缺氧/好氧生物膜工艺处理低碳氮比生活污水的脱氮特性

【摘要】：近年来，随着我国农村地区居民生活方式的转变，村镇污水中含氮污染物水平日趋上升。为缓解水体富营养化问题，急需对其进行脱氮。考虑到短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等新型生物脱氮技术管理需求较高、稳定性不足，目前传统硝化/反硝化技术仍是村镇污水脱氮的最适合途径。基于我国农村地区的发展现状和村镇污水呈现低碳氮比（C/N）的趋势，对传统生物脱氮技术进行改良和优化，以实现“简单、高效、经济”的污水脱氮和生物质的资源化具有重要意义。 本研究将生物膜技术与缺氧/好氧（A/O）工艺融合，根据村镇污水分散处理的原则和清洁卫生的需求，将一体化设备融入其中，构建推流式一体化A/O生物膜反应器，包括缺氧固定床生物膜反应器（Fixed bed biofilm reactor, FBBR）、好氧移动床生物反应器（Moving bed biofilm reactor, MBBR）和小型沉淀区，对低C/N比实际生活污水进行处理。经过603d的试验，主要研究内容与结论如下： (1)考察了不同载体填充率对反应器快速启动的影响。FBBR和MBBR分别填充45%的聚氨酯泡沫和20%的聚丙烯空心环载体可在27d内完成启动；启动后经过22d的优化可实现污泥零回流。 (2)优化了反应器处理低C/N比生活污水的脱氮性能。在进水C/N比为2.5-4.0时，控制系统N负荷为0.11kgN/(m~3·d)，MBBR的污泥龄(SRT)为42±4d，有利于好氧区硝化型生物膜的形成和污泥的稳定化。FBBR内7.2h的缺氧停留时间(HRT)促进了内源反硝化，降低缺氧污泥表观产率。通过间歇排泥简化了运行维护，实现简单脱氮；上述条件下，200%的内回流比（R）可去除进水中69.3%的TN，R大于300%可实现出水TN浓度小于15mg/L，达到城镇污水处理厂一级A排放标准(GB18918–2002)，实现高效脱氮；取消缺氧搅拌、污泥回流和较低的R则降低了运行能耗，实现经济脱氮。 (3)针对A/O生物膜工艺，提出了通过同步硝化反硝化（Simultaneousnitrification-denitrification, SND）实现村镇污水强化脱氮的运行策略。R=200-350%时，原水中37.7-42.2%的TN通过SND去除，MBBR内生物膜形成的缺氧“微环境”和对原水中碳源的高效利用是关键因素。SND受温度影响较小，在16±0.5℃下，DO=3.5±0.5mg/L，C/N=2.5-3.3时，系统可实现0.353mgN/(L·h)的SND脱氮。 (4)论证了长期运行的好氧MBBR中（SRT＞40d）脱氮途径的转变。厌氧氨氧化成为继SND后，实现低C/N比实际生活污水强化脱氮的有力补充。 (5)考察了反应器中缺氧剩余污泥作为异养部分反硝化（NO_3~--N→NO_2~-N）系统微生物载体以实现资源化的可行性。在以NaAc为碳源的反硝化过程中，在快速生物降解COD（RBCOD）与NO3--N的比值（RBCOD/NO3-）为2.7时，通过pH指示分段进水可稳定实现间歇流运行模式下60%的NO_2~-N积累率，为部分反硝化系统的实际应用提供了理论基础；pH为9.0-9.6的碱性环境可在内源反硝化阶段成功抑制N2O的释放。 (6)考察了好氧MBBR中生物膜应用于预曝气耦合半短程硝化-厌氧氨氧化系统以实现好氧生物膜资源化的可行性。在用于微污染水处理时，较低的污泥浓度（MLVSS）需求和生物膜工艺的长SRT可提高α系数（污水和清水中氧转移系数kLa的比值），降低曝气能耗。当进水NH_4~+-N和TN浓度均值为分别2.97和6.52mg/L时，控制MLVSS为800mg/L，反应HRT为0.67h，可实现35.3%的平均TN去除率。 【关键词】：生活污水 低碳氮比 一体化A/O生物膜反应器 同步硝化反硝化 MBBR
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-33
• 1.1 我国村镇污水处理概况11-15
• 1.1.1 村镇污水的定义与构成11
• 1.1.2 村镇污水的特性11-14
• 1.1.3 村镇污水处理现状14
• 1.1.4 村镇污水处理技术的发展趋势14-15
• 1.2 水体氮污染与防控技术15-19
• 1.2.1 氮污染的危害15-16
• 1.2.2 氮污染控制技术16-17
• 1.2.3 废水生物脱氮原理17-19
• 1.3 村镇污水处理技术研究现状19-27
• 1.3.1 污水脱氮技术19-25
• 1.3.2 污泥处置方式25-27
• 1.4 缺氧/好氧生物膜工艺的提出27-29
• 1.4.1 缺氧/好氧生物膜工艺27-29
• 1.4.2 一体化缺氧/好氧生物膜反应器29
• 1.5 本课题的研究意义与内容29-33
• 1.5.1 课题来源29-30
• 1.5.2 课题研究意义30
• 1.5.3 课题研究内容30-33
• 第2章 试验材料与方法33-41
• 2.1 试验装置33-36
• 2.1.1 一体化 A/O 生物膜反应器33-34
• 2.1.2 SBR 反应器34-35
• 2.1.3 微污染原水脱氮系统35-36
• 2.2 接种污泥与试验用水36-37
• 2.2.1 接种污泥36-37
• 2.2.2 试验用水37
• 2.3 分析项目与检测方法37-41
• 2.3.1 常规检测项目及方法37
• 2.3.2 其它分析测试方法37-41
• 第3章 一体化 A/O 生物膜反应器的启动与优化41-51
• 3.1 概述41
• 3.2 一体化 A/O 生物膜反应器的快速启动41-47
• 3.2.1 试验方案与运行参数41-42
• 3.2.2 不同载体填充比下污染物的去除效果42-44
• 3.2.3 好氧生物膜系统启动的指示参数44-47
• 3.2.4 启动评价47
• 3.3 一体化 A/O 生物膜反应器的性能优化47-50
• 3.3.1 反应器运行方式48
• 3.3.2 试验结果与讨论48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章 一体化 A/O 生物膜反应器的脱氮特性51-77
• 4.1 概述51-52
• 4.2 内回流比对系统脱氮性能的影响52-62
• 4.2.1 试验方案52-53
• 4.2.2 计算方法53
• 4.2.3 不同内回流比下系统的运行特性53-54
• 4.2.4 氮去除途径分析54-57
• 4.2.5 反应器内的微生物特性57-61
• 4.2.6 应用可行性评价61-62
• 4.3 温度对一体化 A/O 生物膜反应器脱氮性能的影响62-68
• 4.3.1 试验方案与运行参数62
• 4.3.2 温度变化过程中系统的运行特性62-63
• 4.3.3 温度变化对 MBBR 内 SND 的影响63-64
• 4.3.4 SND 的影响因素分析64-68
• 4.4 低温下一体化 A/O 生物膜反应器的恢复运行68-70
• 4.4.1 试验运行方案68
• 4.4.2 试验结果与讨论68-70
• 4.5 长污泥龄下一体化 A/O 生物膜反应器脱氮方式的转变70-76
• 4.5.1 系统内的厌氧氨氧化预测70-71
• 4.5.2 试验运行方案71
• 4.5.3 试验结果与讨论71-75
• 4.5.4 系统的长期脱氮效果75-76
• 4.6 本章小结76-77
• 第5章 系统内缺氧剩余污泥利用的可行性研究77-89
• 5.1 概述77-78
• 5.2 试验材料与方法78-80
• 5.2.1 试验装置78
• 5.2.2 试验用水78-79
• 5.2.3 试验方法79
• 5.2.4 计算方法79-80
• 5.3 试验结果与讨论80-87
• 5.3.1 部分反硝化系统的运行特性80-86
• 5.3.2 部分反硝化系统的控制策略86-87
• 5.3.3 运行成本分析与预测87
• 5.4 本章小结87-89
• 第6章 系统内好氧生物膜利用的可行性研究89-101
• 6.1 概述89-90
• 6.2 可行性分析90-93
• 6.2.1 预曝气-半短程硝化系统90-91
• 6.2.2 半短程-厌氧氨氧化系统91-92
• 6.2.3 预曝气-半短程-厌氧氨氧化系统92-93
• 6.3 试验材料与方法93-94
• 6.3.1 试验装置93
• 6.3.2 试验用水93-94
• 6.3.3 试验方法94
• 6.4 试验结果与分析94-100
• 6.4.1 系统曝气量的确定与低 DO 的实现94-96
• 6.4.2 脱氮效果96-99
• 6.4.3 经济性分析99-100
• 6.5 本章小结100-101
• 结论101-103
• 建议与展望103-105
• 参考文献105-115
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果115-117
• 致谢117

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