缺氧/厌氧复合床运行特性研究

论文摘要

目前含氮有机废水的治理大都采用改良后的A2/O工艺。传统的定/O工艺及其改良工艺处理含氮有机废水存在以下弊端。要想达到理想的脱氮效果,反硝化单元需要额外投加碳源；后续的好氧生物处理单元需要较高的碳氧化需氧量；总水力停留时间长,反应器总容积大,工程投资费用高。本课题提出缺氧/厌氧复合床是以一体化反应器完成反硝化反应和产甲烷反应,实现同步反硝化产甲烷。本文在前期缺氧/厌氧复合床对垃圾渗滤液进行小规模处理实验的基础上,以该反应器中的污泥作为种泥,培养同步反硝化产甲烷颗粒污泥及生物膜；并对该缺氧/厌氧复合床的运行特性进行了较为深入的研究。旨在为同步反硝化产甲烷工艺的工程应用提供技术支持。研究内容及结果如下：（1）在30℃条件下,采用葡萄糖和硝酸盐配制原水。考察水力停留时间对缺氧/厌氧复合床运行效果的影响。研究结果表明,当HRT为8h时,反应器对COD和N03-N去除率可达到85%和97%。较短的HRT导致进水硝态氮负荷增加,一方面,反硝化速率不断增加,对进水中小分子底物利用速率不断提高,导致小分子底物向颗粒污泥内部穿透的速率不断减弱,使得产甲烷效果减弱；另一方面,较高的硝态氮容积负荷对反应器内的厌氧环境有冲击,造成反应器内氧化还原电位升高,不利于严格厌氧产甲烷菌的生长。进水流量过大容易引起填料上生物膜的脱落,从而影响了反应器生物膜上的生物量,进而影响反应器处理效果。综合考虑节能与效率,推荐反应器HRT不低于8 h。（2）以葡萄糖和硝酸盐配制原水,在原水中投加NaHCO3,调节和控制复合床中的pH值和碱度环境条件,并逐级降低进水中的碱度水平。根据不同进水碱度条件下的COD和N03-N去除效果分析,研究表明：碱度对厌氧颗粒污泥的产甲烷菌和反硝化菌活的活性具有一定的影响。进水COD/ALK的取值分别为1：1、2：1、3：1、4：1、4.5：1、5：1。进水COD/ALK为2时COD去除率达86%,进水COD/ALK为3时COD去除率达82%。相比进水COD/ALK为1时下降了3-7个百分点。碱度投加量减少,相对应的反应器的酸容量减少,反应器内pH值降低,直接影响了产甲烷菌和反硝化菌的生存环境。当进水COD/ALK为4时,反应器COD去除率为70%,较进水COD/ALK为3时,下降了12个百分点。由以上分析可得,当进水COD/ALK取3时,缺氧/厌氧复合床除碳效果相对较好,碱度投加量相对较少。（3）用SV、SVI、MLSS及颗粒污泥粒径评价了缺氧/厌氧复合床下部污泥床中颗粒污泥的沉降性能和活性。在复合床二次启动初期,下部污泥床内颗粒污泥的粒径分布在0.25mm-0.8mm左右。随着复合床连续运行至18d,复合床下部污泥床颗粒污泥的MLSS值为21.08g·L-1,MLVSS为12.86 g·L-1,VSS/SS可达0.61,取得的污泥粒径主要分布在0.45mm-0.9mm左右,且粒径在1.25mm-2.0mm左右的颗粒污泥的质量分数明显提高。复合床运行至30d,复合床下部污泥床颗粒污泥的MLSS值为24.23 g·L-1, MLVSS为16.23g·L-1, VSS/SS的值提高到0.67,取得的污泥粒径在0.25mm-0.45mm,此阶段的污泥质量分数有明显下降,粒径1.25mm-2.0mm阶段的污泥质量分数有明显提高。研究结果表明,随着反应器运行时间的延续,复合床进水COD负荷和NO3-N负荷提高,反应器下部污泥床厌氧颗粒污泥的粒径不断增大,且粒径分布趋向均匀。（4）采用厌氧污泥产甲烷活性下降50%时抑制物的浓度（记做IC50）,来评价氨氮浓度对缺氧/厌氧复合床复合床下部污泥床内颗粒污泥产甲烷化过程的抑制程度。试验以乙酸钠作为有机碳源,根据需要配置不同氨氮浓度的人工配水,采用瞬时进水方式分别向125 mL的具塞三角瓶中加入100 mL人工配水,并以不投加氨氮的系统作为对照。研究结果表明,氨氮质量浓度分别为800mg·L-1、1500mg·L-1、2500mg·L-1、3500mg·L-1时,氨氮对COD的降解有抑制作用,抑制程度随氨氮浓度的增高而增大。当氨氮浓度为300 mg·L-1时,COD的去除率比空白体系提高5%,表现为促进产甲烷；当氨氮浓度达到2500 mg·L-1和3500 mg·L-1时,氨氮对颗粒污泥的产甲烷化过程抑制程度分别为27%和40%。由此可以看出氨氮浓度大于3500mg·L-1时,对产甲烷菌的抑制作用明显。通过拟合氨氮浓度和抑制程度得到的曲线,获得其IC50值大约为3700mg·L-1。通过实验研究,用葡萄糖和硝酸盐配制原水,得到缺氧/厌氧复合床最佳水力停留时间为8h,最小碱度（ALK）投加量是进水COD浓度的1/3,下部污泥床内颗粒污泥的粒径可达到1.25mm-2.Omm,VSS/SS的值可达0.67。最后,对复合床下部污泥床内的颗粒污泥进行了氨氮毒性抑制试验,得到IC50值大约为3700mg·L-1。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究课题的提出及意义
• 2/O脱氮及其改良工艺'>1.1.1 常规A²/O脱氮及其改良工艺
• 2/O脱氮工艺的不足之处'>1.1.2 A²/O脱氮工艺的不足之处
• 1.1.3 同步反硝化产甲烷的基本思想
• 1.1.4 复合床反应器的优点
• 1.2 研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 生物膜法的研究现状
• 2.1.1 生物膜法的基本原理
• 2.1.2 生物膜的分类和特点
• 2.1.3 填料的选择
• 2.2 复合床的研究现状及应用
• 2.2.1 复合床反应器的研究
• 2.2.2 复合床反应器的应用
• 2.3 同步反硝化产甲烷的研究现状
• 2.3.1 同步反硝化产甲烷的基本理论
• 2.3.2 同步反硝化产甲烷的工艺特点
• 2.3.3 同步反硝化产甲烷的研究现状
• 2.4 本章小结
• 第三章 实验设计
• 3.1 缺氧/厌氧复合床的设计
• 3.1.1 缺氧/厌氧复合床概念
• 3.1.2 复合床构型
• 3.1.3 缺氧/厌氧复合床功能简介
• 3.2 实验装置
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 复合床填料的选择
• 3.3 实验参数设计与控制
• 3.3.1 温度
• 3.3.2 pH值
• 3.3.3 水力停留时间
• 3.3.4 氧化还原电位
• 3.3.5 溶解氧
• 3.3.6 上升流速
• 3.4 进水水质
• 3.5 测试项目及分析方法
• 第四章 缺氧/厌氧复合床除碳脱氮性能研究
• 4.1 缺氧/厌氧复合床的二次启动
• 4.1.1 启动方案制定
• 4.1.2 进水水质
• 4.1.3 参数设计与控制
• 4.1.4 实验数据分析
• 4.2 HRT对缺氧/厌氧复合床除碳脱氮效果的影响
• 4.2.1 实验条件
• 4.2.2 不同水力停留时间对COD去除效果的影响
• 3-N去除效果的影响'>4.2.3 水力停留时间对NO₃-N去除效果的影响
• 4.2.4 缺氧/厌氧复合床最佳水力停留时间
• 4.3 进水碱度对COD去除效果的影响
• 4.3.1 实验条件
• 4.3.2 进水COD/ALK对缺氧/厌氧复合床的影响
• 4.4 下部污泥床内颗粒污泥的变化
• 4.4.1 颗粒污泥的粒径变化
• 4.4.2 污泥性能的变化
• 第五章 氨氮对复合床中颗粒污泥产甲烷过程的抑制
• 5.1 氨氮对产甲烷菌的毒性
• 5.2 试验装置及过程
• 5.2.1 试验装置
• 5.2.2 试验用水
• 5.2.3 试验过程
• 5.3 试验结果
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录