CIBR/酶促湿地污水脱氮除磷技术研究

论文摘要

论文针对目前国内城市污水处理存在的“三高一多”问题,着眼于当今水污染控制的前沿领域,研究切实可行的“三低一少”的城市污水处理生物/生态型组合工艺——城市污水处理连续流一体化生物反应器（CIBR）/酶促湿地脱氮除磷技术。分析了污水生物/生态处理工艺中的CIBR的兼性生化、AAA脱氮除磷二个模式的基本技术原理,酶促湿地协同净化技术原理,并建立了生物与生态协同的氮磷调控原则。论文的主要研究内容与结果如下:①CIBR兼性生化技术基于生物絮体内传质规律、同向絮凝与絮凝沉淀的基本原理,研究兼性生物微絮体生化,流体动力激波切割絮体促进传质,反应池内紊流传质的技术,建立兼性微生物絮体内传质、兼性生化动力学、兼性生物絮凝动力学与混合液沉降动力学模型,为CIBR兼性生化操作模式奠定了技术理论基础。兼性生化可以在水温较高的季节里应用于含低浓度氮磷的城市污水处理。在气温较高时可以利用较低的能耗实现有机物的降解,但脱氮效果较差。如果原水NH3-N含量较高则需要变换模式以满足脱氮的需要。兼性生化适宜原水水质浓度范围为:COD≤300mg/L,NH3-N≤15mg/L,TN≤30mg/L,TP≤2mg/L。温度对于兼性生化工艺影响甚大,通过不同季节的试验研究,对COD去除率与水温变化曲线极值点求解获得兼性生化模式向AAA模式变换的临界温度范围为12.38℃。在低温状态下强化絮凝与兼性生化联用对COD、TP及浊度去除有协同促进作用。COD平均去除率比单纯的污水混凝与单纯的生物反应增加15%,混凝剂与生物的协同作用可以提高TP的去除率约20%,而对脱氮未表现明显协同作用。兼性生化系统投加絮凝剂PAC,最佳投加量为20mg/L,最佳停留时间为8h。②CIBR脱氮除磷技术针对低C/N与C/P比的城市污水,研究短程硝化反硝化与利用亚硝酸盐反硝化除磷,实现“一碳两用”,缓解了碳源的不足,提高了污水的脱氮除磷效率。在CIBR反应器中利用低溶解氧和定时交替好氧/缺氧运行模式,在常温下,实现了稳定的短程生物脱氮。亚硝化率稳定在80%-85%之间。而应用实时控制,在常温、常溶解氧和中性pH下能够高效稳定的实现和维持短程生物脱氮,亚硝酸盐积累率维持在95%以上,CIBR利用自身独特的交替好氧/缺氧运行方式,通过不断强化“厌氧/缺氧”环境,培育出了利用亚硝酸盐反硝化除磷菌,并且以实际生活污水为原水,在常温、常溶解氧下,以定时控制的运行方式实现了反硝化除磷,磷的去除率高达90%,出水磷浓度低于1mg/L。基于小试成果进行中试研究,推荐最优工况为2:2:2。在该工况下,COD、NH3-N、TN与TP平均去除率分别达到了76.60%、81.73%、60.19%与66.76%,可以较好的满足后续生态处理的要求。通过以上试验研究结果,确定了CIBR的变模式规则,并核算了CIBR节能效率,研究表明CIBR全年平均污水处理电耗为0.153kWh/m3,相比于A2/O节能24.27%,比氧化沟工艺节能28.96%。③酶促湿地协同净化技术通过中试研究了酶促湿地的多重生态位优化构建。在湿地填料与植物比选配伍、湿地构造与类型、递进布水与湿地堵塞规律研究的基础上,构建出四类六种可比较的酶促湿地。通过不同的工况运行,获得了最佳湿地构型及良好的协同净化效果。针对不同的进水进行了湿地填料的比选与配伍,获得了适合于不同水质的填料配伍:对于含氮浓度低或中、高有机物浓度的污水,煤渣+砾石+碎石填料组合有较好的去除效果;对于含氮浓度高或有机物浓度低的污水,粉煤灰砖屑+碎石组合有较好的去除效果。对于含磷浓较度高的污水,各组填料都有较好的去除效果。选育出四种不同季节的湿地植物种类及功能配伍。美人蕉、香蒲、灯心草和水竹在正常生长期内对污染物的去除效果之间无明显差异。美人蕉和水竹生长期最长,且生物量和细根量增长最大,这两种植物对污水的净化效果比香蒲和灯心草更好。对比研究了四类六种酶促湿地的构造与类型,并进行了工艺优化与降污试验,得出递进布水波形缩变流人工湿地去除污染物的运行效果更为稳定,水力流态更加优化,污染物负荷分配均匀,通过三级进水比例的调控可有效防止湿地的堵塞,提高湿地的处理效率和使用寿命。探讨了波形流与水平流酶促湿地的降污动力学,有利于酶促湿地的深入研究与应用。④建立CIBR/酶促湿地系统的氮磷调控原则通过单元技术集成与优化配置,形成了CIBR与酶促湿地优化组合工艺,以污水氮磷为主控因子,充分利用酶促湿地的脱氮除磷功能,通过主控参数pH、ORP实时调控CIBR的运行工况,实现CIBR/酶促湿地的最佳脱氮除磷功能。在此基础上,建立CIBR/酶促湿地系统氮磷负荷界面优化调控策略,形成节能型多模式CIBR/酶促湿地污水处理控制系统,实现系统的有效脱氮除磷与节能运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 概述
• 1.1 城市污水处理现状及问题
• 1.2 生物脱氮除磷理论与技术沿革
• 1.2.1 空间序列生物脱氮除磷技术
• 1.2.2 时间序列生物脱氮除磷技术
• 1.2.3 时空序列生物脱氮除磷技术
• 1.3 生态脱氮除磷理论与技术沿革
• 1.3.1 生态脱氮除磷技术研究与应用沿革
• 1.3.2 人工湿地脱氮机理研究沿革
• 1.3.3 人工湿地除磷机理研究沿革
• 1.4 生物/生态脱氮除磷技术研究与应用现状
• 1.5 生物脱氮除磷控制研究与应用现状
• 1.5.1 生物脱氮除磷控制目标
• 1.5.2 生物脱氮除磷控制参数应用研究
• 1.6 课题来源、研究目的与内容
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 研究目的与内容
• 2 试验材料与研究方法
• 2.1 试验研究技术路线
• 2.2 工艺流程与试验基地
• 2.2.1 工艺流程及规模
• 2.2.2 试验基地
• 2.3 试验污水水质与水量
• 2.3.1 沌口污水来源及其性质
• 2.3.2 沌口污水水质与水量
• 2.4 试验设备与分析仪器
• 2.4.1 小试设备
• 2.4.2 中试系统
• 2.4.3 主要仪器和分析检测方法
• 2.5 研究方法与步骤
• 2.6 本章小结
• 3 CIBR-酶促湿地污水处理原理
• 3.1 CIBR-酶促湿地工艺流程
• 3.2 CIBR 生化反应技术原理
• 3.2.1 第一模式：兼性生化低能耗原理
• 3.2.2 第二模式：AAA 脱氮除磷原理
• 3.3 酶促生态系统协同净化技术原理
• 3.4 生物与生态协同的氮磷调控原则
• 3.5 本章小结
• 4 CIBR 兼性生化与脱氮除磷技术
• 4.1 CIBR 反应器研发
• 4.2 反应器变模式节能技术原理
• 4.3 兼性生化模式试验研究
• 4.3.1 试验设计与启动
• 4.3.2 有机物降解效能
• 4.3.3 主控因子与分析
• 4.3.4 兼性生化物化协同作用
• 4.3.5 兼性生化动力学
• 4.3.6 兼性生化模式小结
• 4.4 AAA 脱氮除磷模式试验研究
• 4.4.1 试验设计与运行
• 4.4.2 AAA 短程生物脱氮
• 4.4.3 AAA 反硝化除磷
• 4.4.4 AAA 中试运行分析
• 4.4.5 AAA 脱氮除磷模式小结
• 4.5 反应器变模式运行规则与节能效率
• 4.5.1 反应器变模式响应规则
• 4.5.2 变模式节能效率
• 4.6 本章小结
• 5 酶促湿地协同净化技术
• 5.1 酶促湿地多重生态位构建
• 5.1.1 填料的酶促原理与生态位构建规则
• 5.1.2 湿地填料比选与配伍
• 5.1.3 湿地植物选育与配伍
• 5.1.4 多重生态位优化
• 5.1.5 湿地植物景观协调
• 5.2 酶促湿地构造与类型
• 5.2.1 湿地流态及其构造形式
• 5.2.2 床深确定
• 5.2.3 四类六种酶促湿地构成
• 5.3 递进布水与湿地堵塞规律
• 5.3.1 递进布水原理与控制原则
• 5.3.2 酶促湿地堵塞试验
• 5.3.3 延长湿地寿命的控制模式
• 5.4 酶促湿地运行工况与工艺效果
• 5.4.1 酶促湿地进水水质
• 5.4.2 总体工艺运行效果
• 5.4.3 酶促湿地构造优化措施
• 5.4.4 酶促湿地降污动力学
• 5.5 本章小结
• 6 CIBR-酶促湿地协同优化及其调控
• 6.1 CIBR 与酶促湿地功能协同
• 6.1.1 功能互补
• 6.1.2 工艺优化调控与节能
• 6.2 CIBR 多模式节能控制系统
• 6.2.1 引言
• 6.2.2 三层网络技术
• 6.2.3 CIBR 多模式控制系统组成和功能
• 6.2.4 CIBR 多模式实时控制策略
• 6.3 本章小结
• 7 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录