水解沉淀—前置反硝化生物滤池工艺处理城市污水效能研究

【摘要】：曝气生物滤池是近年发展起来的污水处理新工艺，具有高效去除SS、COD和脱氮作用，占地面积小、费用低和抗冲击负荷能力强等特点。前置反硝化生物滤池工艺是将A/O工艺与曝气生物滤池相结合，具有曝气生物滤池的所有优点，但在理论研究和实际应用中仍存在预处理效果欠佳、反硝化效率低以及同时碳化硝化曝气生物滤池硝化效率低等问题。 本文针对前置反硝化生物滤池存在的问题，提出了水解沉淀-前置反硝化生物滤池组合工艺，全面分析了水解沉淀池预处理效能和机理，通过实验室模型实验和现场试验，考察了反硝化生物滤池（Denitrification biofilter,简称DN池）和碳化硝化曝气生物滤池（Carbonization and nitrification biological aerated filter，简称CN池）的处理效能和提高反硝化效率和硝化效率的方法，并推导出底物动力学模型，进一步全面了解了前置反硝化生物滤池除碳脱氮原理，对其设计、开发和应用推广具有实际意义。 通过实验室模型分析了沿水解沉淀池高度主要污染物浓度变化规律，以及影响沉淀池处理效能的主要因素，结果认为污泥量和污泥层高度是决定水解沉淀池对污染物去除能力的主要因素。通过对水解沉淀池中污泥抽滤后测间隙水中氨氮浓度以及烧杯吸附实验，证明了沉淀池对NH_4~+-N的去除机理主要为吸附作用，NO_3~--N少量被吸附，NO2--N的去除主要由于反硝化的作用。在相同进水水质和运行条件下，通过对比实验证明，作为反硝化生物滤池的预处理工艺，水解沉淀池的出水可生化性提高要大于普通沉淀池，预处理效果前者明显高于后者。 DN池对TN平均去除率为37.4%，对有机物的去除大部分是由于滤料截留和进水口处DO消耗，其次是作为反硝化反应的电子供体。硝态氮的反硝化作用主要发生在滤池中上部，DN池入口DO较高是DN池内反硝化效率低的主要原因之一。 对反硝化作用的影响因素研究表明，反硝化速率随着温度的升高而增大。COD/NO_3~--N比小于14.0时COD是反硝化反应的限制因素，而大于此值对反硝化影响不大。水力负荷提高，DN池含氧层高度上移，DN池对COD和NO_3~--N的总去除率均呈下降趋势。综合考虑COD和的NO_3~--N去除，回流比为130%比较适合。 将部分CN出水回流入沉淀池可有效的降低DN池内有氧区高度，DN池反硝化率有较大的提高。从减少对沉淀池内COD的消耗和水力负荷冲击的角度来讲分配比1:1为宜。调整进水DO浓度为0并延长DN池反冲洗时间发现， DN池可能出现厌氧氨氧化现象。 稳定运行时CN池出水各项指标可以满足《城市污水处理厂综合排放标准》中的一级B标准。考察了温度、氨氮和COD的容积负荷、水力负荷对CN池的影响，实验结果证明，影响因素对氨氮去除影响显著，对有机物去除影响较小。 采用硝化细菌在载体表面空间占位的方法强化了CN池硝化作用，结果显示，此种方式能够提高载体上硝化细菌的比例和氨氮的去除效率，但硝化作用的强化程度仍决定于进水的营养结构。 采用微生物纯培养方法并结合扫描电镜观察等手段，研究了CN池和DN池生物膜形态和微生物优势菌群结构,考察了在一定的反冲洗模式和强度下，用各功能菌群的生物活性、生物量及二者的乘积考察了反硝化生物滤池和曝气生物滤池菌群功能的恢复。用最大可能计数法计算分析了各功能菌群生物量，其结果充分证明了的对污染物的降解功能与相应微生物功能群体的活性和数量有着必然的联系。 以条件假设和微元物料衡算为基础，在高、中、低不同底物浓度条件下，首次分段建立了CN池内有机物去除动力学数学模型以及有机物竞争条件下氨氮去除动力学数学模型，同时建立了以有机物和硝态氮为基质的双底物反硝化动力学模型。 【关键词】：前置反硝化 曝气生物滤池 水解沉淀 强化硝化 城市污水 数学模型
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-16
• 第1章 绪论16-37
• 1.1 课题背景16-17
• 1.2 污水生物脱氮工艺概述17-22
• 1.2.1 传统生物脱氮技术17-18
• 1.2.2 非传统生物脱氮技术18
• 1.2.3 生活污水典型生物脱氮工艺18-22
• 1.3 曝气生物滤池概述22-31
• 1.3.1 曝气生物滤池产生和发展22-23
• 1.3.2 曝气生物滤池原理、运行方式及特点23-25
• 1.3.3 曝气生物滤池的应用范畴与研究状况25-31
• 1.4 前置反硝化生物滤池概述31-34
• 1.4.1 前置反硝化生物滤池应用31-32
• 1.4.2 前置反硝化生物滤池的预处理工艺研究现状32-34
• 1.4.3 前置反硝化生物滤池中存在的问题34
• 1.5 课题来源及主要内容34-37
• 1.5.1 课题来源34-35
• 1.5.2 研究的目的和意义35
• 1.5.3 主要研究内容35-37
• 第2章 实验材料与方法37-44
• 2.1 实验方案37
• 2.2 实验场地及装置37-40
• 2.2.1 水解沉淀—前置反硝化生物滤池小试装置37-39
• 2.2.2 CN池和单级曝气生物滤池并联运行试验装置39-40
• 2.3 实验用水和滤料40-41
• 2.4 分析项目和方法41-44
• 2.4.1 水质测试方法及所用主要仪器41
• 2.4.2 微生物量和活性分析方法41-44
• 第3章 水解沉淀池预处理城市污水效能44-67
• 3.1 引言44
• 3.2 水解沉淀池启动及处理效能44-48
• 3.2.1 水解沉淀池的启动44-45
• 3.2.2 稳定运行期内水解沉淀池对SS的处理效能45-46
• 3.2.3 稳定运行期内水解沉淀池对COD的去除效能46-47
• 3.2.4 稳定运行期内水解沉淀池对氮化合物的去除效能47-48
• 3.3 主要污染物浓度沿高程变化规律48-51
• 3.3.1 悬浮污泥浓度沿高程变化规律48-49
• 3.3.2 氮化合物浓度沿高程变化规律49-50
• 3.3.3 COD浓度沿高程变化规律50-51
• 3.4 水解沉淀池预处理效能的影响因素51-57
• 3.4.1 表面负荷对水解沉淀池效能影响51-53
• 3.4.2 悬浮污泥层高度对水解沉淀池效能影响53-56
• 3.4.3 水温对水解沉淀池效能的影响56-57
• 3.5 水解沉淀池对主要污染物去除机理57-61
• 3.5.1 水解沉淀池悬浮污泥对NH_4~+-N的去除机理分析58-60
• 3.5.2 水解沉淀池对COD去除机理分析60-61
• 3.6 水解沉淀池与普通沉淀池预处理效能对比61-66
• 3.6.1 对污水SS的处理效果对比62-63
• 3.6.2 对污水可生化性和水解程度的影响对比63-65
• 3.6.3 对后续反硝化生物滤池反硝化效能影响对比65-66
• 3.7 本章小结66-67
• 第4章 前置反硝化生物滤池脱氮效能67-87
• 4.1 引言67
• 4.2 DN池的启动及处理效能67-71
• 4.2.1 DN池的启动67-68
• 4.2.2 稳定运行期内DN池对COD的处理效能68-70
• 4.2.3 稳定运行期内DN池对氮化合物的处理效能70-71
• 4.2.4 稳定运行期内DN池对SS的处理效能71
• 4.3 主要污染物浓度沿高程变化规律71-75
• 4.3.1 COD浓度沿高程变化规律71-72
• 4.3.2 DO浓度沿高程变化规律72-73
• 4.3.3 氮化合物形态及浓度沿高程变化规律73-75
• 4.3.4 SS浓度沿高程变化规律75
• 4.4 DN池反硝化效能的影响因素75-82
• 4.4.1 水温对DN池效能影响75-77
• 4.4.2 COD/NO_3~-N对DN池效能影响77-79
• 4.4.3 水力负荷对DN池效能影响79-80
• 4.4.4 回流比对DN池效能影响80-82
• 4.5 工艺流程改变对DN池反硝化效能的影响82-83
• 4.6 DN池内氮化合物形态转化途径83-85
• 4.7 本章小结85-87
• 第5章 碳化硝化曝气生物滤池效能及强化硝化作用87-110
• 5.1 引言87
• 5.2 CN池的启动及处理效能87-90
• 5.2.1 CN池的启动87-88
• 5.2.2 稳定运行期内CN池对COD的处理效能88-89
• 5.2.3 稳定运行期内CN池对NH_4~+-N的处理效能89-90
• 5.2.4 稳定运行期内CN池对SS的处理效能90
• 5.3 CN池运行效能的影响因素90-99
• 5.3.1 水温对CN池效能影响90-93
• 5.3.2 污染物负荷对CN池效能影响93-95
• 5.3.3 水力负荷对CN池效能影响95-97
• 5.3.4 曝气量对CN池效能影响97-99
• 5.4 主要污染物浓度沿高程变化规律99-102
• 5.4.1 COD浓度沿高程变化规律99-100
• 5.4.2 NH_4~+-N浓度沿高程变化规律100-101
• 5.4.3 SS浓度沿高程变化规律101-102
• 5.5 提高CN池硝化作用效能研究102-108
• 5.5.1 空间竞争理论103-104
• 5.5.2 SBAF池的启动和稳定运行104-105
• 5.5.3 CN池和SBAF池硝化菌群定殖能力对比研究105-107
• 5.5.4 COD与NH_4~+-N比值对硝化菌群定殖能力的影响107-108
• 5.6 本章小结108-110
• 第6章 前置反硝化生物滤池生物膜分析及动力学模型110-132
• 6.1 引言110
• 6.2 CN池生物膜和群落分析110-118
• 6.2.1 CN池微生物特征110-111
• 6.2.2 CN池生物膜量和活性变化111-114
• 6.2.3 CN池和SBAF池优势微生物群落对比114-118
• 6.3 DN池生物膜分析118-120
• 6.3.1 DN池微生物特征118
• 6.3.2 DN池生物膜量和活性变化118-120
• 6.4 底物去除动力学模型研究120-128
• 6.4.1 CN池污染物去除动力学模型建立121-126
• 6.4.2 DN池双底物动力学模型的建立126-128
• 6.5 动力学模型实验数据拟合128-130
• 6.5.1 氨氮动力学模型拟合结果128-129
• 6.5.2 反硝化过程动力学模型拟合结果129-130
• 6.6 本章小结130-132
• 结论132-134
• 参考文献134-147
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果147-150
• 致谢150-151
• 个人简历151

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