智能化控制SBBR處理城市污水脫氮除磷性能和微生物學研究

【摘要】：污水排放標準日趨嚴格,眾多新建和原有污水處理廠都面臨著氮、磷達標排放的壓力,以防止富營養(yǎng)化為目的脫氮除磷已成為學術界的主要研究目標之一,我國的污水處理行業(yè)正面臨著污水深度脫氮除磷的問題。本研究自主研發(fā)的城市污水脫氮除磷創(chuàng)新工藝——智能化控制序批性生物膜反應器(ICS-SBBR),與傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝相比,具有單池運行,不需物理分區(qū),微生物濃度高等優(yōu)點。ICS-SBBR工藝系統(tǒng)以獨特的運行方式按照時間順序形成交替運行的(好氧/缺氧)n環(huán)境,創(chuàng)造有利于硝化、反硝化、好氧吸磷和反硝化攝取磷的環(huán)境條件,實現高效脫氮除磷,曝氣時間和水力停留時間短,既節(jié)約了能耗,又減小了占地面積,降低了基建投資。 本研究以混紡纖維填料計時器控制序批性生物膜反應器(TCS-SBBR)為參比,研究了不同進水C/N比下,混紡纖維填料ICS-SBBR工藝系統(tǒng)的脫氮除磷性能和微生物多樣性；以懸浮填料TCS-SBBR為參比,研究了不同水力停留時間(HRT)、不同進水C/N比和C/P比時,懸浮填料ICS-SBBR工藝系統(tǒng)的脫氮除磷性能、反硝化菌和聚磷菌種屬組成。主要研究成果如下： 不同的進水C/N比和控制模式對懸浮填料ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)COD和NH4+-N的去除影響不大；但對TN的去除影響顯著,尤其是當C/N比為5.0和3.3時,ICS系統(tǒng)對TN的去除率分別比TCS系統(tǒng)高15.5%和12.1%。C/N比對磷去除的表觀影響不明顯,但ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)內磷的去除機理不同,ICS系統(tǒng)中沒有厭氧釋磷現象的發(fā)生,缺氧期內能發(fā)生反硝化除磷,TCS系統(tǒng)為傳統(tǒng)的厭氧釋磷好氧吸磷工藝。ICS系統(tǒng)比TCS系統(tǒng)節(jié)能40%,HRT縮短30%。ICS系統(tǒng)內生物膜微生物生長環(huán)境為(好氧／缺氧)n,Bacteroidetes(擬桿菌綱)類群占群落的45%,為優(yōu)勢菌群,而TCS系統(tǒng)內生物膜微生物生長環(huán)境為厭氧／好氧,Betaproteobacteria(β-變形桿菌綱)類群占群落的37%,為優(yōu)勢菌群；優(yōu)勢菌群的不同,導致ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)對氮的去除效果和除磷的機理不同。 以懸浮填料SBBR系統(tǒng)為研究對象,在一個運行周期內,調整TCS系統(tǒng)的‘厭氧+好氧’時間,共設置4種HRT工況：(3+5)h、(3+6)h、(4+5)h、(2+7)h。在4種HRT工況下,HRT對ICS系統(tǒng)去除有機物、氮和磷的性能沒有影響,但對TCS系統(tǒng)NH4+-N、TN和TP的影響較大,尤其是當(4+5)h時,去除效果不顯著(53.6%、82.9%和69.0%),而(2+7)h時,僅部分恢復(48.0%、68.4%和75.7%)。C/N比對懸浮填料ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)內TN的去除影響顯著,ICS系統(tǒng)對TN的去除率分別為96.3%、89.7%和84.3%,而TCS系統(tǒng)則為89.2%、79.5%和76.8%；對TP去除的表觀影響不明顯,去除率均為100%。僅改變C/P比不影響ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)對TN和COD的去除。對懸浮填料ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)中反硝化菌和聚磷菌的研究發(fā)現,反硝化聚磷菌是聚磷菌中的重要組成部分,在缺氧環(huán)境下能夠成為優(yōu)勢菌群；系統(tǒng)中存在著能直接好氧吸磷的聚磷菌,可不經過厭氧釋磷階段而直接除磷,且系統(tǒng)需要的HRT較短。 【關鍵詞】：智能化控制 序批式生物膜反應器 城市污水 脫氮除磷 微生物學
【學位授予單位】：中國地質大學（北京）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：X703
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-40
• 1.1 課題背景12-14
• 1.1.1 課題來源12
• 1.1.2 課題的目的和意義12-14
• 1.2 生物脫氮除磷原理及研究進展14-20
• 1.2.1 生物脫氮的基本原理及研究進展14-17
• 1.2.2 生物除磷的基本原理及研究進展17-20
• 1.3 生物脫氮除磷工藝研究現狀及存在的問題20-27
• 1.3.1 生物脫氮除磷工藝研究現狀20-25
• 1.3.2 生物脫氮除磷工藝存在的問題25-27
• 1.4 序批性生物膜工藝(SBBR)27-35
• 1.4.1 SBBR工作原理和工藝類型27-29
• 1.4.2 SBBR工藝特征29-30
• 1.4.3 SBBR工藝國內外研究現狀30-33
• 1.4.4 污水生物處理智能化控制研究現狀33-35
• 1.5 生物脫氮除磷工藝微生物多樣性35-37
• 1.5.1 生物脫氮除磷工藝多種群的微生物群落35-36
• 1.5.2 反硝化聚磷菌微生物學研究36-37
• 1.6 研究內容與技術路線37-40
• 1.6.1 研究內容37-38
• 1.6.2 技術路線38-40
• 2 SBBR智能化控制系統(tǒng)的構建40-48
• 2.1 ICS系統(tǒng)的構建40-44
• 2.1.1 ICS軟件系統(tǒng)40-43
• 2.1.2 ICS的硬件系統(tǒng)43
• 2.1.3 ICS系統(tǒng)面板模塊顯示功能43-44
• 2.2 ICS系統(tǒng)的特點44-48
• 3 混紡纖維填料SBBR系統(tǒng)脫氮除磷性能研究48-72
• 3.1 材料與方法48-54
• 3.1.1 試驗材料48-53
• 3.1.2 試驗方法53-54
• 3.2 啟動期間SBBR系統(tǒng)的運行情況54-57
• 3.3 ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)運行期的除污性能57-71
• 3.3.1 ICS系統(tǒng)運行周期內的曝氣和停止曝氣時間57
• 3.3.2 進水C/N比對SBBR除污性能的影響57-62
• 3.3.3 總反應周期內ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)C、N、P的變化規(guī)律62-71
• 3.4 本章小結71-72
• 4 混紡纖維填料SBBR系統(tǒng)微生物多樣性研究72-88
• 4.1 試驗材料和設備72-73
• 4.1.1 試驗試劑72-73
• 4.1.2 試驗儀器73
• 4.2 試驗方法73-76
• 4.2.1 樣品采集及預處理73-74
• 4.2.2 生物膜細菌總DNA的提取74
• 4.2.3 16S rDNA基因全長PCR擴增74-75
• 4.2.4 16S rDNA基因文庫的構建75-76
• 4.2.5 序列測定基于16S rDNA的系統(tǒng)發(fā)育分析76
• 4.3 結果和討論76-86
• 4.3.1 ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)基因文庫的分型結果76-77
• 4.3.2 ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)細菌多樣性分析77-79
• 4.3.3 ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)細菌系統(tǒng)發(fā)育分析79-86
• 4.4 本章小結86-88
• 5 懸浮填料SBBR系統(tǒng)脫氮除磷性能研究88-116
• 5.1 材料與方法88-92
• 5.1.1 試驗材料88-90
• 5.1.2 試驗方法90-92
• 5.2 啟動期SBBR系統(tǒng)的運行情況92-95
• 5.3 ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)除污性能95-114
• 5.3.1 HRT對ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)脫氮除磷性能的影響95-100
• 5.3.2 進水C/N比對ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)脫氮除磷性能的影響100-109
• 5.3.3 進水C/P比對ICS系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)脫氮除磷性能的影響109-114
• 5.4 本章小結114-116
• 6 懸浮填料SBBR系統(tǒng)反硝化聚磷菌微生物學研究116-128
• 6.1 試驗材料和設備116-117
• 6.1.1 試驗材料116-117
• 6.1.2 試驗儀器117
• 6.2 試驗方法117-118
• 6.2.1 生物膜樣品采集117
• 6.2.2 分離與鑒定方法117
• 6.2.3 16S rDNA的PCR擴增和序列測定117-118
• 6.2.4 測序與結果分析118
• 6.3 結果與討論118-125
• 6.3.1 分離菌落形態(tài)觀察118-120
• 6.3.2 16S rDNA全長擴增結果120
• 6.3.3 測序結果和分析120-123
• 6.3.4 ICS和TCS系統(tǒng)生物膜樣品反硝化菌和聚磷菌菌種對比分析123-125
• 6.4 本章小結125-128
• 7 結論與建議128-131
• 7.1 結論128-129
• 7.2 建議129-131
• 致謝131-132
• 參考文獻132-146
• 攻讀博士學位期間所發(fā)表的學術論文146-147

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