缺氧/好氧移动床生物膜反应器处理城市污水的效能研究

【摘要】：城市化和城市人口的增加，导致了污水排放量的增加，同时减少了可新建污水处理设施的用地面积。为了得到更好的处理效率而多次改良的活性污泥法，在运行中也出现一些弊端（如污泥膨胀，污泥上浮等），从而大大降低了污水处理工艺的效率，增加了反应器容积，最终增加了用地面积，特别是营养元素，如氮和磷的处理，因为处理氮磷要比处理其他有机物花费更多的时间。因此有必要寻找新的处理工艺，以优化出水效果，减小用地面积。移动床生物膜反应器（MBBR）也就应运而生。MBBR是一种连续流工艺，它结合了两种不同的处理方法（附着式和悬浮式），利用高密度聚乙烯（HDPE）表面积大和密度小的特点，来增加反应器的附着微生物量。反应器内，在好氧区的曝气作用，以及在厌氧区和缺氧区的机械搅拌作用下，小型载体填料与污水充分混合，从而提高了反应器的处理效能。 本文研究了连续上升流MBBR，即组合圆柱式缺氧/好氧移动床生物膜反应器。该反应器是将缺氧区放入好氧区中，缺氧/好氧体积比为1/6，从而实现完全硝化-反硝化过程。这是一种生活污水中，处理有机物质和营养物质更经济有效的方法。在重庆地区，针对4万m3/d处理量的情况下，其中脱氮过程是MBBR设计主要考虑的问题。处理效果必须满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB/T18918-2002）一级B的要求。MBBR缺氧区填料的悬浮系数（克MLSS/载体）取4来设计的，用以减少其所需的空间，并实现了部分反硝化（硝酸盐氧化为亚硝酸盐）及厌氧氨氧化过程，其中约50％氨以亚硝酸盐作为电子受体，被直接氧化成氮气。MBBR好氧区的目的是实现完全硝化过程和有机碳的去除。磷将在缺氧区和好氧区中被去除。该系统的主要设计参数的值分别为7/1的气/水比，100％的硝化液回流比，和6.2h的水力停留时间。该反应器按照完全硝化-反硝化过程操作，严格限制总氮，无污泥回流，且只有一个好氧区到缺氧区的内循环。 本文研究的MBBR中试工艺建于重庆市大渡口污水处理厂。该系统是由方形初沉池（由1m×1m×1m的PVC制成），钢制的缺氧反应器（直径0.6m，水深0.9米），钢制的好氧反应器（直径1.2m，水深2米），以及后面接一个方形澄清池（由1m×1m×1m的PVC制成）组成。Kaldnes（K1）是用作两个反应器中的填料，它的填充率为50％。该Kaldnes（K1）填料是由聚乙烯（密度为0.93g/cm3）制成，形状像小圆柱体（直径约25mm，长10mm），内部具有十字架结构，以提供活性微生物附着的悬浮生长的介质。在100％填充率下，可供微生物附着的有效面积为500m2/m3。从好氧区曝气器出来的空气气泡和缺氧区的螺旋桨混合器作用，使得填料悬浮在水中。螺旋桨式混合器，是由位于中央的直径25cm的双叶片搅拌器和布置在水面以下20和40cm的桨叶构成，搅拌器转速为100rpm。填料被小尺寸筛装置（约2mm开口）保留在反应器中。曝气系统包括4个细气泡膜扩散器（4个直径220mm的曝气盘）均匀分布在反应器的四周，并固定在距反应器底部0.3m的地方。生活污水经过大渡口污水处理厂预处理设施的初沉池，在这里主要去除废水中的某些可能会导致后续处理过程中操作问题的物质，如抹布，棍棒，漂浮物，砂砾和油脂。MBBR缺氧区在初始阶段，接收不断地从初沉池过来的生活污水，并在稳定运行阶段同时接收来自初沉池和最终澄清池的生活污水。 这个实验开始于2012年5月初，2013年3月底结束，大约历时一年。在正常情况下（T≥15℃），我们调查了在初始阶段，一个序批式移动床生物膜反应器（SBMBBR）4周无硝化液回流的处理情况。在此期间，主要观测到在MBBR缺氧区和好氧区中的生物膜的生长和附着填料上的微生物量的增加，同时还发现活性污泥中微生物浓度有所降低。100rpm的转速和1.17立方米/小时（7/1的气水比）的供气量皆适宜生物膜生长，并没有引起微生物从填料上的脱落。在第四周结束时，MBBR缺氧区和好氧区中MLSSTotal（MLSSSuspension+MLSSAttach）的浓度值分别达到2459mg/L和2914.2mg/L，该中试设备，在水力停留时间（HRT）6.2h，硝化液回流比100％，气水比为7/1的条件下连续运行1周，为初始阶段做好准备。 在初始阶段，发现在缺氧/好氧MBBR中，pH值与DO浓度呈较明显的反比关系，反应器中DO浓度直接关系到微生物的活性。对于缺氧区MBBR的pH与DO而言，较为稳定的阶段是第17天到第35天的时候，此时的pH值维持在7.5-7.74，DO浓度维持在0.13mg/L-0.17mg/L。对于好氧区MBBR的pH与DO而言，较为稳定的阶段是第29天到第35天的时候，此时的pH值维持在7.44-7.45，DO浓度维持在4.34mg/L-4.51mg/L。从运行反应器初始阶段到经历17天后，缺氧/好氧MBBR达到了稳定的运行的状态，此时COD在厌氧区和好氧区的去除率可以相对稳定的维持在54.432%和95.67%，而NH4+-N的去除率可以相对稳定的维持在14.14%和98.53%。 在通常温度下(T≥150C)，我们测试了MBBR主要设计参数(气水比，内回流比，水力停留时间)对整个系统处理效能的影响。通过连续流运行11周后，我们得到了满足一级B标(GB/T18918-2002)的最佳运行参数。在运行5周后，我们设计了5个不同的气水比(5/1,7/1,10/1,14/1和24/1)，来检测其对生活污水中营养元素的去处效果，每个气水比稳定运行一周，同时维持内回流比为100%和水力停留时间6.2h.实验结果表明，对于同时去除有机碳和营养盐的情况下，最佳气水比值为7/1。在此气水比7/1，以及缺氧区和好氧区的DO分别为4.49mg/L和0.16mg/L的运行条件下，出水中COD含量为18.1mg/L，NH4+-N含量为0.53mg/L，TN含量为14.38mg/L，TP含量为0.34mg/L，可以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB/T18918-2002)一级A标，其中COD, NH4+-N, TN,和TP的平均去除率分别为92.67%，98.83%，71.37%和90.49%。在运行第10周后，我们同样设计了3个不同的内回流比(50%,100%,和150%)，来检测其对生活污水中营养元素的去除效果，每个内回流比稳定运行一周，同时维持气水比在最佳运行参数7/1和水力停留时间6.2h.实验结果显示，对于同时去除有机碳和营养盐，最佳内回流比值为100%。在此内回流比100%，以及缺氧区和好氧区的DO分别为4.35mg/L和0.19mg/L的运行条件下，出水中COD含量为17.63mg/L，NH4+-N含量为0.49mg/L，TN含量为13.25mg/L，TP含量为0.30mg/L，同样也可以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB/T18918-2002)一级A标，其中COD,NH4+-N, TN,和TP的平均去除率分别为92.16%,98.84%,71.23%和91%。最后，在运行第13周后，我们同样设计了3个不同的水力停留时间(4.95hrs.,6.2hrs.,和8.25hrs)，来检测其对生活污水中营养元素的去除效果，每个水力停留时间稳定运行一周，同时维持气水比和内回流比的最佳运行参数7/1和100%。从已经获得的结果可以看出，对于同时去除有机碳和营养盐，最佳水力停留时间为6.2h。在此水力停留时间为6.2h，以及缺氧区和好氧区的DO分别为4.23mg/L和0.14mg/L的运行条件下，出水中COD含量为16.2mg/L，NH4+-N含量为0.69mg/L，TN含量为12.92mg/L，TP含量为0.31mg/L，同样也可以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB/T18918-2002)一级A标，其中COD, NH4+-N, TN,和TP的平均去除率分别为93.15%,98.06%,71.67%和90.88%。 通过长达十周，并有硝化液回流的连续进水的MBBR运行系统中，处于不同负荷的情况下，从运行第十六周后开始，在通常温度下（T≥15°C）下，我们对MBBRs缺氧区和好氧区的COD、NH4+-N、TN、TP去除率和去除效果进行了评估。在这段时间内，连续流组合圆柱式缺氧/好氧MBBR系统，通过完全硝化-反硝化的过程，可以实现，在低缺氧/好氧体积比（缺氧区体积大概是好氧区体积的16%）下，良好氮、磷的去除率（每天去除TN为133.77(g/m3.d)，去除率为71.25%；TP为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为862.39g/m3.d，去除率为91.61%； NH4+-N为154.33(g/m3.d)，去除率97.89%）。MBBR好氧区成功的实现了完全硝化过程（NH4+-N转化为NO3--N），其中96.17%的NH4+-N负荷（81.33(g/m3.d) NH4+-N）在硝化过程中被去除。MBBR缺氧区成功实现了部分反硝化过程（NO3--N还原成NO2--N）和氨化过程（缺氧NH4+-N氧化），其中NO3--N去除量为61.23(g/m3.d)，反硝化率达到66.76%；NH4+-N去除量为73g/m3.d)，去除率为45.74%。 在低温下（T15°C），低缺氧/好氧体积比（缺氧区体积大概是好氧区体积的16%）的完全硝化-反硝化连续流组合圆柱式缺氧/好氧MBBRs不能实现良好的总氮和氨氮的去除（NH4+-N去除率为60.22%，TN去除率为27.56%），故出水中NH4+-N和TN含量不能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB/T18918-2002）一级B标。而整个系统能够成功实现COD和TP的良好去除（COD去除率为88.48%，TP去除率为89.08%），出水中COD和TP含量能达到一级B标（GB/T18918-2002）。 在低温下（T15°C），通过采用间歇进水，曝气以及4倍水力停留时间来改进MBBR系统。在改进后的MBBR系统中，能够成功实现COD，NH4+-N，TN和TP的良好去除率（COD去除率为95.17%，NH4+-N去除率为92.48%，TN去除率为78.84%TP去除率为95.04%），且出水中各指标浓度满足一级B标（GB/T18918-2002）。 【关键词】：移动床生物膜反应器 序批式移动床生物膜反应器 硝化作用 反硝化作用 亚硝化作用 短程硝化反硝化
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703
【目录】：

• 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

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

中国水资源状况与水资源安全问题分析    张利平;夏军;胡志芳;

复合变速生物滤池处理污水厂二级出水    龙腾锐,庞煜

新型折流曝气生物滤池处理城市污水    张涵,龙腾锐,严子春,何强

贝壳填料曝气生物滤池的硝化特性研究    叶志隆;熊小京;芦敏;

侧向流曝气生物滤池的同步硝化反硝化研究    张红晶;龙腾锐;何强;曹艳晓;

再生水的战略思考与定位    傅涛;郑兴灿;陈吉宁;

Effect of inorganic carbon on anaerobic ammonium oxidation enriched in sequencing batch reactor    

对我国节水型社会建设的系统思考    刘七军;李锋瑞;

SBF在城市生活污水处理中的应用研究    高标;

曝气生物滤池内同步硝化反硝化的研究进展    刘硕;吕鑑;黄赟芳;申颖洁;

北京市再生水利用现状及发展思路探讨    李五勤;张军;

基于变权重和信息熵的区域水资源安全投影寻踪评价模型    吴开亚;金菊良;

新型杀生剂与阻垢剂组合在城市污水回用中的应用    张青;黄种买;胡将军;刘方玉;

循环冷却水系统中物质的转化规律及提高浓缩倍率的措施    张青;黄种买;胡将军;刘方玉;武洪智;

城乡统筹视角下给排水规划研究初探——以陕西省咸阳市为例    吕园;

新型粉煤灰陶粒的制备及其处理印染废水的研究    兰善红;杨丹;范洪波;武秀文;

哈萨克斯坦水资源利用    吴淼;张小云;罗格平;吉力力;吴焕宗;加帕尔;陈曦;

混凝/折流曝气生物滤池脱氮除磷效能实例分析    翟俊;徐凤林;张晓虎;关东;

氨氧化细菌强化倒置反硝化生物滤池深度处理城市污水中试研究    蒋波

中国企业海外耕地投资战略风险研究    喻燕

欧美杨不同品系苗木蒸腾耗水特性及节水灌溉制度研究    高卫东

水资源系统“易”理论构建与SD仿真实证研究    周宾

生命周期条件下水资源增值研究    王瑞波

厌氧好氧生物滤池组合工艺处理城市污水脱氮效能研究    胡宏博

改良土壤含水层处理系统对溶解性有机物的去除效能    魏亮亮

企业环境责任缺失：成因及治理    孙晓伟

交替式曝气生物滤池组合系统生物除磷试验研究    郑蓓

木炭曝气生物滤池的特性及效能研究    周爱姣

辽宁省产业用水变化驱动效应分解与时空分异分析    王妍

瓦房店市水资源安全评价研究    邢晓森

污水深度处理项目关键技术研究    刘洪波

BAF处理效能及化学除磷试验研究    王俊

基于3S技术的焉耆绿洲水土安全分析    尹业彪

我国水资源税制的构想与设计    任婷婷

海冰水灌溉对土壤水盐特性及棉花产量品质的影响    白洋

种植密度和土壤水分对小麦耗水特性和产量的影响及其生理基础    骆兰平

中学环境教育实践活动案例开发    林守民

地埋式污水处理系统在北方小城镇的应用效果及问题分析    毕馨升

大江大河流域水资源管理问题讨论    陈莹,刘昌明

西南国际河流水资源状态及开发中的问题    陈进,黄薇

长江流域的水资源配置与水资源综合管理    陈西庆,陈进

武汉市水资源可持续利用评价    曾群,蔡述明

我国水资源循环经济发展与创新体系构建    李雪松;伍新木;

21世纪中国水资源持续开发利用问题    陈志恺

城市污水深度处理与水资源可持续利用    张杰,曹开朗

曝气生物滤池的研究进展    张杰,曹相生,孟雪征

贝壳结构及陶瓷的仿生研究    李秀华,袁启明,杨正方

我国可持续发展中的水资源问题及对策    宋新山,邓伟,闫百兴,李立明