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UASB-MBR工艺短程硝化—同时甲烷化反硝化研究

2020-11-28阅读(751)

UASB-MBR工艺短程硝化—同时甲烷化反硝化研究

论文摘要

在能源紧缺,全球气候变暖的情况下,节能减碳和高效的污水治理技术已经成为研究的热点与重点。本研究采用UASB-MBR组合工艺系统试图在实现同时有机碳与氮去除的前提下,最大化保证厌氧产甲烷的功能,目的在于为新加坡新生水厂提供可靠的进水来源,同时也为低浓度市政污水处理开辟一条高质、高效、产能的新路径。本研究中,MBR被选为UASB出水的后处理设施,在保障高效稳定的出水质量的前提下,实现污水中NH4+-N的氨氧化-硝化过程;而前置的UASB系统既要实现水体中反硝化的去除氮的功能,又要最大限度的保证UASB产甲烷的优势。鉴于甲烷化与反硝化是由两类相互独立的厌氧微生物完成,并且反硝化的底物以及中间产物对甲烷化有较大的抑制与毒害作用。因此,在组合系统操作前,首先采用批试验的方法研究反硝化对甲烷化的抑制作用和甲烷菌的适应能力。试验结果显示:当底物中的NO2--N浓度高于15mg/L时,能对有机碳的降解速率产生一定的抑制作用;而当以NO3--N为反硝化底物时,显著的抑制作用发生在底物浓度高于60 mg/L时;NO2--N比NO3--N对厌氧条件下有机碳的降解具有更强的抑制作用。但是以NO2--N为底物的反硝化过程具有较快的反应速率,相对抑制作用时间短,且对于环境pH和温度的适应范围更广。为了进一步验证同时甲烷化/反硝化的长期稳定性与可行性,本试验中以不同浓度的反硝化底物NO2--N为代表,进行了长期抑制或适应性实验研究。结果显示:在较低的NO2--N浓度条件下,厌氧系统能够很好的实现有机碳与氮去除,并且甲烷的产生与回收利用仅受到较小的影响;而在较高NO2--N浓度条件下,尽管有机碳与氮的去除效率不变,但是产生的气体中以N2为主,破坏了厌氧产能的功能。DGGE指纹图谱也证明高NO2--N浓度条件下,系统中菌群分布以及优势菌群发生了显著的变化。因此,要想在厌氧系统中实现反硝化的同时回收利用甲烷,就只能在相对较低的NO2--N浓度下进行,换言之,这种脱碳、脱氮、产能的一体化过程只适用于处理低氮负荷的废水。因此,UASB-MBR组合工艺的操作适用于低浓度生活污水处理,不同运行条件的调查结果显示:随着循环比从50%增加到800%的过程中,TN的去除效率从48.1%增加到82.8%;在系统实现较高的有机碳与氮去除的同时,甲烷生成没有因为反硝化的引入而受到显著的影响,这主要是系统中实现了短程硝化反硝化的结果,在确保较低碳源竞争的同时,缩短了对甲烷菌的抑制时间;但当循环比从400%增加到800%时,TN的去除效率仅轻微增加,较大的上流速率和较高的DO条件却破坏了UASB系统运行的稳定性。因此建议根据进水中氮含量将循环比控制在200-400%之间能够达到比较满意的效果。同时,研究了MBR中曝气强度对系统运行的稳定性的影响:在较低的曝气速率条件下,能够维持系统中较高的甲烷产量,但是较低的硝化速率抑制了系统中TN的去除表现;在曝气速率高于2.5 L/min时,系统中TN去除能够达到80%,并且UASB中存在的部分好氧菌,对厌氧环境起到了一定的保护作用,使得甲烷的产生量随着DO浓度的升高仅轻微的降低。因此,在控制适当的循环比和曝气强度的条件下,这种技术在处理生活污水中是可行的,在完成有机碳与氮去除的同时实现了甲烷气的回收利用,并且系统污泥产量较低,后处理费用降低。经过进一步的实验验证:这种伴随着甲烷产生的高氮去除过程主要是由于系统中实现了短程硝化反硝化。MBR中NO2--N的累积现象主要是由于活性污泥混合液在厌氧与好氧环境下的内循环模式,较高的pH值以及较低的C/N比加速了对硝酸盐氧化菌（NOB）的抑制和淘洗作用而实现的,从而使UASB-MBR组合工艺在处理低浓度生活污水中实现了高出水质量、高处理效率和较高的甲烷能源回收。最后,针对本UASB-MBR组合工艺中MBR的膜污染形成过程、膜污染物主要成份以及膜污染控制方法进行了初步的研究与探讨,结果显示:该运行条件下MBR的膜污染速率较高,几乎呈线性增长趋势,胶体粒子和溶解性有机物,尤其是分子量与膜孔径相当的物质,比大的污泥絮体更容易沉积到膜表面,形成过滤凝胶层,加速膜污染进程;同时注意到当悬浮液中蛋白质为EPS主要成分时,多糖确是膜污染物中EPS的主要成分,尤其是在污染物形成的初期,多糖是构成污染物的主要物质。试验也同时证明了间歇运行模式和气体曝气剪切力模式都是有效的减缓膜污染的方法。间歇运行时,膜污染速率随着闲置时间的延长而降低,尤其是在高通量条件下,间歇运行对膜污染的改善更加明显;但当采用气体曝气模式时,存在最佳曝气强度。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 引言
  • 1 绪论
  • 1.1 厌氧生物废水处理技术的发展历程与应用前景
  • 1.1.1 厌氧生物技术的发展历程
  • 1.1.2 厌氧生物技术原理
  • 1.1.3 厌氧生物技术的优缺点与发展方向
  • 1.2 同时厌氧甲烷化与反硝化工艺
  • 1.2.1 同时厌氧甲烷化与反硝化技术的研究进展
  • 1.2.2 同时厌氧甲烷化与反硝化的影响因素
  • 1.2.3 同时厌氧甲烷化与反硝化工艺发展前景
  • 1.3 废水生物脱氮技术
  • 1.3.1 生物脱氮技术的基本原理
  • 1.3.2 传统的生物硝化反硝化两段工艺发展与局限性
  • 1.3.3 生物脱氮技术新工艺与研究进展
  • 1.4 膜生物反应器研究进展
  • 1.4.1 膜生物反应器的发展与研究概况
  • 1.4.2 膜生物反应器的组成与特性
  • 1.4.3 膜污染因素以及控制方法
  • 1.5 本研究的目的、意义和内容
  • 1.5.1 研究背景
  • 1.5.2 研究目的和意义
  • 1.5.3 研究内容
  • 2 厌氧甲烷混合培养基中同时甲烷化与反硝化可行性研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 试验目的
  • 2.3 试验材料与方法
  • 2.3.1 试验内容与研究技术路线
  • 2.3.2 批试验反应装置与试验条件
  • 2.3.3 长期抑制试验反应装置与试验条件
  • 2.3.4 常规试验分析项目与检测方法
  • 2.3.5 生物样品的制备与分析方法
  • 2.4 批试验结果与讨论
  • 2.4.1 初始底物浓度对同时甲烷化/反硝化（全程和短程）的影响
  • 2.4.2 初始碳氮比对同时甲烷化/反硝化（全程和短程）的影响
  • 2.4.3 初始pH对同时甲烷化/反硝化（全程和短程）的影响
  • 2.4.4 反应温度对同时甲烷化/反硝化（全程和短程）的影响
  • 2.5 长期连续抑制试验结果与讨论
  • 2.5.1 长期抑制试验设计与试验条件
  • 2.5.2 长期抑制试验中有机碳与氮的去除表现
  • 2.5.3 长期抑制试验中微生物变化特性分析
  • 2.6 本章小结
  • 2--N累积影响因素分析与探讨'>3 MBR中NO2--N累积影响因素分析与探讨
  • 3.1 引言
  • 3.2 试验目的
  • 3.3 试验材料与方法
  • 3.3.1 试验技术与研究路线
  • 3.3.2 试验装置
  • 3.3.3 试验膜组件及膜材质
  • 3.3.4 试验接种污泥
  • 3.3.5 试验进水水质
  • 3.3.6 试验分析项目与方法
  • 3.4 试验结果与讨论
  • 3.4.1 直接驯化厌氧消化出水实现氨氮去除的可能性研究
  • 2--N累积的影响分析'>3.4.2 SRT对含氮化合物转化以及NO2--N累积的影响分析
  • 2--N累积的影响分析'>3.4.3 DO浓度对含氮化合物转化以及NO2--N累积的影响分析
  • 3.4.4 操作温度,pH值以及FA浓度的影响
  • 2--N累积的影响'>3.4.5 有效C/N比以及C/N对NO2--N累积的影响
  • 3.4.6 循环模式的影响分析
  • 3.4.7 短程硝化反硝化在同时甲烷化/反硝化过程中的意义与优越性
  • 3.5 本章小结
  • 4 UASB-MBR组合工艺处理生活污水性能研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 试验目的
  • 4.3 试验材料与方法
  • 4.3.1 试验技术与研究路线
  • 4.3.2 试验装置
  • 4.3.3 试验分析方法
  • 4.4 不同循环比条件下试验结果与讨论
  • 4.4.1 不同循环比条件下系统的操作条件
  • 4.4.2 不同循环比对污泥分布的影响
  • 4.4.3 不同循环比对UASB以及MBR中DO分布的影响
  • 4.4.4 不同循环比条件下MBR中氨氮的转化路径
  • 4.4.5 不同循环比条件下UASB中同时反硝化/甲烷化过程
  • 4.4.6 不同循环比条件下UASB-MBR组合工艺中TN的去除表现
  • 4.4.7 不同循环比条件下UASB-MBR组合工艺中TOC的降解
  • 4.5 MBR中不同曝气强度对UASB-MBR系统的影响
  • 4.5.1 MBR中不同曝气强度下系统的操作条件
  • 4.5.2 MBR中不同曝气强度对系统中DO和污泥浓度分布的影响
  • 4.5.3 MBR中不同曝气强度对系统TOC去除的影响
  • 4.5.4 MBR中不同曝气强度对系统氮去除的影响
  • 4.5.5 MBR中不同曝气强度对生物沼气产生与组成的影响
  • 4.6 本章小结
  • 5 膜污染物识别与污染控制方法研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 试验目的
  • 5.3 试验材料与方法
  • 5.3.1 试验内容与研究技术路线
  • 5.3.2 试验装置
  • 5.3.3 水质分析方法
  • 5.3.4 膜污染物的表征方法
  • 5.3.5 膜污染阻力的表征方法
  • 5.4 试验结果与讨论
  • 5.4.1 试验运行条件
  • 5.4.2 长期膜污染表现
  • 5.4.3 不同污染层的水力学阻力分析
  • 5.4.4 污染层特性与污染机理研究
  • 5.4.5 膜污染控制方法的对比研究
  • 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
  • 攻读博士学位期间发表学术论文情况
  • 致谢

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