废水厌氧生物除磷技术的基础研究

论文摘要

我国的水体富营养化问题日益严重，磷元素是导致水体富营养化的主要因素之一，控制磷排放已成为解决水体富营养化问题的重要途径。近十多年来，厌氧生物工艺在有机废水处理上得到广泛应用，其中上流式厌氧污泥床（UpflowAnaerobic Sludge Blanket，简称UASB）已成为厌氧生物工艺的杰出代表而倍受人们青睐。但是，人们对厌氧生物工艺的关注，焦点集中在除碳功能上，对其除磷功能，则迄今未见系统的研究报道。本课题选用UASB反应器作为工作平台，深入系统地探索了厌氧生物工艺的除磷性能，获得了以下结果：厌氧生物反应器具有良好的除磷效能。在水力停留时间（Hydrulic RetentionTime，简称HRT）为24 h、进水COD和磷酸盐浓度分别为5000～10000 mg/L和5～30 mgP/L的条件下，UASB反应器的容积磷去除率可高达21．4 mgP/L·d，磷酸盐去除率可高达99．0％以上，出水磷浓度低于0．5 mgP/L，达到国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中的一级排放标准。厌氧生物反应器的除磷功能主要来自厌氧微生物的同化作用。将废水中的磷酸盐用作营养物质，使之从废水中转移至厌氧微生物体内（磷由水相转移至固相），再通过泥水分离，使之从废水中去除，这是UASB反应器实现除磷功能的重要途径。厌氧生物反应器的除磷效能受多种因素的制约。进水COD浓度、磷酸盐浓度以及COD/P值皆为UASB反应器除磷效能的显著影响因子。提高进水COD浓度，有利于提高容积磷去除率和磷酸盐去除率。提高进水磷酸盐浓度，有助于提高容积磷去除率，但会降低磷酸盐去除率。提高进水COD/P值，有利于提高磷酸盐去除率，但会限制容积磷去除率。厌氧生物反应器的除磷效能与除碳效能密切相关。提高反应器的除碳效能有助于提高除磷效能，但除碳效能受除磷效能的影响较小。在进水COD/P值较高的条件下（1000：1），依然能够获得较高的除碳效能（10 gCOD/L·d），碳磷去除比例达1182：1；而在COD/P值较低（1000：2～1000：3）的条件下，碳磷去除比例平均值为655：1，并随容积COD去除率的提高而降低至500：1左右。厌氧生物反应器的除磷效能与除氮效能联系紧密。在除氮效能较高的运行条件下，除磷效能相应较高，但在除磷效能较低的情况下，除氮效能也受影响。在进水COD/P值较低（1000：2～1000：3）的条件下，氮磷去除比例稳定在8．6左右，基本不受进水N/P值以及容积氮去除率的影响；而在磷酸盐浓度较低的情况下（1000：1），氮磷去除比例增高，最高达18．8。厌氧生物反应器的除磷效能与生物相组成相关。PCR-DGGE分析以及扫描电镜观察表明，在UASB反应器的运行过程中，颗粒污泥的微生物组成逐步从以甲酸甲烷杆菌（Methanobacterium formicicum）等杆菌和球菌为主，转变为以理事会鬃毛甲烷菌（Methanosaeta concilii）等丝状菌为主。就出水磷浓度而言，以丝状菌为主的UASB反应器优于以球菌和杆菌为主的UASB反应器。厌氧生物反应器的生物相变化与进水有机负荷及COD/P值密切相关。在污泥负荷（0．36～0．86 gCOD/gVSS·d）较低、进水COD/P值（1000：1～1000：2）较高的条件下，容易引发颗粒污泥丝状菌膨胀，导致污泥流失而使反应器运行失稳，影响除磷效能。厌氧生物反应器的除磷效能可受硫酸盐的干扰。当进水COD/SO42-值从7．0降低至2．3时，UASB反应器中的产甲烷过程受到抑制，容积磷去除率由9．6mgP/L·d降至2．0 mgP/L·d。硫酸盐还原成为主导反应时，UASB反应器的除磷效能降低。在进水COD、SO42-和磷酸盐浓度分别为3500 mg/L、1500 mg/L和15～25mgP/L条件下，容积磷去除率为2．0～4．3 mgP/L·d，磷酸盐去除率为12．3％～26．2％。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• List of figures and tables
• 缩写对照表
• 1 引言
• 1.1 水体富营养化现状及危害
• 1.1.1 我国的富营养化现状
• 1.1.2 水体富营养化的主要危害
• 1.2 磷污染的危害及特点
• 1.2.1 磷污染的危害
• 1.2.2 磷污染源的分布和特点
• 1.3 现有除磷工艺评述
• 1.3.1 物理化学法
• 1.3.2 生物法
• 1.4 厌氧除磷工艺的特点及研究现状
• 1.4.1 厌氧工艺的原理和特点
• 1.4.2 厌氧除磷工艺的研究现状
• 1.5 研究内容和研究意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 2 UASB反应器除磷效能及除磷途径的研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 UASB反应器
• 2.1.2 模拟废水
• 2.1.3 接种污泥
• 2.1.4 分批实验方法
• 2.1.5 测定项目及方法
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 UASB反应器的启动及运行工况
• 2.2.2 UASB反应器除磷效能
• 2.2.3 UASB反应器除磷途径
• 2.3 讨论
• 2.3.1 UASB反应器除磷效能
• 2.3.2 UASB反应器除磷途径
• 2.4 小结
• 3 UASB反应器除磷效能影响因素的研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 UASB反应器
• 3.1.2 测定项目及方法
• 3.1.3 数据分析方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 影响因子显著性判断
• 3.2.2 进水COD浓度对除磷效能的影响
• 3.2.3 进水COD/P值对除磷效能的影响
• 3.3 讨论
• 3.3.1 除磷效能对进水基质浓度的响应机理
• 3.3.2 各阶段除磷效能的限制因子
• 3.4 小结
• 4 UASB反应器除磷效能与其他效能相关性的研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 UASB反应器及运行方式
• 4.1.2 测定项目及方法
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 除磷效能与除碳效能的关系
• 4.2.2 除磷效能与除氮效能的关系
• 4.3 讨论
• 4.3.1 碳磷去除比例的影响因素
• 4.3.2 氮磷去除比例的影响因素
• 4.4 小结
• 5 UASB反应器除磷效能与微生物相关系的研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 UASB反应器
• 5.1.2 测定项目及方法
• 5.1.3 DNA提取
• 5.1.4 PCR扩增
• 5.1.5 DGGE
• 5.1.6 克隆及测序
• 5.1.7 系统发育分析
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 颗粒污泥的形成与发展
• 5.2.2 污泥膨胀与除磷效能的关系
• 5.3 讨论
• 5.3.1 微生物种群变化与反应器运行性能的关系
• 5.3.2 UASB除磷效能和微生物相的关系
• 5.4 小结
• 6 硫酸盐还原反应对除磷效能影响的研究
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 硫酸盐还原反应器及运行方式
• 6.1.2 测定项目及方法
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 硫酸盐还原反应器的运行性能
• 6.2.2 硫酸盐还原反应器的除磷效能
• 6.2.3 除磷效能与其他效能的相关性
• 6.3 讨论
• 6.3.1 硫酸盐还原过程的特点
• 6.3.2 酸盐还原反应器的除磷效能
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 研究创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 教育经历
• 攻读博士期间发表的论文