侧向流曝气生物滤池处理生活污水的特性及其除磷脱氮效能研究

论文摘要

从20世纪80年代以来,曝气生物滤池在全世界污水处理领域得到了广泛的研究和使用。目前,为中小城镇开发低耗、高效的城市污水处理工艺是我国污水处理技术研究领域亟待解决的重大课题。本研究是在吸取传统曝气生物滤池运行机理的基础上,将污水以侧向流方式引入曝气生物滤池,开发并制作了侧向流曝气生物滤池（LBAF）反应器,为解决这一问题提供了新的思路。它的特点是滤池整体采用推流方式,曝气方式及填料填装方式灵活,可针对不同的处理要求,通过改变曝气位置、强度和填料填装方式,实现在同一滤池内完成厌氧和好氧反应。本文主要研究了LBAF反应器的水力混合特性;以及不同运行模式对去除生活污水中有机物、悬浮物、磷和氮的影响;研究了采用改性沸石吸附除磷的方法,并对其除磷机理进行了研究;通过分析测定滤池内生物量、生物活性、微生物分布,探讨了LBAF反应器中的生物膜特征。水力学混合特性试验表明,LBAF反应器的流态介于全混流和平推流之间,偏于平推流。经理论分析得出,该流态有利于生物种群的空间分布,保证了反应器的容积利用率,提高了处理效能。应用扩散模型,建立了LBAF的水力混合模型为:LBAF同步硝化与反硝化运行试验表明,LBAF反应器运行稳定,抗冲击负荷能力较强;COD、SS、氨氮、总氮和总磷的去除率随水力负荷增加而下降,但SS、COD平均去除率下降幅度较小;氨氮、总氮平均去除率随水力负荷的增加变化较明显;总磷的去除率低且变化较小。气水比从7:1升高到10:1时,COD的去除率有一定提高,气水比大于10:1后,COD的去除率增加缓慢,并趋于稳定;气水比从7:1增加到10:1时,SS的去除率变化较小,当气水比超过10:1会造成出水SS增加;当气水比由7:1增加到10:1时,氨氮的去除率可显著提高,而总氮的去除率在气水比7:1增加到10:1时增加不多,气水比大于10:1后总氮的去除率增加更不明显;气水比7:1增加到10:1时,滤池对磷的去除率有所提高,但气水比大于10:1后,总磷去除率变化不大。通过对滤池内含氮化合物的空间分布、生物耗氧速率以及底物转化速率和微生物数量的监测表明,侧向流曝气生物滤池内存在同步硝化与反硝化。试验中将水头损失增高而导致出水氨氮浓度突升的运行点作为运行的终点,开始进行反冲洗。由此得出的运行周期较传统的BAF长,这得益于“S”形小阻力槽的作用和LBAF反应器填料采用从进口到出口的粒径级配由大到小的放置方式,这提高了整个滤池的纳污能力。因此,LBAF在运行过程中水头损失增加缓慢,不易堵塞。LBAF前置反硝化工艺运行试验表明,LBAF前置反硝化工艺具有较好的除碳、脱氮效果。溶解氧是限制前置反硝化工艺在LBAF中去除TN的关键因素。由于缺氧/好氧区容积比为1:6.4时比容积比为1:4.0时的溶解氧高,因此采用缺氧/好氧区容积比为1:4.0,更有利于反应器前段反硝化反应的完成。当回流比从1:1上升到2:1时,TN的去除率变化不大。回流比的改变对COD和NH3-N的去除效果影响不大。通过对同步硝化反硝化脱氮工艺和前置反硝化脱氮工艺的比较研究表明,如果没有脱氮要求,尤其是当原水中COD浓度较低时,可采用同步硝化反硝化工艺。如果有脱氮要求,应采用前置反硝化工艺。如果原水COD浓度较高,即使没有脱氮要求,仍可选择前置反硝化工艺。由于回流水的稀释,前置反硝化工艺去除COD、NH3-N和TN的稳定性远高于同步硝化反硝化工艺。改性沸石吸附除磷试验是针对沸石的结构特征,将破碎至0.3～0.6mm的沸石,按质量比沸石:硫酸镁:硫酸铝为2:2:l,用NaOH调节pH至8,搅拌30min,蒸发成固态物质,将此固态物质在300℃下恒温焙烧1h,制得改性沸石吸附剂,将制得的改性沸石置于吸附柱中吸附污水中的磷。改性沸石饱和后,采用30mL5%NaOH+30mL5%Na2CO3溶液作为再生液,使改性沸石再生。改性沸石反复再生4次后,吸附容量基本维持稳定。改性沸石小型吸附动态试验表明,在流速为0.41m/h,初始磷酸盐浓度分别为6.4mg/L和3.5mg/L时,运行至穿透点的累计处理水量分别为518.4倍吸附剂体积和1022.3倍吸附剂体积;在初始磷酸盐浓度为6.4mg/L,流速为0.35m/h时,运行至穿透点的累计处理水量为653.3倍吸附剂体积。通过对改性沸石吸附除磷机理的探讨认为,在吸附过程中,离子交换作用力、色散力和毛细力共同作用产生对污水中磷的吸附。通过对LBAF反应器中填料表面生物量和生物活性的测定可知,反应器运行周期内生物量从A段到B段呈明显的减少趋势,异养菌也逐渐转变自养菌,滤池的生物膜活性变化不大。对生物膜和生物相的观察表明,由A段到B段生物膜逐渐变薄,颜色也由黑灰色向浅褐色转变。生物相则沿水流方向,随着有机物质的降解完成了从低级向高级的转变,形成较为完整的食物链体系。在滤池内不同位置的生物膜上都生长着与其污水水质相适应的优势菌种,能够较好地完成污水处理的任务。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 水环境污染及其治理
• 1.1.1 水环境污染与水资源短缺
• 1.1.2 水污染治理及污水资源化
• 1.2 生物膜法污水处理技术
• 1.2.1 生物膜法反应器类型及技术现状
• 1.2.2 生物膜法净化污水机理
• 1.3 曝气生物滤池技术
• 1.3.1 曝气生物滤池的产生和发展
• 1.3.2 曝气生物滤池的原理和工艺特点
• 1.3.3 曝气生物滤池的类型和工作原理
• 1.3.4 曝气生物滤池的应用和研究现状
• 1.3.5 传统曝气生物滤池存在的问题
• 1.4 课题的提出、研究目的、意义及方法
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 课题研究的目的与意义
• 1.4.3 课题研究的内容
• 1.4.4 研究方法
• 2 反应器与试验设计
• 2.1 侧向流曝气生物滤池（LBAF）
• 2.1.1 侧向流曝气生物滤池（LBAF）的结构
• 2.1.2 侧向流曝气生物滤池（LBAF）的特点
• 2.1.3 侧向流曝气生物滤池（LBAF）的运行模式
• 2.2 试验材料与方法
• 2.2.1 试验地点
• 2.2.2 试验用水
• 2.2.3 试验流程
• 2.2.4 试验仪器与分析方法
• 3 LBAF 反应器的水力混合特性研究
• 3.1 反应器流动模型
• 3.1.1 理想流动模型
• 3.1.2 实际流动模型
• 3.2 LBAF 反应器的水力混合特性试验
• 3.2.1 试验方法
• 3.2.2 LBAF 反应器中整池的水力混合特性
• 3.2.3 LBAF 反应器中前后两段的水力混合特性
• 3.2.4 LBAF 反应器中分层的水力混合特性
• 3.3 LBAF 反应器水力混合特性对滤池处理效能的影响
• 3.4 本章小结
• 4 无回流LBAF 反应器处理生活污水的效能研究
• 4.1 LBAF 反应器的挂膜启动
• 4.1.1 挂膜方法
• 4.1.2 启动期间 LBAF 的运行情况
• 4.1.3 挂膜启动完成标志
• 4.2 LBAF 反应器对去除污染物的运行结果
• 4.2.1 LBAF 反应器去除有机物运行结果
• 4.2.2 LBAF 反应器去除SS 的运行结果
• 4.2.3 LBAF 反应器去除NH3-N 的运行结果
• 4.2.4 LBAF 反应器去除TN 的运行结果
• 4.2.5 LBAF 反应器去除TP 的运行结果
• 4.3 影响 LBAF 反应器运行性能的主要因素分析
• 4.3.1 气水比对运行性能的影响
• 4.3.2 水力负荷对运行性能的影响
• 4.3.3 滤池长度对运行性能的影响
• 4.3.4 污染物负荷对运行性能的影响
• 4.3.5 温度对运行性能的影响
• 4.4 LBAF 反应器除磷脱氮机理分析
• 4.4.1 污水生物除磷脱氮技术概论
• 4.4.2 LBAF 反应器脱氮机理分析
• 4.4.3 LBAF 除磷机理分析
• 4.5 LBAF 反应器的运行周期及反冲洗
• 4.5.1 LBAF 反应器运行周期试验
• 4.5.2 LBAF 反应器的反冲洗
• 4.6 LBAF 反应器有机物去除动力学
• 4.6.1 模型的建立
• 4.6.2 模型的数学分析
• 4.6.3 模型的求解
• 4.6.4 模型的预测
• 4.7 本章小结
• 5 前置反硝化LBAF 反应器处理生活污水的效能研究
• 5.1 前置反硝化 LBAF 反应器处理生活污水的运行结果
• 5.1.1 前置反硝化 LBAF 反应器去除有机物的运行结果
• 5.1.2 前置反硝化 LBAF 反应器去除氨氮的运行结果
• 5.1.3 前置反硝化 LBAF 反应器去除总氮的运行结果
• 5.2 运行条件对前置反硝化 LBAF 效能的影响
• 5.2.1 回流比对前置反硝化 LBAF 效能的影响
• 5.2.2 缺氧/好氧区容积比对前置反硝化 LBAF 效能的影响
• 5.2.3 滤池长度对前置反硝化 LBAF 效能的影响
• 5.2.4 碳源对前置反硝化 LBAF 效能的影响
• 5.3 LBAF 的同步硝化反硝化和前置反硝化工艺比较
• 5.4 本章小结
• 6 改性沸石吸附除磷的效能及机理研究
• 6.1 曝气生物滤池除磷的方式
• 6.1.1 侧向流曝气生物滤池中的生物除磷现象
• 6.1.2 曝气生物滤池中的化学除磷
• 6.2 改性沸石吸附除磷的运行条件试验
• 6.2.1 沸石的结构特征与理化性能
• 6.2.2 试验水质
• 6.2.3 改性沸石吸附性能静态试验
• 6.2.4 改性沸石吸附性能动态试验
• 6.2.5 改性沸石对其他污染物的吸附
• 6.3 改性沸石的脱附再生
• 6.3.1 脱附再生方法
• 6.3.2 再生对穿透曲线的影响
• 6.4 改性沸石吸附除磷的机理探讨
• 6.4.1 改性沸石吸附作用力构成
• 6.4.2 改性沸石吸附除磷过程模型
• 6.4.3 改性沸石处理污水前后的成分分析
• 6.5 本章小结
• 7 LBAF 反应器中生物膜的特征
• 7.1 LBAF 反应器中微生物量的时空分布特征
• 7.2 LBAF 反应器中生物膜活性特征
• 7.3 LBAF 反应器中微生物空间分布特征
• 7.3.1 LBAF 中出现的微生物及菌群分布特点
• 7.3.2 LBAF 中微生物相的特征
• 7.4 本章小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录