好氧颗粒污泥脱氮除磷及颗粒污泥膜生物反应器研究

论文摘要

为开发具有高效、节能的可持续污水处理工艺,揭示好氧颗粒污泥同步去除有机物及氮磷机理,本文采用实验室动态试验和间歇试验结合的方法,研究了厌氧-好氧颗粒污泥SBR（GSBR）、连续流颗粒污泥膜生物反应器（CGMBR）和序批式颗粒污泥膜生物反应器（SBGMBR）的有机物、氮、磷等污染物去除效果、同步硝化反硝化除磷特征、作用机理以及影响因素,并同时考察膜生物反应器中颗粒污泥性状变化以及膜污染特性。GSBR稳定运行261d,颗粒污泥系统保持了良好污染物去除效果和抗冲击负荷能力。TOC、氨氮、总氮、磷酸盐的去除率分别在80%、93%、60%、85%以上。颗粒污泥厌氧阶段伴随着磷酸盐释放和糖原降解完成有机物的吸收并以PHB形式储存;好氧阶段实现基于胞内储存物质的同步硝化反硝化除磷。试验表明,反硝化聚磷菌的代谢活性约占总反硝化菌活性的27.87%,占总聚磷菌活性的57.44%。进水C:N减小,系统氨氮及总氮去除率明显下降,但磷酸盐去除率仍可以保持在98%以上;硝态氮投加浓度达到40mg/L以上对颗粒污泥的除磷脱氮效果造成影响。污泥含磷量过高对于除磷脱氮同步反应以及胞内储存碳源的利用是不合理的,试验结果表明污泥总磷含量应控制在2.82%4.66%。pH值在6.148.20之间,颗粒污泥基本能够取得较好的同步硝化反硝（SND）效果。CGMBR稳定运行71d,TOC、氨氮、总氮去除率分别为85%92%、85.4%99.7%和41.7%78.4%。污泥的颗粒形态是CGMBR获得同步硝化反硝化的基础。CGMBR运行中颗粒污泥含量维持在污泥总量的52%60%以上。分别考察了反应器运行中污泥表面电荷、沉降性能、污泥胞外聚合物（EPS）的变化特征,并对反应器中不同粒径污泥比重、含水率以及金属元素含量进行比较研究。结合反应器中污泥混合液过滤性能、微生物溶解物质（SMP）对膜污染以及膜出水影响进行讨论。CGMBR中泥饼层阻力达到总阻力的77.88%,通过对比反应器中悬浮污泥混合液的性状,对泥饼层污泥粒径区间组成、污泥表面电荷特性、比阻值以及污泥EPS等研究表明,混合液悬浮污泥的各性状指标均优于泥饼层污泥的。对膜表面污染层物质光电子能谱（XPS）测试结果表明,膜丝表面污染物中碳原子的键键结合方式以R-C-H和R-C=O为主。SBGMBR运行120d,实现了基于胞内储存物质的同步氮磷的去除。稳定运行阶段TOC、氨氮、总氮及磷酸盐去除率分别为65.7%98.6%、85.4%98.9%及66.1%95.1%、60%80%。以外源基质为碳源的反硝化速率为胞内储存物质的4.2倍,胞内储存物质PHB的慢速降解特性使得硝化与反硝化过程能够同步进行,由此可以获得良好的SND效果。SBGMBR中颗粒污泥含量保持在污泥总量的60%65%以上,并且运行后期有粒径0.180.45mm的小颗粒污泥形成。随着反应器中污泥表面电荷负电性以及EPS含量的增加污泥SVI值增加。絮状污泥中EPS的变化对污泥的沉降性能影响较大。试验所选区间污泥的粒径与SVI之间具有乘幂关系;与污泥表面电荷特性具有线性相关关系。结合膜组件的污染过程以及反应器中悬浮污泥性状特征对泥饼层污染进行了详细研究,反应器中悬浮污泥的过滤性能以及电荷特性等指标明显优于膜丝表面泥饼污染污泥的,可见泥饼层的污染并非是反应器中悬浮污泥简单地在膜表面的累积。SBGMBR中膜表面泥饼污染以及泥饼污泥性状指标均优于CGMBR。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 好氧颗粒污泥技术
• 1.1.1 好氧颗粒污泥的培养与特点
• 1.1.2 好氧颗粒污泥的研究进展
• 1.2 生物脱氮除磷理论研究进展
• 1.2.1 同步硝化反硝化
• 1.2.2 反硝化除磷
• 1.3 膜生物反应器的研究进展
• 1.3.1 膜生物反应器的发展
• 1.3.2 膜生物反应器的研究与应用
• 1.4 本课题研究背景、目的与研究内容
• 1.4.1 研究的目的与意义
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 颗粒污泥基于胞内储存物质的脱氮除磷
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试验装置与运行方式
• 2.2.2 进水水质与接种污泥
• 2.2.3 分析测试项目与方法
• 2.3 GSBR 反应器对污染物去除效果
• 2.3.1 污染物去除效果
• 2.3.2 颗粒污泥同步除磷脱氮特征
• 2.4 颗粒污泥基于胞内储存物质同步硝化反硝化除磷性能研究
• 2.4.1 基于胞内储存物质的缺氧反硝化能力比较
• 2.4.2 基于胞内储存物质好氧硝化反硝化除磷能力比较
• 2.5 GSBR 同步除磷脱氮影响因素研究
• 2.5.1 碳氮比对好氧同步硝化反硝化除磷影响
• 2.5.2 硝态氮的投加方式对同步除磷脱氮影响
• 2.5.3 污泥不同含磷量对除磷脱氮的影响
• 2.5.4 pH 值对好氧阶段同步硝化反硝化除磷的影响
• 2.6 GSBR 中好氧颗粒污泥理化特性
• 2.6.1 颗粒污泥粒径及沉降性能
• 2.6.2 颗粒污泥含水率与比重
• 2.6.3 颗粒结构与生物相
• 2.7 小结
• 第三章 连续流好氧颗粒污泥膜生物反应器
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验装置
• 3.2.2 进水水质及接种颗粒污泥
• 3.2.3 分析测试项目及方法
• 3.3 CGMBR 有机物去除及同步硝化反硝化
• 3.3.1 CGMBR 污染物去除效果
• 3.3.2 CGMBR 中颗粒污泥同步硝化反硝化作用机理
• 3.4 CGMBR 中污泥性状研究
• 3.4.1 污泥粒径变化
• 3.4.2 污泥表面电荷及沉降性能变化
• 3.4.3 污泥EPS变化
• 3.5 不同粒径区间污泥理化特性比较
• 3.5.1 比重与含水率
• 3.5.2 金属元素含量
• 3.5.3 扫描电镜下颗粒污泥表面结构
• 3.6 膜生物反应器中膜组件运行状况及污染特性研究
• 3.6.1 CGMBR中膜组件运行状况
• 3.6.2 CMBR中料液过滤特征
• 3.6.3 CGMBR中膜污染特性
• 3.7 小结
• 第四章 序批式好氧颗粒污泥膜生物反应器
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验装置
• 4.2.2 进水水质及接种颗粒污泥
• 4.2.3 分析项目及方法
• 4.3 序批式好氧颗粒污泥膜生物反应器污染物去除效果研究
• 4.3.1 有机物及氮、磷的同步去除
• 4.3.2 SBGMBR 中基于胞内储存物质的同步硝化反硝化
• 4.3.3 碳源提供方式对颗粒污泥同步硝化反硝化的影响
• 4.3.4 颗粒污泥基于胞内储存物质的同步硝化反硝化特点
• 4.3.5 反应器除磷能力及其特征
• 4.4 SBGMBR 中污泥性状特征
• 4.4.1 好氧颗粒污泥在SBGMBR 运行中的稳定性
• 4.4.2 污泥粒径对污泥性状影响研究
• 4.5 SBGMBR 中膜组件运行状况及膜污染特性研究
• 4.5.1 膜组件运行状况
• 4.5.2 SBGMBR 中料液过滤特征
• 4.5.3 SBGMBR 中膜污染特性
• 4.6 小结
• 第五章 好氧颗粒污泥反应器性能比较分析
• 5.1 污染物处理效果比较分析
• 5.2 好氧颗粒污泥脱氮除磷与其它脱氮除磷工艺比较
• 5.3 好氧颗粒污泥膜生物反应器运行状况分析
• 5.3.1 污染物去除
• 5.3.2 颗粒污泥稳定性能
• 5.3.3 膜污染状况
• 5.4 小结
• 第六章 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
• 附录: 攻读博士学位期间发表论文与参加科研情况
• 致谢