厌氧折流板反应器与膜曝气生物膜反应器的耦合作用研究

论文摘要

由于污水中的氮元素是诱发水体富营养化的主要因素,因此脱氮成为水处理研究领域的热点问题。脱氮过程不仅需要大量专属微生物的协同作用,而且对环境条件的要求十分苛刻,所以高效去除中高浓度有机含氮废水中的含氮污染物更是水处理行业中的难题。目前国内外普遍采用的厌氧、好氧串联方法,不仅工艺流程长、基建费用高、占地面积大,而且需要回流等额外设施。本实验首先分别启动驯化厌氧折流板反应器和膜曝气生物膜反应器,然后利用膜曝气生物膜外层的厌氧状态与厌氧折流板反应器内部环境相融合的特性,将驯化好的膜组件置入运行稳定的厌氧隔室内构成耦合反应器。此工艺所具有的产酸、产甲烷、硝化和反硝化的多相分离特征,不仅避免了不同生化过程中相互竞争和抑制现象的产生,而且充分发挥了不同微生物种群之间的协同互生作用,实现了单一反应器处理中高浓度有机含氮废水的同时去碳脱氮功效。(1)厌氧折流板反应器采用直接接种厌氧颗粒污泥的低负荷同步启动方式,15d后处理效果便趋于稳定。随后两次提高进水有机负荷,COD的去除率始终保持在90%以上。当进水COD浓度为1800 mg/L时三个隔室出水VFA浓度依次为673 mg/L、148 mg/L和24 mg/L,总产气率依次为1.13 L/d,2.57 L/d和0.71 L/d,表明反应器对有机污染物的去除效果良好。通过对各隔室出水水质的分析和颗粒污泥表面生物相的研究,证明反应器内基本实现了产酸相和产甲烷相的分离。(2)通过与其它材质的膜进行对比表明,包裹无纺布的炭膜对微生物具有较强的吸附能力,适宜作为膜曝气组件。实验分别考察了以空气和纯氧为气源的膜曝气生物膜反应器运行效果,前者稳定运行时的COD和TN去除率分别为83.6%和81.6%,而后者分别为82.4%和84.2%,均实现了同时去碳脱氮的功效。不同气源所形成的生物膜均具有特殊的分层结构,生物膜内层具有较高的氧气浓度,微生物种群分布主要以好氧自养菌为主,而外层处于缺氧和厌氧状态,主要以异养菌为主。两组膜组件在高负荷运行时所产生的过厚生物膜,阻碍了底物和氧源在生物膜内的有效传递,降低了处理效果。最后优选出曝空气膜组件与厌氧折流板反应器进行耦合实验研究。(3)耦合反应器对COD具有更好的去除效果,平均出水浓度和去除率分别为51mg/L和96.8%。当进水有机负荷提高50%时,出水COD浓度仍处于60 mg/L以下,具有良好的抗有机负荷冲击能力。反应器对含氮污染物的去除效果明显,稳定运行期间对TN的平均去除率为80.1%。因为流入液体中有机底物的减少和硝态氮的增加,使得3号隔室的沼气产量和甲烷含量均明显减少,但是取而代之的是更为稳定和优良的出水水质。实验结果显示耦合反应器内的生物膜保持了内层好氧、外层缺氧/厌氧的特殊结构,而当内层的硝化细菌活性降低时,脱氮效果随之恶化。(4)基于AQUASIM 2.0所建立的混合生物膜模型,验证了好氧自养菌主要分布在生物膜的内层,而异养菌主要分布在生物膜的外层。灵敏度分析结果表明,微生物的最大比生长速率、细菌对氧的饱和常数和化学计量参数值对模拟中底物变量浓度的计算具有非常重要的影响,而其它常数在预测模型质量方面所起到的作用较弱。模拟结果表明,C/N比值和生物膜厚度对于生物膜的处理功效均有重要的影响,C/N比值较低造成的反硝化碳源不足和C/N比值较高形成的对自养菌的抑制均会使得TN的去除率下降;而生物膜过厚时所造成的对底物传质的阻碍和过薄时形成的缺氧/厌氧环境的缺乏,同样会降低脱氮的效果。数值模拟的应用有助于耦合反应器结构设计的优化及实际工程的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 废水厌氧生物处理技术研究进展
• 1.1.1 厌氧处理工艺的发展史
• 1.1.2 厌氧消化阶段研究
• 1.1.3 厌氧过程微生物学
• 1.1.4 非产甲烷菌与产甲烷菌的互生关系
• 1.2 厌氧折流板反应器污水处理技术
• 1.2.1 厌氧折流板反应器的产生及发展
• 1.2.2 厌氧折流板反应器的主要特点
• 1.2.3 厌氧折流板反应器的应用
• 1.3 生物脱氮技术的研究进展
• 1.3.1 生物脱氮的机理
• 1.3.2 生物脱氮的微生物研究
• 1.3.3 生物脱氮的新工艺
• 1.4 膜曝气生物膜反应器污水处理技术
• 1.4.1 膜曝气生物膜反应器的发展
• 1.4.2 膜曝气生物膜反应器的特点
• 1.4.3 膜曝气生物膜反应器的影响因素
• 1.4.4 膜曝气生物膜的研究
• 1.4.5 膜曝气生物膜反应器的应用现状
• 1.5 本研究的目的、意义和内容
• 1.5.1 研究的目的和意义
• 1.5.2 研究内容
• 2 厌氧折流板反应器的启动运行
• 2.1 前言
• 2.2 实验
• 2.2.1 厌氧折流板反应器
• 2.2.2 厌氧颗粒污泥
• 2.2.3 实验水质
• 2.2.4 分析项目及检测方法
• 2.3 实验过程及目的
• 2.4 实验结果
• 2.4.1 反应器处理效果
• 2.4.2 颗粒污泥的形态变化
• 2.5 本章小结
• 3 膜曝气生物膜反应器的启动运行
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 炭膜的简介
• 3.2.2 实验膜组件
• 3.2.3 膜曝气生物膜反应器
• 3.2.4 实验水质和接种污泥
• 3.2.5 分析项目及检测方法
• 3.3 实验过程和目的
• 3.4 膜组件吸附性能实验结果
• 3.5 空气为气源的膜组件实验结果
• 3.5.1 反应器的启动
• 3.5.2 氧气供给速率的确定
• 3.5.3 反应器处理效果
• 3.5.4 生物膜结构特征
• 3.6 纯氧为气源的膜组件实验结果
• 3.6.1 反应器的启动
• 3.6.2 氧气供给速率的确定
• 3.6.3 反应器处理效果
• 3.6.4 生物膜结构特征
• 3.7 不同气源膜组件的对比
• 3.8 膜组件的重复利用
• 3.9 本章小结
• 4 膜曝气生物膜与厌氧折流板反应器的耦合实验研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料和方法
• 4.2.1 复合反应器
• 4.2.2 实验水质
• 4.2.3 分析项目及检测方法
• 4.3 实验过程和目的
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 反应器处理效果
• 4.4.2 厌氧颗粒污泥的变化
• 4.4.3 生物膜内微生物种群的分布
• 4.4.4 生物膜内部反应机制预测
• 4.5 本章小结
• 5 耦合反应器的模型研究
• 5.1 前言
• 5.2 仿真软件简介
• 5.2.1 操作界面
• 5.2.2 计算环境
• 5.2.3 应用的基本功能
• 5.3 研究方法
• 5.3.1 模型的建立
• 5.3.2 模型设定条件
• 5.3.3 矩阵
• 5.3.4 模型的模拟
• 5.3.5 灵敏度分析
• 5.4 模拟结果
• 5.4.1 灵敏度分析
• 5.4.2 耦合反应器稳定运行时的模拟结果
• 5.4.3 不同C/N条件下的运行效果
• 5.4.4 生物膜过厚对运行效果的影响
• 5.4.5 短程脱氮的讨论
• 5.5 本章小结
• 6 结论、创新点与建议
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 建议
• 参考文献
• 附录1 缩写检索表
• 附录2 符号检索表
• 附录3 AQUASIM 2.0自动生成的灵敏度分析列表
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 个人简历