一体化气动内循环好氧缺氧生物膜反应器脱氮性能研究

论文摘要

传统的生物脱氮工艺所包括的硝化和反硝化反应是在两个或多个独立的反应器中进行，或是在时间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行，脱氮过程所需的硝化液的回流需要外加动力泵来实现。这样的工艺投资和运行费用较高，占地面积大。针对这些问题，本课题组设计制作了新型一体化气动内循环生物膜反应器，用于生活污水的脱氮和脱碳处理，硝化反应和反硝化反应分别在反应器不同分区内完成，曝气不但提供了硝化过程所需的溶解氧，而且还利用曝气作用实现了硝化液在反应器内的循环，节约了脱氮过程中所需的能耗。本论文首先研究了一体化气动内循环生物膜反应器不同分区结构对脱氮性能的影响，确定了反应器较优的结构形式为二区结构；在此基础上研究了运行温度、曝气量、进水COD／TN等运行条件对反应器脱氮性能的影响；并对反应器内实现短程硝化反硝化脱氮的可行性进行了研究；最后对本反应器的脱氮机理进行了特性分析。主要研究内容和研究结果如下。（1）论文首先研究比较了不同分区形式的反应器的脱氮效率。结果表明三区和二区结构形式的一体化生物膜反应器均可以在水平方向实现溶解氧的梯度分布，在单体反应器内同时实现了硝化和反硝化过程。在一定的运行条件下，由于硝化区容积的相对增加二区反应器比三区反应器的TN去除效率由所增加。二区反应器对模拟生活污水的TN去除负荷可达到0．080 kgTN／（m3·d），有机物的去除负荷可达到0．53 kgCOD／（m3·d）。荧光原位杂交实验表明，二区反应器的缓冲区内亚硝酸细菌丰度有所增加。以上实验说明二区结构反应器的脱氮性能优于三区结构反应器的脱氮性能。故此，本论文确定了反应器较优的结构形式为二区结构。（2）研究了进水COD／TN和曝气量对反应器硝化反硝化的联合影响。在进水COD／TN值（2．0）较小的情况下，反硝化是脱氮的限制步骤，TN去除负荷为0．052kgTN／（m3·d）。当进水COD／TN值为3．5，通过调整曝气量，TN去除负荷可达到0．069kgTN／（m3·d）。当进水COD／TN值为6．2时，TN去除负荷达到0．080 kgTN／（m3·d）。在一定的进水COD／TN下，曝气量的增加一方面会使缺氧区中的溶解氧升高，不利于反硝化；另一方面也会促进硝化液的回流，有利于更多的NO3--N完成反硝化。曝气量由850L/h增大到1100 L／h时对反硝化的综合影响不大，正反两方面作用趋于平衡。但曝气量达到一定量（1400 L/h）之后会不利于反硝化反应的进行，进而不利于TN的脱除。（3）反应器缓冲区和缺氧区之间的控制板高度决定了两区之间反应液流通截面积，而反应液流通截面积直接影响反应器内液体的循环量和缺氧区内的溶解氧浓度。本论文研究了反应液流通截面积对脱氮效率的影响。结果表明，在一定的曝气量下，通过增大反应液流通截面积可以增加反应器内的液体循环量，提高脱氮效率。当曝气量为850 L／h，反应液流通截面积由150cm2增大到300cm2时，TN去除负荷由0．059提高至0．065kgTN／（m3·d）。而当曝气量较高为1100 L／h时，流通截面积的增大使缺氧区中的溶解氧浓度增加，不利于反硝化，进而不利于TN的去除。（4）研究了运行温度和有机碳源对反应器脱氮性能的联合影响。结果表明，在一定的进水有机负荷下，随着运行温度的升高，NH4+-N和TN去除率都有所升高。在一定的运行温度下，随着进水有机负荷的增加，硝化率下降，反硝化率升高。运行温度为8℃，进水中不加有机碳源时，NH4+-N去除率可达到95％，去除负荷为0．086 kgNH4+-N／（m3·d），TN去除率仅为10％左右。（5）对反应器能否以短程硝化反硝化原理脱氮进行了研究。结果表明运行温度为8℃，进水TN浓度为68-80 mg／L时，通过调整进水碱度反应器内可以实现短程硝化。亚硝酸盐积累率达到80％，NH4+-N去除率达到88％，NH4+-N去除负荷为0．075kgNH4+-N／（m3·d）。硝酸菌属的荧光原位杂交实验表明在8℃下反应器实现短程硝化，很可能是硝酸细菌的活性被抑制了。运行温度为29℃时，进水TN浓度为114-146 mg／L时，通过调整进水碱度和曝气量，反应器可以以短程硝化反硝化的原理进行脱氮。好氧区和缓冲区中亚硝酸盐积累率分别为77％，79％。TN去除率达到72％，TN去除负荷为0．130 kgTN／（m3·d）。荧光原位杂交实验表明在29℃下反应器内实现稳定的短程硝化反硝化是由于硝酸细菌的活性长时间受到游离氨的抑制，在污泥中所占的丰度下降所致。（6）通过测定反应器各区各态氮浓度及各区污泥的硝化及反硝化活性研究了本反应器的脱氮机理。硝化反应主要在好氧区内完成，反硝化反应主要在缺氧区内完成。不同分区的污泥都同时具有硝化活性和反硝化活性。本反应器的脱氮过程，一方面是基于不同分区内发生的硝化反应和反硝化反应以达到脱氮的目的；另一方面，由于反应器各区内液体混合形态不均匀以及各区溶解氧分布不均，在每一个分区内都可能同时发生硝化反应和反硝化反应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 水环境中氮的来源及其对水环境质量的危害
• 1.1.1 水环境中氮的来源
• 1.1.2 水环境中氮对水环境质量的危害
• 1.2 生物脱氮基本原理及影响因素
• 1.2.1 氨化反应
• 1.2.2 硝化反应
• 1.2.3 硝化反应影响因素
• 1.2.4 反硝化反应
• 1.2.5 反硝化反应影响因素
• 1.3 传统生物脱氮工艺及其特点
• 1.3.1 缺氧-好氧（A/O）生物脱氮工艺
• 1.3.2 三段生物脱氮工艺
• 1.3.3 Bardenpho生物脱氮工艺
• 1.3.4 JHB和UCT工艺
• 1.3.5 序批式活性污泥工艺
• 1.4 新型生物脱氮原理及工艺
• 1.4.1 短程硝化反硝化原理及工艺
• 1.4.2 同时硝化反硝化原理及工艺
• 1.4.3 厌氧氨氧化脱氮原理及工艺
• 1.4.4 异养硝化-好氧反硝化原理及工艺
• 1.4.5 一体化生物脱氮反应器
• 1.5 荧光原位杂交技术及其在硝化微生物检测研究中的应用
• 1.5.1 硝化微生物分子生物学研究进展
• 1.5.2 FISH原理
• 1.5.3 硝化细菌分类、特征及探针
• 1.5.4 FISH在硝化细菌检测中的应用
• 1.6 本课题研究的内容、目的和意义
• 2 实验工艺系统与分析方法
• 2.1 实验装置
• 2.2 实验工艺系统及脱氮流程
• 2.3 实验用水
• 2.4 研究方法
• 2.4.1 常规分析项目
• 2.4.2 污泥活性测定
• 2.5 硝化细菌分离纯化与富集
• 2.5.1 菌种鉴别材料与方法
• 2.5.2 硝化细菌分离纯化
• 2.5.3 硝化细菌的富集
• 2.6 荧光原位杂交方法
• 2.6.1 探针及杂交条件
• 2.6.2 玻片处理及药品配制
• 2.6.3 杂交步骤
• 3 反应器结构对脱氮性能的影响
• 3.1 实验条件和分析方法
• 3.2 反应器内DO分布规律及水力停留时间的确定
• 3.2.1 反应器各区内DO的分布规律
• 3.2.2 反应器水力停留时间对脱氮的影响
• 3.3 三区反应器的运行效果
• 3.3.1 运行条件
• 3.3.2 对有机物的去除
• 4⁺-N及TN的去除'>3.3.3 对NH₄⁺-N及TN的去除
• 3.4 二区反应器的运行效果
• 3.4.1 运行条件
• 3.4.2 对有机物的去除
• 4⁺-N及TN的去除'>3.4.3 对NH₄⁺-N及TN的去除
• 3.5 不同分区形式反应器各区DO的分布情况
• 3.6 不同分区形式反应器污泥性状及污泥硝化活性
• 3.7 不同分区形式反应器各区污泥浓度分布
• 3.8 不同分区形式反应器缓冲区亚硝酸细菌检测
• 3.9 本章小结
• 4 COD/TN与曝气量对硝化反硝化的联合影响
• 4.1 实验条件和分析方法
• 4.2 实验目的
• 4.3 理论曝气量的计算
• 4⁺-N氧化所需理论空气量'>4.3.1 NH₄⁺-N氧化所需理论空气量
• 4.3.2 有机物氧化所需理论空气量
• 4.4 COD/TN为2.0时反应器运行效果
• 4.4.1 运行条件
• 4.4.2 对有机物的去除
• 4⁺-N及TN的去除'>4.4.3 对NH₄⁺-N及TN的去除
• 4.5 COD/TN为3.5时反应器运行效果
• 4.5.1 运行条件
• 4.5.2 对有机物的去除
• 4⁺-N及TN的去除'>4.5.3 对NH₄⁺-N及TN的去除
• 4.6 反应液流通截面积对反应器运行效果影响
• 4.6.1 运行条件
• 4.6.2 对有机物的去除
• 4⁺-N及TN的去除'>4.6.3 对NH₄⁺-N及TN的去除
• 4.7 COD/TN为6.2时反应器运行效果
• 4.7.1 运行条件
• 4.7.2 对有机物的去除
• 4⁺-N及TN的去除'>4.7.3 对NH₄⁺-N及TN的去除
• 4.8 本章小结
• 5 温度及有机碳源对反应器脱氮性能影响
• 5.1 实验条件和分析方法
• 5.2 10℃下反应器的运行效果
• 5.2.1 运行条件
• 5.2.2 对有机物的去除
• 4⁺-N及TN的去除'>5.2.3 对NH₄⁺-N及TN的去除
• 5.3 15℃下反应器的运行效果
• 5.3.1 运行条件
• 5.3.2 对有机物的去除
• 4⁺-N及TN的去除'>5.3.3 对NH₄⁺-N及TN的去除
• 5.4 23℃下反应器的运行效果
• 5.4.1 运行条件
• 5.4.2 对有机物的去除
• 4⁺-N及TN的去除'>5.4.3 对NH₄⁺-N及TN的去除
• 5.5 三个温度下的运行效果比较
• 5.6 温度对反应器污泥硝化活性的影响
• 5.7 温度对反应器悬浮污泥的污泥体积指数的影响
• 5.8 本章小结
• 6 反应器短程硝化反硝化脱氮的研究
• 6.1 短程硝化反硝化脱氮的实现途径
• 6.2 实验条件和分析方法
• 6.3 8℃下短程硝化反硝化的研究
• 6.3.1 运行条件
• 6.3.2 反应器运行效果
• 6.3.3 低温短程硝化机理探讨
• 6.3.4 低温短程硝化时反应器中硝化菌属的检测
• 6.4 23℃下短程硝化反硝化的研究
• 6.4.1 运行条件
• 6.4.2 反应器运行效果
• 6.5 29℃下短程硝化反硝化的研究
• 6.5.1 运行条件
• 6.5.2 反应器运行效果
• 6.5.3 高温短程硝化反硝化机理探讨
• 6.5.4 高温短程硝化时反应器中硝酸菌属的检测
• 6.6 低温高温短程硝化反硝化分析讨论
• 6.7 本章小结
• 7 反应器脱氮机理特性分析
• 7.1 实验条件与分析方法
• 7.2 同时硝化反硝化原理脱氮
• 7.2.1 反应器各区各物质浓度分布
• 7.2.2 反应器各区污泥的硝化活性
• 7.2.3 反应器各区污泥的反硝化活性
• 7.3 反应器中硝化细菌的分离与富集
• 7.3.1 硝化细菌的分离纯化
• 7.3.2 硝化细菌的富集
• 7.4 短程硝化反硝化原理脱氮
• 7.5 反应器各区生物性状
• 7.6 本工艺与常规工艺的脱氮特性比较
• 7.7 本章小结
• 8 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢