ABR-人工湿地分散处理乡村生活污水的控制因子的强化研究

【摘要】：本论文针对乡村生活污水的生态环境污染问题,通过厌氧折流板反应器(ABR)与改进填料的人工湿地组合技术对乡村生活污水的动态处理试验,结合Fe3+、Fe2+对ABR启动过程的强化效果与污泥颗粒化特征的结果,探讨了ABR-人工潜流湿地技术处理乡村生活污水的可行性及其关键控制因子的强化效果与机制,为乡村生态环境的改善提供技术支撑。获得的主要研究结果如下： ABR-人工湿地处理实际生活污水的动态试验结果表明：在进水CODCr=200-1200mg/L, TN=100-150mg/L, NH3-N=50-150mg/L的条件下,ABR的启动时间为130d,启动完成后继续运行49d,出水CODcr达到城镇污水处理厂二级排放标准(GB18918-2002),相应的TN、TP的平均去除率分别为10.28%、12.49%。栽植芦苇的人工湿地模拟装置采用了给水厂污泥作为强化除磷的填料,其中所含的铝铁物质可以吸附污水中的磷,理论吸附量最高值为13.07mg(PO43--P)/g,优于沸石、钢渣与粉煤灰等常规湿地填料材料。ABR出水经过人工湿地模拟装置的进一步处理后,出水CODcr稳定在20mg/L左右,相应的去除率约为80%,总磷在2.05-6.51mg/L范围,平均去除率为39.2%,氮去除率仅为10%-20%,主要受湿地微生物和植物生长状况的影响。 ABR在上述常规启动运行过程中,各格室污泥中的微生物发生了部分相分离现象。污泥在颗粒化过程中,其长宽比经历了增长-急剧下降-趋于稳定三个阶段,启动成功后颗粒污泥具有趋于球形的密实结构,表面较为光滑。成熟厌氧颗粒污泥的平均粒径为0.54-0.92mm,沉降速度为1.8-29.1mm/s,有效密度为2.82-71.32kg/m3,质量分形维数为2.17-2.69,具有内层密实外层疏松的特征,基于Logan公式确定的颗粒污泥孔隙率为0.60-0.95,而通过石蜡切片图像确定的平均孔隙率仅为0.66-0.81。还提出了ABR处理低浓度生活污水时颗粒污泥成长过程与成熟颗粒污泥的概念模型。 ABR的强化启动过程研究表明：直接投加Fe3+不能提高ABR的处理效果,而采用铁炭微电解装置产生的Fe2+进行强化启动,可以将ABR的启动时间从对照试验的51d缩短为38d,出水CODCr为120mg/L,其去除率提高了10%。ABR各格室中加入Fe2+加速了污泥的生长速度,最终形成了表面光滑结构密实的球形颗粒污泥,各格室中这些颗粒污泥的平均粒径为0.28-0.73mm,而对照ABR和Fe3+作用下的ABR内污泥颗粒的平均粒径仅为0.04-0.20mm。 Fe2+强化启动的ABR运行稳定后颗粒污泥的水凝胶结构分析表明：该颗粒污泥水凝胶结构的关键物质可能为：蛋白质与α-多糖。在中性pH与高离子强度下颗粒污泥的储能模量(G')、结合能(Ec)与屈服应力(τ)较高,表明该颗粒污泥水凝胶结构的强度和弹性较好。在温度为25℃-75℃范围内,该颗粒污泥的平衡水含量(EWC)变化不大；pH4时EWC急剧降低,pH10时EWC迅速升高；离子强度的升高导致了EWC的降低。在本研究的环境条件变化范围内,颗粒污泥的渗透压为负值,具有通过“EPS半透膜”向环境释水的趋势,这与“道南平衡”理论中的凝胶渗透现象的影响因素相关。 此外,通过铁碳微电解装置产生的Fe2+投加到ABR中,进水Fe2+浓度为150mg/L,启动过程中反应器上清液pH值维持在7.0左右,是产甲烷细菌生长的适宜条件。采用PCR-DGGE技术解析了ABR成熟颗粒污泥中真细菌的分子生态学特征,结果表明,与对照ABR相比,Fe2+的加入改变了ABR各格室污泥中微生物种群的分布,前者各格室内分布着大量的螺杆菌属与泥生绿菌属微生物,且在第2格室发现大量的梭菌属与气单胞菌属细菌,第3-5格室发现较多的Uncultured Sulfuricurvumsp.；后者前2个格室的优势种为Uncultured Sulfuricurvum sp.,后3个格室内该细菌数量减少。并且Fe2+的投加导致ABR第二格室至第五格室内微生物多样性指数降低。 论文研究结果证明,ABR-人工潜流湿地分散处理乡村生活污水时,通过铁炭微电解单元释放的Fe2+强化ABR的启动过程、给水厂污泥除磷填料和典型湿地植物强化人工湿地对有机物和磷的去除效果等技术措施的实施,不仅可以缩短关键单元的启动时间,而且提高污染物去除效果,可以作为乡村生态环境改善方面生态处理的储备技术。针对北京市昌平区康陵村低浓度生活污水的水质水量特征,确定了Fe2+强化启动的ABR反应装置为中试工艺的预处理单元,含有给水厂污泥强化除磷填料和典型湿地植物的人工潜流湿地装置作为中试工艺的深度处理单元,计算了4m3/d的ABR-人工潜流湿地中试工艺装置以及铁碳微电解装置的尺寸,绘制了单元装置的结构图。比较了ABR-人工湿地工艺系统与其它乡村生活污水处理系统,分析了前者的优势。 【关键词】：乡村生活污水 人工湿地 生态处理 厌氧折流板反应器 颗粒污泥 强化技术
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-11
• 1. 引言11-34
• 1.1 问题的提出11-12
• 1.2 乡村生活污水处理现状及适用技术12-18
• 1.2.1 乡村生活污水处理现状12-13
• 1.2.2 乡村生活污水处理的适用技术13-18
• 1.3 人工湿地生态处理技术的研究进展18-25
• 1.3.1 人工湿地生态处理技术发展历程18
• 1.3.2 人工湿地处理污染物的机理18-21
• 1.3.3 人工湿地生态处理技术的研究进展21-25
• 1.4 厌氧折流板反应器(ABR)处理技术的研究进展25-32
• 1.4.1 污水的厌氧处理过程与反应器25-27
• 1.4.2 厌氧颗粒污泥的研究进展27-30
• 1.4.3 ABR在污(废)水处理中的应用30-32
• 1.5 研究的目的及意义32-33
• 1.6 研究内容与技术路线33-34
• 2. 材料与方法34-49
• 2.1 研究地点与工艺流程34
• 2.2 试剂与材料34-36
• 2.2.1 试剂34-35
• 2.2.2 接种污泥35
• 2.2.3 原水水质35-36
• 2.3 实验方法36-40
• 2.3.1 人工湿地36-37
• 2.3.2 ABR的启动与运行37-39
• 2.3.3 ABR-人工湿地联合技术39-40
• 2.4 分析测试方法40-49
• 2.4.1 污水分析方法40
• 2.4.2 污泥分析方法40-49
• 3. ABR-人工湿地处理乡村生活污水动态运行过程研究49-84
• 3.1 ABR的启动与运行过程49-76
• 3.1.1 启动与运行过程中污水水质的变化特征49-50
• 3.1.2 ABR启动过程中厌氧颗粒污泥的生长50-63
• 3.1.3 ABR运行阶段厌氧颗粒污泥的特征63-75
• 3.1.4 厌氧颗粒污泥成长模式75-76
• 3.2 人工湿地处理单元的组成76-81
• 3.2.1 填料的组合76-80
• 3.2.2 人工湿地植物的配置80-81
• 3.3 ABR-人工湿地技术的启动与运行过程81-82
• 3.4 小结82-84
• 4. ABR的强化启动研究84-115
• 4.1 对照ABR的启动过程84-89
• 4.1.1 对照ABR启动过程中常规指标变化84-87
• 4.1.2 对照ABR启动过程中污泥颗粒化过程87-89
• 4.2 铁离子强化ABR的启动过程89-113
• 4.2.1 铁离子强化ABR的启动过程中常规指标变化89-95
• 4.2.2 铁离子强化ABR的启动过程中污泥颗粒化过程95-100
• 4.2.3 污泥颗粒成长模式100-113
• 4.4 小结113-115
• 5. ABR-人工湿地处理乡村生活污水中试装置的设计115-123
• 5.1 设计概况115
• 5.2 工艺选择115-117
• 5.3 污水处理构筑物单体设计计算117-121
• 5.3.1 ABR117-120
• 5.3.2 人工湿地120-121
• 5.4 设计图121-122
• 5.5 中试装置的搭建122
• 5.6 小结122-123
• 6. 结论与展望123-126
• 6.1 结论123-125
• 6.2 展望125
• 6.3 创新点125-126
• 参考文献126-140
• 个人简介140-141
• 导师简介141-142
• 攻读博士学位期间主要成果142-144
• 致谢144

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