氧反應器（直徑1.2m，水深2米），以及后面接一個方形澄清池（由1m×1m×1m的PVC制成）組成。Kaldnes（K1）是用作兩個反應器中的填料，它的填充率為50％。該Kaldnes（K1）填料是由聚乙烯（密度為0.93g/cm3）制成，形狀像小圓柱體（直徑約25mm，長10mm），內部具有十字架結構，以提供活性微生物附著的懸浮生長的介質。在100％填充率下，可供微生物附著的有效面積為500m2/m3。從好氧區(qū)曝氣器出來的空氣氣泡和缺氧區(qū)的螺旋槳混合器作用，使得填料懸浮在水中。螺旋槳式混合器，是由位于中央的直徑25cm的雙葉片攪拌器和布置在水面以下20和40cm的槳葉構成，攪拌器轉速為100rpm。填料被小尺寸篩裝置（約2mm開口）保留在反應器中。曝氣系統(tǒng)包括4個細氣泡膜擴散器（4個直徑220mm的曝氣盤）均勻分布在反應器的四周，并固定在距反應器底部0.3m的地方。生活污水經過大渡口污水處理廠預處理設施的初沉池，在這里主要去除廢水中的某些可能會導致后續(xù)處理過程中操作問題的物質，如抹布，棍棒，漂浮物，砂礫和油脂。MBBR缺氧區(qū)在初始階段，接收不斷地從初沉池過來的生活污水，并在穩(wěn)定運行階段同時接收來自初沉池和最終澄清池的生活污水。 這個實驗開始于2012年5月初，2013年3月底結束，大約歷時一年。在正常情況下（T≥15℃），我們調查了在初始階段，一個序批式移動床生物膜反應器（SBMBBR）4周無硝化液回流的處理情況。在此期間，主要觀測到在MBBR缺氧區(qū)和好氧區(qū)中的生物膜的生長和附著填料上的微生物量的增加，同時還發(fā)現活性污泥中微生物濃度有所降低。100rpm的轉速和1.17立方米/小時（7/1的氣水比）的供氣量皆適宜生物膜生長，并沒有引起微生物從填料上的脫落。在第四周結束時，MBBR缺氧區(qū)和好氧區(qū)中MLSSTotal（MLSSSuspension+MLSSAttach）的濃度值分別達到2459mg/L和2914.2mg/L，該中試設備，在水力停留時間（HRT）6.2h，硝化液回流比100％，氣水比為7/1的條件下連續(xù)運行1周，為初始階段做好準備。 在初始階段，發(fā)現在缺氧/好氧MBBR中，pH值與DO濃度呈較明顯的反比關系，反應器中DO濃度直接關系到微生物的活性。對于缺氧區(qū)MBBR的pH與DO而言，較為穩(wěn)定的階段是第17天到第35天的時候，此時的pH值維持在7.5-7.74，DO濃度維持在0.13mg/L-0.17mg/L。對于好氧區(qū)MBBR的pH與DO而言，較為穩(wěn)定的階段是第29天到第35天的時候，此時的pH值維持在7.44-7.45，DO濃度維持在4.34mg/L-4.51mg/L。從運行反應器初始階段到經歷17天后，缺氧/好氧MBBR達到了穩(wěn)定的運行的狀態(tài)，此時COD在厭氧區(qū)和好氧區(qū)的去除率可以相對穩(wěn)定的維持在54.432%和95.67%，而NH4+-N的去除率可以相對穩(wěn)定的維持在14.14%和98.53%。 在通常溫度下(T≥150C)，我們測試了MBBR主要設計參數(氣水比，內回流比，水力停留時間)對整個系統(tǒng)處理效能的影響。通過連續(xù)流運行11周后，我們得到了滿足一級B標(GB/T18918-2002)的最佳運行參數。在運行5周后，我們設計了5個不同的氣水比(5/1,7/1,10/1,14/1和24/1)，來檢測其對生活污水中營養(yǎng)元素的去處效果，每個氣水比穩(wěn)定運行一周，同時維持內回流比為100%和水力停留時間6.2h.實驗結果表明，對于同時去除有機碳和營養(yǎng)鹽的情況下，最佳氣水比值為7/1。在此氣水比7/1，以及缺氧區(qū)和好氧區(qū)的DO分別為4.49mg/L和0.16mg/L的運行條件下，出水中COD含量為18.1mg/L，NH4+-N含量為0.53mg/L，TN含量為14.38mg/L，TP含量為0.34mg/L，可以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB/T18918-2002)一級A標，其中COD, NH4+-N, TN,和TP的平均去除率分別為92.67%，98.83%，71.37%和90.49%。在運行第10周后，我們同樣設計了3個不同的內回流比(50%,100%,和150%)，來檢測其對生活污水中營養(yǎng)元素的去除效果，每個內回流比穩(wěn)定運行一周，同時維持氣水比在最佳運行參數7/1和水力停留時間6.2h.實驗結果顯示，對于同時去除有機碳和營養(yǎng)鹽，最佳內回流比值為100%。在此內回流比100%，以及缺氧區(qū)和好氧區(qū)的DO分別為4.35mg/L和0.19mg/L的運行條件下，出水中COD含量為17.63mg/L，NH4+-N含量為0.49mg/L，TN含量為13.25mg/L，TP含量為0.30mg/L，同樣也可以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB/T18918-2002)一級A標，其中COD,NH4+-N, TN,和TP的平均去除率分別為92.16%,98.84%,71.23%和91%。最后，在運行第13周后，我們同樣設計了3個不同的水力停留時間(4.95hrs.,6.2hrs.,和8.25hrs)，來檢測其對生活污水中營養(yǎng)元素的去除效果，每個水力停留時間穩(wěn)定運行一周，同時維持氣水比和內回流比的最佳運行參數7/1和100%。從已經獲得的結果可以看出，對于同時去除有機碳和營養(yǎng)鹽，最佳水力停留時間為6.2h。在此水力停留時間為6.2h，以及缺氧區(qū)和好氧區(qū)的DO分別為4.23mg/L和0.14mg/L的運行條件下，出水中COD含量為16.2mg/L，NH4+-N含量為0.69mg/L，TN含量為12.92mg/L，TP含量為0.31mg/L，同樣也可以滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB/T18918-2002)一級A標，其中COD, NH4+-N, TN,和TP的平均去除率分別為93.15%,98.06%,71.67%和90.88%。 通過長達十周，并有硝化液回流的連續(xù)進水的MBBR運行系統(tǒng)中，處于不同負荷的情況下，從運行第十六周后開始，在通常溫度下（T≥15°C）下，我們對MBBRs缺氧區(qū)和好氧區(qū)的COD、NH4+-N、TN、TP去除率和去除效果進行了評估。在這段時間內，連續(xù)流組合圓柱式缺氧/好氧MBBR系統(tǒng)，通過完全硝化-反硝化的過程，可以實現，在低缺氧/好氧體積比（缺氧區(qū)體積大概是好氧區(qū)體積的16%）下，良好氮、磷的去除率（每天去除TN為133.77(g/m3.d)，去除率為71.25%；TP為15.3(g/m3.d)，去除率90.51%），以及高的COD和NH4+-N去除率（每天去除COD為862.39g/m3.d，去除率為91.61%； NH4+-N為154.33(g/m3.d)，去除率97.89%）。MBBR好氧區(qū)成功的實現了完全硝化過程（NH4+-N轉化為NO3--N），其中96.17%的NH4+-N負荷（81.33(g/m3.d) NH4+-N）在硝化過程中被去除。MBBR缺氧區(qū)成功實現了部分反硝化過程（NO3--N還原成NO2--N）和氨化過程（缺氧NH4+-N氧化），其中NO3--N去除量為61.23(g/m3.d)，反硝化率達到66.76%；NH4+-N去除量為73g/m3.d)，去除率為45.74%。 在低溫下（T15°C），低缺氧/好氧體積比（缺氧區(qū)體積大概是好氧區(qū)體積的16%）的完全硝化-反硝化連續(xù)流組合圓柱式缺氧/好氧MBBRs不能實現良好的總氮和氨氮的去除（NH4+-N去除率為60.22%，TN去除率為27.56%），故出水中NH4+-N和TN含量不能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB/T18918-2002）一級B標。而整個系統(tǒng)能夠成功實現COD和TP的良好去除（COD去除率為88.48%，TP去除率為89.08%），出水中COD和TP含量能達到一級B標（GB/T18918-2002）。 在低溫下（T15°C），通過采用間歇進水，曝氣以及4倍水力停留時間來改進MBBR系統(tǒng)。在改進后的MBBR系統(tǒng)中，能夠成功實現COD，NH4+-N，TN和TP的良好去除率（COD去除率為95.17%，NH4+-N去除率為92.48%，TN去除率為78.84%TP去除率為95.04%），且出水中各指標濃度滿足一級B標（GB/T18918-2002）。 【關鍵詞】：移動床生物膜反應器 序批式移動床生物膜反應器 硝化作用 反硝化作用 亞硝化作用 短程硝化反硝化
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：X703
【目錄】：

• 中文摘要4-8
• ABSTRACT8-14
• LIST OF CONTENTS14-17
• LIST OF FIGURES AND TABLES17-24
• 1 INTRODUCTION24-42
• 1.1 General Introduction24-30
• 1.2 The Processes of Moving Bed Biofilm Reactors (MBBRs)30-35
• 1.3 Advantages of MBBRs compared with activated and granular sludge and fixed biofilm systems35-36
• 1.4 Research Motivation36-37
• 1.5 Research Objectives37-39
• 1.6 Thesis Structure39
• 1.7 Contribution to knowledge39-42
• 2 BACKGROUND AND LITERATURE REVIEW42-72
• 2.1 Introduction42-43
• 2.2 Background of Biological Nitrogen Removal43-56
• 2.2.1 Innovative and sustainable technologies for biological nitrogen removal46-54
• 2.2.2 Reducing the Area for Nitrogen Removal Facilities54-56
• 2.3 Background of Biological Phosphorus Removal56-61
• 2.3.1 Biological Phosphorus Removal to Low Level60-61
• 2.4 Utilaization of Moving Bed Biofilm Reactors61-72
• 2.4.1 The Moving Bed Membrane Bioreactor (MBMBR)67-68
• 2.4.2 Growth and Detachment of Biofilm68-72
• 3 MECHANISMS OF TREATMENT IN MOVING BED BIOFILM REACTOR (MBBR)72-92
• 3.1 Introduction72-73
• 3.2 Biological Nutrient Removal73-75
• 3.3 Factors Affecting Performance of MBBR75-76
• 3.4 The Processes of Nitrogen Removal in MBBR76-84
• 3.4.1 Nitrification Process78-82
• 3.4.2 Denitrification Process82-84
• 3.5 The Processes of Phosphorus Removal in MBBR84-89
• 3.6 The Processes of Organic Carbon Removal in MBBR89-92
• 4 REACTORS & EXPERIMENT DESIGN92-122
• 4.1 Introduction92
• 4.2 Design of Combined Cylindrical Anoxic /Aerobic MBBRs92-105
• 4.2.1 Design Calculation of Up-Flow Anoxic Cylindrical MBBR94-99
• 4.2.2 Design calculation of up-flow aerobic cylindrical MBBR99-105
• 4.3 Description of Anoxic/ Aerobic MBBRs105-109
• 4.4 Characteristics of Influent Wastewater109-110
• 4.5 Experimental Combined Process110-111
• 4.6 Test Equipment and Analytical Methods111-114
• 4.6.1 Physical Test Methods111-112
• 4.6.2 Chemical Test Methods112-114
• 4.7 Overview of the Experimental Strategy114-122
• 4.7.1 Start-up phase116-117
• 4.7.2 Optimization phase117-118
• 4.7.3 Performance study phase118-122
• 5 EXPERIMENTAL START-UP122-152
• 5.1 Start-up procedure122-123
• 5.2 Results and Discussion123-152
• 5.2.1 Physical Parameters123-126
• 5.2.2 Biomass Analyses. Total and Volatile Suspended Solids and Biofilm Growth126-133
• 5.2.3 Chemical Analyses Results133-152
• 6 RESULTS & DISCUSSION152-200
• 6.1 Results & Discussion of Optimization Phase152-176
• 6.1.1 Optimization Mode for Gas/water Ratio154-161
• 6.1.2 Optimization Mode for Nitrate Recycle Ratio (NRR)161-169
• 6.1.3 Optimization Mode for Hydraulic Retention Time (HRT)169-176
• 6.2 Results & Discussion of Performance Study Phase176-200
• 6.2.1 Performance of the MBBRs under Normal Temperature (T ≥ 15°C)177-189
• 6.2.2 Performance of the MBBRs under Low Temperature (T< 15°C)189-200
• 7 CONCLUSIONS& RECOMMENDATIONS200-204
• 7.1 Conclusions200-202
• 7.2 Recommendations202-204
• ACKNOWLEDGMENT204-206
• REFERENCES206-226
• LIST OF PUBLICATIONS226

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