A~2MO-M工艺强化污水处理及原位污泥减量效能及机制研究

【摘要】：随着环保要求越来越高,污水污泥排放标准也逐步提升,污水及剩余污泥处理和处置问题的日益突出使得强化污水处理与原位污泥减量技术的联合成为必然。针对我国环保领域面临的挑战,本研究建立了一种强化污水处理及原位污泥减量工艺系统(A stage-aerated anaerobic, anoxic, micro-aerobic, and oxic system combining a micro-aerobic starvation sludge holding tank, A2MO-M system),并以好氧-沉淀-厌氧系统(oxic-setting-anaerobic system, OSA system)为对比工艺,比较研究了水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)对OSA及A2MO-M系统原位污泥减量、出水有机物去除以及脱氮除磷效果的影响；同时,本论文结合数学模拟方法分析了OSA及A2MO-M系统内溶解性微生物产物(soluble microbial products, SMP)的生成代谢途径及其影响因素,建立了OSA及A2MO-M工艺中好氧、微氧、缺氧及厌氧条件下ASM2D-UAP及ASM2D-BAP形成与降解的数学模型。开展了A2MO-M系统中微氧饥饿污泥停留池参数的优化研究,并以OSA系统作为参照工艺,优化了A2MO-M系统原位污泥减量的HRT,试验结果表明：当控制OSA系统中厌氧污泥停留池的HRT为12h时(OSA3#系统),OSA系统排泥量最少；而控制A2MO-M系统中微氧饥饿污泥停留池的HRT为9h时(A2MO-M2#系统),A2MO-M系统排泥量最少。且相比传统活性污泥系统、强化污水脱氮除磷系统、及OSA3#系统,A2MO-M2#系统污泥产量分别减少了45.08%、42.46%及16.08%。通过对A2MO-M及OSA系统原位污泥减量机制研究结果表明,对于OSA3#及A2MO-M2#系统,能量解偶联代谢作用分别占据了两系统原位污泥减量的9.68%和16.67%；污泥衰减引起的原位污泥减量分别占据了两系统原位污泥减量的23.23%和21.15%。同时,454高通量测序的分子生态学分析显示,A2MO-M系统中的微生物群落结构更为丰富,且A2MO-M群落中的发酵细菌(Stenotrophomonas、 Osenella、及Paludibacter)及慢速生长细菌(Ramlibacter)的相对丰度均大于OSA群落。因此在A2MO-M系统中,慢速生长细菌的富集及发酵细菌引起的隐性生长作用也是A2MO-M系统强化原位污泥减量效果的重要原因。开展了OSA及A2MO-M系统出水有机物(effluent organic matters, EfOM)、 SMP、基质代谢相关型产物(Utilization-Associated Products, UAP)以及生物量相关型产物(Biomass-Associated Products, BAP)的物化特性的定性定量研究,明晰了不同HRT下OSA及A2MO-M系统出水中UAP及BAP的特性及形成规律,结果表明：在活性污泥生物污水处理系统中,BAP的累积对出水水质的恶化起着至关重要的作用,且OSA系统出水BAP的累积量明显大于A2MO-M系统出水BAP的累积量；同时研究发现,溶解氧(dissolved oxygen, DO)浓度是影响BAP产量的一个非常重要的因素。此外,通过对比OSA及A2MO-M系统出水的脱氮除磷效果表明,相比OSA3#系统,A2MO-M2#系统的平均出水总氮、氨氮及总磷去除效果分别提高了20.61%,12.46%及42.20%,且高通量群落分析结果进一步证明,固氮菌、氨氧化细菌、硝化细菌、反硝化细菌及去磷菌等具有脱氮除磷功能的细菌在A2MO-M群落的相对丰度要大于OSA群落。建立了OSA及A2MO-M系统中不同DO条件的ASM2D-UAP和ASM2D-BAP数学模型。将SMP、BAP、UAP及胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)的产生及降解机理引入到ASM2D模型中,基于ASM2D-UAP和ASM2D-BAP数学模型的MATLAB仿真研究,对好氧、微氧、缺氧、厌氧条件下的SMP、UAP及BAP的生成代谢过程进行数学模拟,结果表明：活性污泥污水处理系统中DO浓度对出水UAP的影响较小,而对出水BAP的影响很大；厌氧条件下产生的BAP浓度最大,其次是好氧条件,而微氧和缺氧条件下BAP产生的量较小,且浓度相差不大。通过ASM2D-UAP和ASM2D-BAP数学模拟,本研究充分证明了OSA和A2MO-M系统中控制不同DO条件对系统出水水质影响较大。相比A2MO-M系统,OSA系统内的污泥在厌氧-好氧的环境中交替,会引起大量BAP的累积,从而导致系统出水水质的恶化。 【关键词】：原位污泥减量 脱氮除磷 溶解性微生物产物 溶解氧浓度 微生物群落结构 数学模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 第1章 绪论17-38
• 1.1 国内外剩余污泥的产生现状17
• 1.2 原位污泥减量化技术研究现状17-32
• 1.2.1 强化微生物隐性生长的原位污泥减量技术18-24
• 1.2.2 解偶联代谢的原位污泥减量技术24-28
• 1.2.3 微生物捕食的原位污泥减量技术28-31
• 1.2.4 改进及新型的原位污泥减量技术31-32
• 1.3 原位污泥减量工艺污水处理的研究现状及存在问题32-35
• 1.4 课题来源、研究意义和意义35-38
• 1.4.1 课题来源35
• 1.4.2 课题研究的意义35-36
• 1.4.3 课题研究的主要内容及技术路线36-38
• 第2章 试验材料装置与方法38-58
• 2.1 污泥来源与驯化38
• 2.2 强化污水处理及原位污泥减量工艺38-41
• 2.2.1 A~2MO-M工艺概述及其显著优势38-39
• 2.2.2 A~2MO-M工艺的试验装置及工艺流程39-41
• 2.3 A~2MO-M及OSA工艺控制参数的优化试验41-51
• 2.3.1 厌氧污泥停留池与微氧饥饿污泥停留池控制参数的优化试验41-42
• 2.3.2 原位污泥减量及污水处理效果的比较试验42-45
• 2.3.3 能量解偶联代谢的原位污泥减量的研究试验45-46
• 2.3.4 污泥衰减的原位污泥减量的研究试验46-47
• 2.3.5 出水EfOM的比较试验47
• 2.3.6 出水SMP生成代谢试验47-51
• 2.3.7 不同溶解氧浓度对SMP、BAP、UAP的动态形成过程影响的序批式试验51
• 2.4 试验仪器设备51-52
• 2.5 检测指标及测定方法52-56
• 2.5.1 水质和污泥检测指标及方法52-53
• 2.5.2 生物化学分析53-54
• 2.5.3 三维荧光光谱分析54
• 2.5.4 红外光谱分析54
• 2.5.5 紫外光谱分析54-55
• 2.5.6 OUR/SOUR测试55
• 2.5.7 ATP活性的测定55-56
• 2.6 微生物群落结构分析方法56-58
• 2.6.1 A~2MO-M及OSA工艺活性污泥DNA提取56
• 2.6.2 16S rRNA基因扩增56-57
• 2.6.3 高通量16S rRNA基因焦磷酸测序57
• 2.6.4 生物信息学57-58
• 第3章 A~2MO-M工艺原位污泥减量效果及减量机制58-89
• 3.1 引言58
• 3.2 A~2MO-M工艺微氧饥饿污泥停留池最佳参数的确定58-67
• 3.2.1 单因素试验优化微氧饥饿污泥停留池控制参数58-61
• 3.2.2 响应曲面优化微氧饥饿污泥停留池污泥减量控制参数61-63
• 3.2.3 微氧饥饿污泥停留池控制参数的优化及模型验证63-67
• 3.3 OSA工艺厌氧污泥停留池最佳参数的确定67-74
• 3.3.1 单因素试验优化厌氧污泥停留池控制参数67-69
• 3.3.2 响应曲面优化厌氧污泥停留池控制参数69-70
• 3.3.3 厌氧污泥停留池控制参数的优化及模型验证70-74
• 3.4 A~2MO-M及OSA工艺原位污泥减量效果的比较研究74-77
• 3.5 A~2MO-M及OSA工艺原位污泥减量机制的研究77-87
• 3.5.1 能量解偶联代谢作用引起的原位污泥减量的研究77-81
• 3.5.2 污泥衰减引起的原位污泥减量的研究81-84
• 3.5.3 微生物种群结构引起的原位污泥减量的研究84-87
• 3.6 本章小结87-89
• 第4章 A~2MO-M工艺污水处理效果及其机理89-115
• 4.1 引言89-90
• 4.2 A~2MO-M及OSA工艺EfOM的组分分析与影响因素90-94
• 4.2.1 EfOM的物化特性的定性定量研究90-91
• 4.2.2 EfOM的EEM分析91-94
• 4.3 A~2MO-M及OSA工艺EfOM中SMP的组成成分与影响因素94-108
• 4.3.1 BAP的组成成分及含量分析94-96
• 4.3.2 BAP生成代谢中DOM的EEM分析96-99
• 4.3.3 BAP生成代谢中污泥EPS的EEM分析99-102
• 4.3.4 BAP生成代谢中DOM的FTIR分析102-104
• 4.3.5 UAP的组成成分与含量分析104-108
• 4.4 A~2MO-M及OSA工艺脱氮除磷效果的比较研究108-112
• 4.4.1 出水总氮的变化108-110
• 4.4.2 出水氨氮的变化110-111
• 4.4.3 出水总磷的变化111-112
• 4.5 A~2MO-M及OSA工艺污水处理效果的微生物群落结构分析112-114
• 4.6 本章小结114-115
• 第5章 A~2MO-M与OSA工艺出水有机物的形成与降解的动力学模型115-138
• 5.1 引言115-116
• 5.2 SMP、BAP及UAP形成和降解动力学模型的建立116-119
• 5.3 动力学模型参数的敏感性分析119-134
• 5.3.1 对UAP形成过程的敏感性分析119-121
• 5.3.2 对BAP形成过程的敏感性分析121-134
• 5.4 污染物的形成与降解134-137
• 5.5 本章小结137-138
• 结论138-139
• 创新点139-140
• 参考文献140-164
• 攻读学位期间发表的学术论文164-168
• 致谢168-170
• 个人简历170

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