论文摘要
针对目前生物除磷脱氮工艺中出现的硝化菌与聚磷菌泥龄的不协调、反硝化与释磷过程对碳源的竞争、厌氧区硝酸盐成分对释磷的影响、沉淀固液分离时富磷污泥的释磷作用及出水中存在少量富磷污泥颗粒导致出水TP提高等问题,提出两级序批式MBR工艺（两级SBMBR）。两级SBMBR工艺以优化除磷脱氮为目的,通过运行条件的控制,将聚磷菌与硝化菌分别控制在两级反应器中优势生长,形成先除磷（同时去除大部分有机物）、后脱氮的运行模式,实现去除有机物的同时,高效除磷与脱氮,并有效控制膜污染,为工程实践提供参考和设计依据。两级SBMBR工艺具有以下特点:①解决自养硝化菌与异养细菌之间泥龄的矛盾,同时又可使最终排水端反应器中为非富磷污泥,再通过膜的高效截留,从而可充分降低出水的TP浓度,最终达到优化除磷与脱氮的效果;②在一级反应器中去除大部分有机污染物,在二级反应器中进一步去除难降解有机物,提高有机物去除率;③降低有毒物质对脱氮的冲击,提高脱氮的稳定性;④序批式、空曝、间歇抽滤出水相结合的运行方式,可以有效控制膜污染。采用两级SBMBR工艺,以青岛崂山区凉泉社区生活污水为处理对象,采用试验与机理分析相结合的研究方法,全面系统地研究了两级SBMBR工艺分级优化除磷脱氮的可行性、处理效能、混合液特性及对膜污染的影响。1、从SBMBR1（除磷级）除磷及去除有机物总体效能、周期除磷特性及除磷机理,SBMBR2（脱氮级）脱氮的总体效能及脱氮动力学等方面对两级SBMBR进行了研究。研究得出:通过运行泥龄的控制（SBMBR1为57d ,SBMBR2为2530d）,两级SBMBR能够将聚磷菌与硝化菌分别控制在两级反应器中优势生长,从而将除磷（同时去除有机物）与脱氮这两个相互矛盾的生物处理过程分别控制在两级反应器中优化完成。在系统稳定运行阶段,出水COD、TN、TP、NH3-N平均值分别为25.75mg/L、12.33 mg/L、0.46mg/L、2.71 mg/L,满足城市景观环境用水水质要求;综合考虑沉淀期间POAs的释磷作用及沉淀效率,确定SBMBR1最佳沉淀时间为20min;通过周期试验确定硝化速率常数k1=0.21,反硝化速率常数k2=0.22,反硝化速率要高于硝化速率。2、通过实验室测定及扫描电镜观察,对比分析了SBMBR1（除磷级）、SBMBR2（脱氮级）混合液污泥特性。试验发现:在混和液物理特性和生物特性方面,两级反应器均表现出了不同。从外观观察SBMBR1反应器中的活性污泥呈浅黄色,随着运行时间的增加,污泥粒径逐步增加,SV、SVI值逐步下降,呈现出较强的颗粒特征,沉降性能良好;SBMBR2污泥呈土黄色,污泥絮体被高强度的曝气所产生的切应力所打碎,污泥粒径迅速降低,絮体较为细碎,和水相混合成均一粘稠的溶液,看不到泥水分界面;低泥龄、高负荷运行,使得SBMBR1可以保持较高的微生物活性,MLVSS/MLSS值、SOUR值均高于SBMBR2;两级反应器活性污泥中均有大量的菌胶团,长杆菌、短杆菌和球菌是构成主体,但SBMBR1活性污泥中含有大量固着型原生动物如累枝虫等,还存在着一定数量的丝状菌,生物相要比SBMBR2丰富。3、借助原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜等手段对平板膜污染现象进行观测和分析,并通过膜表面污染物EPS测定、污染膜表面能谱分析,得出平板膜表面污染物的组成。经过110多天的运行之后,SBMBR2反应器内膜表面形成了导致过膜压力升高的粘稠的污染层,污染后平板膜的粗糙度与清洁膜相比增加了20倍左右,膜表面污染层的最大厚度为1695.74nm。通过达西公式对平板膜的阻力分布进行了表征,得到平板膜自身固有阻力占总阻力的38.24%,沉积阻力占总阻力的53.09%（其中凝胶极化阻力为43.09%）、内部污染阻力占总阻力的8.67%,得出膜表面形成的凝胶层是导致膜过滤性能下降的主要原因。膜污染主要是由有机物污染、微生物污染、无机物污染造成,膜表面有机污染物含量为417.69mgEPS/g.MLSS,蛋白质:多糖=3.5:1,蛋白质为优势污染物;膜表面及膜孔内部生物污染以球菌、杆菌为主;膜表面无机污染物主要是Fe、Na、Zr、Rb、Ca等化合物在膜表面和膜孔内形成的硬垢。4、对SBMBR2反应器中膜污染影响因素进行了研究,通过优化操作方式、投加PAC等措施延缓膜污染。得出:污泥浓度的增加会加剧膜污染的速度;EPS、SMP因膜的截留在反应器内积累,是形成凝胶层的主要影响因素;混合液中,大分子物质占到了61%,大大高于进水与出水,是引起膜污染的主要原因。序批式运行方式与间歇抽滤、空曝相结合的膜运行方式,可以减缓浓差极化,有效降低沉积污染及凝胶层污染,膜比流量下降速率与连续流MBR相比明显降低,系统在运行100多天后,过膜压差仅增加了0.12bar;投加适量PAC,污泥粒径增加,上清液SMP降低,膜的过滤性能明显得到改善,当PAC投加量为1g/L时,膜比流量提高了70%,周期内膜通量衰减速率也有所降低,上清液中蛋白质和多糖含量分别降低了14%、12%,有助于延缓膜污染。对污染膜组件的清洗采用物理清洗与化学清洗相结合的形式,空曝2小时、400ppm次氯酸钠清洗2小时、200ppm次氯酸钠溶液浸泡20小时后膜比通量恢复至81.51%。