生物造粒流化床污水處理技術及理論研究

【摘要】：污水中的污染物按存在形態(tài)可以劃分為懸浮物和溶解物,按化學性質可以劃分為無機物和有機物。常規(guī)污水處理的主要目的是去除水中的所有懸浮物和有機物,通常采用以活性污泥法為主的生物處理技術和以沉淀為主的固液分離技術。因此,提高生物降解能力和強化固液分離效率是迄今污水處理技術發(fā)展的兩個層面。在提高固液分離效率方面,自我造粒流化床技術是近年來發(fā)展起來的一項高效固液分離技術,通過混凝劑的合理使用和適宜的機械攪拌在高濃度懸濁液中形成大粒徑、高密度的造粒顆粒(Pellets),能大幅度提高固液分離效率。在提高生物降解能力方面,生物顆粒污泥培養(yǎng)技術的發(fā)展受到廣泛關注,由于生物顆粒污泥具有生物密度高、生物相豐富、沉降性好等優(yōu)于一般生物絮體的特點,所以該技術能有效提高生物反應器的降解能力,同時有助于提高后續(xù)固液分離效率。但是,生物顆粒污泥培養(yǎng)周期長、控制難度大,從而影響了該技術的實際應用。 受以上兩項技術的啟發(fā),論文提出了將生物處理技術與造粒流化床固液分離技術相結合的“生物造粒流化床”污水處理新工藝,借鑒造粒流化床技術使生物反應器中的松散態(tài)活性污泥轉變?yōu)轭w粒污泥,再通過供氧條件的合理控制使造粒顆粒污泥具有與活性污泥同樣的生物降解活性,在發(fā)揮造粒流化床高效固液分離優(yōu)勢的同時實現(xiàn)有機物的生物降解,使污水中懸浮物分離和有機物生物降解得以同步完成。在國家自然科學基金項目的資助下,論文對生物造粒流化床用于城市污水處理的技術特點和理論原理進行了系統(tǒng)性地研究,主要工作及成果包括: (1)生物造粒流化床污水處理工藝研究 建立了生物造粒流化床污水處理中試系統(tǒng),確立了合理的供氧方式及最佳操作與控制條件,在西安市某污水廠開展了對城市污水直接處理的長期運行實驗。研究結果表明,生物造粒流化床用于城市污水處理,可以在一個單元內同時完成生物降解和固液分離。工藝的適宜操作條件為:PAC投量50mg/L、PAM投量5mg/L、上升流速1.32mm/s、攪拌速度10 rmp、回流比50%、排泥周期6h、泥床高度控制范圍110cm~160cm。在上述操作條件下連續(xù)運行,生物造粒流化床對城市污水中SS、COD、BOD、NH_3-N、TN、TP、色度、濁度等污染物的平均去除率可分別達到95%、90%、91%、38%、42%、95%、84%、77%。 (2)生物造粒流化床中顆粒污泥的物化特性研究 研究了生物造粒流化床中顆粒污泥的形成過程和物化特性,結果表明:造粒顆粒污泥的外形多為球狀,其粒徑分布具有沿流化床縱向自下而上遞減的趨勢,下、中、上層的粒徑范圍分別為3mm~4mm、2mm~3mm、1mm~2mm。通過粒徑和靜水沉速分析,得出了造粒顆粒污泥的粒徑-密度關系,結果顯示,生物造粒流化床中形成的顆粒污泥的有效密度隨粒徑增大而降低的趨勢不明顯,表明其具有密實的顆粒構造,有效密度接近于10~(-2) g/cm~3數(shù)量級,比同粒徑范圍的常規(guī)有機絮凝體密度高出一個數(shù)量級以上,同時也高于同粒徑范圍的常規(guī)無機絮凝體密度,這是其具有良好固液分離效果的原因所在。 (3)生物造粒流化床中顆粒污泥的生物學特性研究 通過微生物學和分子生物學分析,可知在造粒顆粒表面及內部均富集有大量的微生物。顆粒污泥的電鏡表面觀察及切片內部觀察結果表明,主要微生物形態(tài)為桿狀菌和球狀菌,前者多分布于流化床下層及顆粒污泥表面,后者多分布于流化床上層及顆粒污泥的內部。細菌計數(shù)結果表明,流化床中單位重量污泥中的細菌總數(shù)在4000萬個/g到9000萬個/g之間,且以好氧菌為主,好氧菌占細菌總數(shù)的97%以上、厭氧菌數(shù)量不到3%;細菌總數(shù)和好氧菌數(shù)量呈從底部到頂部遞減的趨勢,而厭氧菌則呈從底部到頂部遞增的趨勢;厭氧菌主要由反硫化菌和反硝化菌構成,前者占80%左右,后者占20%左右。DGGE分析結果表明,造粒顆粒中微生物種群具有多樣性特征,優(yōu)勢種屬有20多種,且流化床下層、中層、上層的微生物群落相似性為83.1%,說明沿層高的微生物群落演替不明顯、群落結構較為穩(wěn)定。 (4)生物造粒流化床的污染物去除機理探討 結合流化床沿縱向高度的溶解氧分布、微生物群落分布、以及碳、氮、磷等污染物分布特征的分析,探討了生物造粒流化床的污染物去除機理?？傮w來說,在混凝造粒和生化降解的協(xié)同作用下,床內污染物的去除包括“轉移”和“轉化”兩個過程,前者以混凝和吸附為主,后者以顆粒污泥中的微生物作用為主。污水中屬于懸浮物或膠體范疇的污染物在流化床底部通過混凝作用轉移到顆粒污泥中,溶解性污染物則通過吸附逐漸轉移到顆粒污泥中,然后得以生物降解和轉化。生物造粒流化床內以好氧為主的環(huán)境條件有助于有機物降解和氨氮的硝化過程,床內存在的局部缺氧大環(huán)境(主要在流化床上層)以及顆粒污泥內部存在的缺氧和厭氧微環(huán)境則有助于一定程度的反硝化。流化床對磷的去除主要是混凝作用,即化學除磷。 (5)生物造粒流化床污水處理工藝的技術評價 長期連續(xù)中試運行的結果表明,生物造粒流化床用于城市污水處理,處理水的COD、TP、SS指標可達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)規(guī)定的一級A標準,BOD可達到一級B標準,TN接近一級B標準,NH3-N達到二級標準。但該工藝能在一個處理單元內同時完成混凝造粒、生物處理和固液分離,總水力停留時間在1小時以內,BOD容積負荷可達到4 kgBOD/kgMLSS?d以上,不失為一種根據(jù)排水要求可供選用的高效污水處理技術。生物造粒流化床的MLSS濃度可保持在10000~15000mg/L、MLVSS可保持在5000~8000mg/L,遠高于一般活性污泥法的污泥濃度,這是它實現(xiàn)污染物高效去除的重要原因。 【關鍵詞】：生物造粒流化床 生物降解 顆粒污泥 固液分離 污水處理
【學位授予單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：X703
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-16
• 1 緒論16-25
• 1.1 研究背景16-22
• 1.1.1 污水處理的技術發(fā)展16-18
• 1.1.2 問題的提出18-22
• 1.2 研究目的及內容22-23
• 1.3 課題來源23
• 1.4 論文結構23-25
• 2 生物造粒流化床的技術及理論基礎25-43
• 2.1 造粒流化床技術及理論基礎25-31
• 2.1.1 普通絮凝過程與絮凝體構造特征25-27
• 2.1.2 致密絮凝體的形成過程及構造特征27-28
• 2.1.3 造粒顆粒的形成過程及其構造特征28-31
• 2.2 生物顆粒污泥形成技術及理論基礎31-40
• 2.2.1 生物顆粒污泥及其性質31-34
• 2.2.2 生物顆粒污泥的形成機理34-38
• 2.2.3 生物顆粒污泥技術的應用及存在的問題38-40
• 2.3 流化床生物造粒技術的基本構思40-43
• 2.3.1 基本技術構思40-41
• 2.3.2 生物造粒流化床的系統(tǒng)構成41-43
• 3 研究方案與實驗設計43-52
• 3.1 研究方案43-44
• 3.2 實驗裝置及系統(tǒng)設計44-45
• 3.3 實驗操作方法45-47
• 3.3.1 實驗現(xiàn)場條件45-47
• 3.3.2 實驗原水47
• 3.3.3 連續(xù)中試實驗47
• 3.4 分析測試方法47-52
• 3.4.1 化學分析47-48
• 3.4.2 顆粒污泥物化特性分析48-49
• 3.4.3 微生物學分析49-52
• 4 生物造粒流化床污水處理工藝研究52-85
• 4.1 工藝操作條件的確定52-58
• 4.1.1 PAC、PAM 投藥量及投加方式52-53
• 4.1.2 流化床上升流速與進水量53-54
• 4.1.3 機械攪拌強度54-55
• 4.1.4 回流比與進水溶解氧濃度55-56
• 4.1.5 顆粒污泥床控制及排泥方式56-58
• 4.1.6 生物造粒流化床工藝的基本操作條件58
• 4.2 生物造粒流化床的啟動及污泥床的形成過程58-60
• 4.2.1 流化床的啟動過程58-59
• 4.2.2 排泥周期對顆粒污泥床的影響59-60
• 4.3 生物造粒流化床的污染物去除效果60-69
• 4.3.1 SS 和濁度的去除效果61-63
• 4.3.2 有機物的去除效果63-65
• 4.3.3 氮的去除效果65-67
• 4.3.4 磷的去除效果67-68
• 4.3.5 色度的去除效果68-69
• 4.4 回流比和供氧條件對處理效果的影響69-79
• 4.4.1 調整回流比的去除效果69-74
• 4.4.2 調整供氧條件的去除效果74-78
• 4.4.3 回流比和供氧條件的影響分析78-79
• 4.5 流化床內各項水質指標的縱向分布規(guī)律79-83
• 4.5.1 溶解氧濃度的縱向分布79
• 4.5.2 SS 濃度的縱向分布79-80
• 4.5.3 有機物濃度的縱向分布80-81
• 4.5.4 NH3-N 及TN 的縱向分布81-82
• 4.5.5 TP 的縱向分布82-83
• 4.6 本章小結83-85
• 5 生物造粒流化床中顆粒污泥的特性研究85-105
• 5.1 顆粒污泥的物理學特性85-90
• 5.1.1 顆粒污泥的形態(tài)特征85-86
• 5.1.2 顆粒的粒徑分布86-88
• 5.1.3 顆粒污泥的密度88-90
• 5.2 顆粒污泥的微生物學特性90-97
• 5.2.1 顆粒污泥表面的微生物分布90-91
• 5.2.2 顆粒污泥內部的微生物分布91-94
• 5.2.3 污泥床縱向的微生物分布94-97
• 5.3 顆粒污泥的微生物多樣性97-103
• 5.3.1 DGGE 分析98-100
• 5.3.2 微生物多樣性解析100-103
• 5.4 本章小結103-105
• 6 生物造粒流化床的污染物去除機理105-112
• 6.1 流化床對有機物的去除機理105-108
• 6.1.1 不同形態(tài)有機物的去除過程105-107
• 6.1.2 有機物去除機理分析107-108
• 6.2 流化床脫氮過程與機理108-110
• 6.2.1 NH_3-N 和TN 的物理轉移過程108
• 6.2.2 NH_3-N 和TN 的生物轉化過程108-110
• 6.2.3 生物造粒流化床的脫氮機理110
• 6.3 流化床除磷機理110-111
• 6.4 本章小結111-112
• 7 生物造粒流化床工藝的技術評價112-118
• 7.1 污水處理效果評價112-114
• 7.1.1 污染物去除效率評價112-113
• 7.1.2 處理水質評價113-114
• 7.2 生物造粒流化床的污泥指標及污泥負荷114-116
• 7.2.1 MLSS 和MLVSS 的縱向分布114-115
• 7.2.2 SVI 的縱向分布115
• 7.2.3 流化床的污泥負荷115-116
• 7.3 生物造粒流化床的技術應用前景116-117
• 7.4 本章小結117-118
• 8 結論及建議118-122
• 8.1 結論118-121
• 8.2 建議121
• 8.3 論文的創(chuàng)新點121-122
• 致謝122-123
• 參考文獻123-131
• 博士期間發(fā)表的論文及其他成果131-132

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