新型纤维挂膜填料污水处理研究

【摘要】：随着最严格水资源管理制度的实施,全国范围内,节水减排和水生态环境修复任务更加艰巨,污水处理厂提标改造势在必行。研究开发新型污水处理材料、工艺、技术以及强化现有工艺的处理能力形势迫切。生物膜法污水处理技术在治理点源污染和面源污染的实际应用中获得了普遍认可,对挂膜填料的改进研究受到了广泛关注。聚丙烯腈基的活性碳纤维(PAN-ACF)和活性碳纤维毡(PAN-ACFF)具有比表面积高、生物亲和性好、化学性质稳定等优异性能,作为生物膜法挂膜填料的相关研究倍受期待。 1.以PAN-ACF填料为生物膜载体,对模拟生活污水和化工废水进行了小试实验。PAN-ACF用量为40g,比表面积为1200m2·g-1。(1)在模拟生活污水小试实验中,考察了水力停留时间(HRT)和回流比(R)对COD、 NH4+-N、TN去除率的影响。首先测试了HRT为16、12、8、4、2h时的污染物去除率,当HRT为8h时的去除率最高；设定HRT为8h,调节R为1:2、1:1、2:1、4:1,COD、NH4+-N、TN去除率在R为1：1时达到最大值,分别为94.8%、98.0%、62.2%,填料贡献力为1.99(gCOD·d-1)·g-1、0.20(gNH4+-N·d-1)·g-1、0.12(gTN·d-1)·g-1。测试了HRT为8h、R为1：1时4种浓度下填料生物膜抗有机负荷冲击能力,当进水COD浓度为1478.3～1652.4mg·L-1时,填料贡献力最大,为6.43(g·d-1)·g-1。(2)在化工废水小试实验中,进水COD为1900±50mg·L-1, BOD/COD为0.3,考察了DO和HRT对COD去除率的影响,HRT分别为20、15、10、5h,DO分别为3.0、4.0、5.0、6.0mg·L-1。结果表明,当13hHRT19h、5.0mg·L-1DO6.0mg·L-1时,COD去除率高于75%；当进水COD为1851.3～1947.3mg·L-1, HRT为15h、DO为6.0mg·L-1时,COD去除率最高,平均为75.3%,单位质量填料贡献力为6.1(gCOD·d-1)·g-1。 小试实验还发现, PAN-ACF负载生物膜的生物相非常丰富；PAN-ACF表面含有大量的亲水、亲脂活性官能团,有利于提高生物亲和性；填料负载生物量大,挂膜后质量增加了6倍多；填料干燥后仍可重复使用,使用寿命长。 2.以PAN-ACFF和超细丙纶、涤纶纤维为原材料,制作了外夹层包裹内芯的复合填料(CFF)。以CFF为生物膜载体,对生活污水进行了中试实验。(1)制作了“环状毛圈+超细纤维网布+PAN-ACFF内芯”的纤维丝复合填料,比表面积为1450+100m2.g-1,填料束干重为70g.m-1。(2)将活性污泥法与生物膜法进行了整合,制作了“初沉池+预缺氧池+厌氧池+缺氧池1+缺氧池2+好氧池+二沉池”的改进型UCT反应器(MUCT),总有效体积0.54m3,体积比V预缺氧池：V厌氧池：V缺氧池：V好氧池=1：1：2：5。设置了“好氧池到第二缺氧池”(R1)、“二沉池到第一缺氧池”(R2)、“第一缺氧池到预缺氧池”(R3)三套回流系统。缺氧池、厌氧池MLSS为2.5土0.5g·L-1,好氧池MLSS为1.5+0.5g.L-1。反应池放置了CFF填料,总质量为3.36kg,填料束投放数量为T预气氧池：T厌氧池：T缺氧池：T好氧池为2：2：4：16。(3)考察了进出水污染物浓度。设定了三种工况：HRT为12、8、6h,分段进水比为1：9、2：8、3：7,R1为200%、300%、400%,R2=R3为20%、40%、60%,厌氧池、缺氧池、好氧池、二沉池的污泥停留时间(SRT)分别为6、10、10、7d。在工况3时,COD、NH4+-N和TP去除效果最好,进水日负荷分别为1384.8±80.4、113.3±8.9、25.1±2.5g.d-1,去除率分别为93.2±0.8%、87.4±2.1%和90.2+3.7%。出水的COD浓度达到了GB18918-2002一级B标准,NH4+-N接近一级B标准,TP达到了二级标准。填料贡献力为384.2±23.5(gCOD·d-1)·kg-1、29.5±2.6(gNH4+-N·d-1)·kg-1和6.8±0.9(gTP·d-1)·kg-1。(4)考察了MUCT生物膜反应器中含氮化合物浓度变化规律。三种工况下,NO3--N和NO2--N进水浓度低,出水浓度高,在工况1时累积率最高,在工况3时累积率最低。三种工况中NH4+-N的净去除百分比分别为31.4%、52.7%、78.0%。 中试实验认为,MUCT生物膜反应器对污染物有较好的去除能力,在常温下实现了N02--N的高累积率；CFF不需定期反冲洗,在清水中漂洗、浸泡后可重复使用。 3.以CFF为生态基对生活社区纳污人工湖进行了水生态功能修复工程实验。初步形成了“纤维丝复合填料+人工曝气+EM菌剂”的生态基技术,人工湖的水质在较短时间内由GB3838-2002劣五类提升为五类。 总之,论文尝试性的制作了活性碳纤维填料和纤维丝复合填料,并以其作为微生物挂膜载体分别进行了应用研究,达到了预期效果；制作的MUCT生物膜反应器具有稳定的污染物去除能力,机理分析和工艺参数改进还有待进一步深入。 【关键词】：挂膜载体 活性炭纤维 生物膜法 污水处理 纤维丝复合填料 有机纤维
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要6-10
• ABSTRACT10-21
• 符号和缩略词说明21-22
• 第一章 绪论22-50
• 1.1 水资源及污水生物治理技术22-27
• 1.1.1 水资源22
• 1.1.2 我国水资源现状22-24
• 1.1.3 我国水环境污染治理现状24-26
• 1.1.4 污水生物处理技术26-27
• 1.2 水体氮磷污染及生物脱氮除磷技术27-31
• 1.2.1 水体氮磷污染27-29
• 1.2.2 生物法水体氮磷去除原理29-31
• 1.3 微生物脱氮除磷典型工艺及理论31-38
• 1.3.1 微生物脱氮除磷典型工艺31-36
• 1.3.2 微生物脱氮新理论36-38
• 1.4 生物膜法污水处理技术工艺38-40
• 1.4.1 生物膜法特点38-39
• 1.4.2 生物膜法污水处理工艺优缺点39
• 1.4.3 生物膜移动床和固定床反应器39-40
• 1.5 生物膜法挂膜填料40-44
• 1.5.1 挂膜填料的特征40-41
• 1.5.2 挂膜填料的功能分类41
• 1.5.3 纤维丝挂膜填料41-42
• 1.5.4 碳纤维材料挂膜填料42-44
• 1.6 生物膜法污水处理技术存在的问题及发展趋势44-46
• 1.6.1 生物膜法污水处理技术存在的问题44-45
• 1.6.2 生物膜法污水处理技术的发展趋势45-46
• 1.7 论文研究的目的内容意义与创新点46-49
• 1.7.1 论文研究的目的46
• 1.7.2 论文研究的主要内容46-47
• 1.7.3 论文研究的意义47-48
• 1.7.4 论文的创新点48-49
• 1.8 技术路线49-50
• 第二章 活性碳纤维挂膜填料污水处理小试实验50-74
• 2.1 小试实验污水处理挂膜填料50-52
• 2.1.1 活性碳纤维材料制备50-51
• 2.1.2 活性碳纤维填料制作51-52
• 2.2 小试污水处理装置52-53
• 2.3 PAN-ACF处理模拟生活污水小试实验53-62
• 2.3.1 模拟生活污水特征53
• 2.3.2 测试指标及分析方法53-54
• 2.3.3 挂膜启动54-55
• 2.3.4 模拟生活污水处理实验结果与讨论55-62
• 2.4 PAN-ACF处理化工废水小试实验62-70
• 2.4.1 化工废水特征62-63
• 2.4.2 反应条件控制63
• 2.4.3 测试指标及分析方法63
• 2.4.4 化工废水处理实验结果与讨论63-70
• 2.5 PAN-ACF填料性能总结70-72
• 2.5.1 PAN-ACF填料的优点70-71
• 2.5.2 PAN-ACF填料的缺点71-72
• 2.6 小结72-74
• 第三章 纤维丝复合填料生活污水处理中试实验74-96
• 3.1 纤维丝复合填料的设计与制作74-78
• 3.1.1 纤维丝复合填料外火层74-76
• 3.1.2 纤维丝复合填料内芯76-77
• 3.1.3 纤维丝复合填料制作77-78
• 3.2 MUCT生物膜反应器制作及工艺参数78-82
• 3.2.1 MUCT生物膜反应器设计制作78-81
• 3.2.2 MUCT生物膜反应器工艺参数设计81-82
• 3.3 中试实验污水特征82
• 3.4 测试指标及分析方法82
• 3.5 中试实验结果及讨论82-95
• 3.5.1 纤维丝复合填料负载生物膜观察82-84
• 3.5.2 MUCT生物膜反应器中COD,NH_4~+-N和TP去除情况84-86
• 3.5.3 MUCT生物膜反应器中NO_3~--N和NO_2~--N浓度累积情况86-89
• 3.5.4 NH_4~+-N,NO_3~--N,NO_2~--N转化规律分析89-90
• 3.5.5 进水COD/NH_4~+-N和COD-P与污染物去除率关系分析90-91
• 3.5.6 MUCT工艺分析91-92
• 3.5.7 COD,NH_4~+-N,TN,NO_x~--N和TP去除率分布范围统计92-94
• 3.5.8 纤维丝复合填料的再利用性分析94-95
• 3.6 小结95-96
• 第四章 纤维丝复合填料社区人工湖水处理工程实验96-104
• 4.1 生态技术96-97
• 4.2 工程实验背景97
• 4.3 工程水体特征97-98
• 4.4 工程目标和实施思路98-99
• 4.5 工程实验填料99
• 4.6 工程实施过程99-100
• 4.6.1 设施安装99
• 4.6.2 改进措施99-100
• 4.7 工程实验结果与讨论100-103
• 4.7.1 水质达标通过验收100-102
• 4.7.2 填料贡献力估算102-103
• 4.8 小结103-104
• 第五章 结论和展望104-106
• 5.1 结论104
• 5.2 展望104-106
• 参考文献106-119
• 致谢119-120
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研成果120-121
• 作者和导师简介121-123
• 附件123-124

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