新型后置反硝化工艺处理低C/N（C/P）比城镇污水性能研究

【摘要】：近三十年来,我国经济社会快速发展、城镇规模日益扩大、城镇污水排放量急剧增加；加上现有城镇污水厂因工艺技术、装置配置和过程控制等方面不足,存在尾水氮磷超标、运行能耗偏高等问题,导致我国水环境质量严重恶化。为强化污水处理工艺生物脱氮除磷性能,国内外研究者从机理探析、工艺优化、过程调控等角度,开展了既有工艺升级优化、强化脱氮除磷新工艺开发等研究,但面对城镇污水组分复杂、进水碳源不足、工艺操控复杂等技术屏障,仍存在系统氮磷去除效率低、运行性能不稳定等问题。为此,开发简便、高效、低耗的脱氮除磷新技术新工艺,需求强烈。 论文针对我国城镇污水C/N比、C/P比低,现有脱氮除磷工艺流程复杂、运行能耗高、尾水达标难等突出问题,围绕生物处理系统内碳源有效利用,开展现有城镇污水厌氧/好氧(A/O)处理工艺强化氮磷去除、污水生物脱氮除磷新工艺开发等研究,得到以下研究结论： 1、以多分室A/O工艺为平台,研究了常规A/O工艺的脱氮除磷性能及主要影响因素。研究发现,A/O工艺脱氮性能受进水C/N比影响较大,当进水C/N比从14.25±2.66降至5.72±0.47时,TN去除率由81.49±6.64%降至61.93±8.55%；工艺除磷性能与进水C/N比、C/P比和污泥浓度等有关,系统在进水C/N比11.55±2.40、C/P比62.48±7.34、污泥浓度3.61±0.51gMLSS/L条件下除磷率稳定在99.33±0.91%；除磷过程物质转化特性分析表明,该A/O工艺具有典型的强化生物除磷(EBPR)系统代谢特征。 2、应对城镇污水厂节能降耗增效的现实需求,研发了低DO序列式A/O工艺。系统在进水COD、NH4+-N、PO43--P分别为241.94±32.55mg/L、47.86±2.01mg/L和3.78±0.13mg/L,好氧段DO浓度0.54±0.92mg/L条件下,COD、NH4+-N、TN、PO43--P去除率分别达91.84±4.90%、98.15±1.56%、65.53±2.21%和100%。过程物质转化特性分析发现,低DO条件下NH4+-N基本去除,同步硝化反硝化(SND)性能有所强化,除磷性能进一步提升；能耗分析结果表明,系统稳定运行阶段处理单位废水所需曝气量为48±3L/L,比常规A/O工艺降低71.2±3.8%,节能优势明显。 3、从生物处理系统内碳源有效利用角度出发,创新研发了连续流后置反硝化AOA工艺。厌氧段混合液按一定比例分流至缺氧段,通过控制厌氧段分流比F(厌氧段分流流量与进水流量之比)为0.5、污泥回流比R为1.0,新工艺在进水COD、NH4+-N、PO43--P分别为400mg/L、37.65±1.64mg/L和5.63±0.14mg/L条件下,TN和PO43--P去除率分别达74.50±1.42%和92.11±5.20%,脱氮性能比A/O工艺显著提升。 构建了表征AOA工艺氮磷去除效果的物质平衡量化模型,分析发现缺氧段PO43--P和NO3--N去除量分别达1.63±0.09gP/d和0.78±0.14gN/d,其PO43--P/NO3--N比为2.17±0.42,表明缺氧段具有反硝化除磷功能,其除磷量占系统总除磷量的24.19±0.52%；分批实验进一步证实,污泥中反硝化聚磷菌(DNPAOs)占聚磷菌(PAOs)的22.20±1.97%。结合模型模拟计算结果可知,该工艺TN去除主要通过异养反硝化、SND和反硝化除磷等途径实现。 4、针对城镇污水碳源不足影响氮磷去除性能的问题,考察了AOA工艺处理低C/N(C/P)比污水过程影响因素。结果表明,当进水C/N比和C/P比分别控制在7.41±0.26和52.36±1.25时,通过将SRT由10d延长到16d,系统TN和PO43--P去除率分别稳定在65.86±2.06%和90.00±3.97%；当进水C/N比、C/P比进一步降至6.14±0.32和43.40±1.37时,将A/O/A体积比由1/3/1调整为1/2/2,TN和PO43--P去除率分别升至69.76±3.36%和98.73±1.82%；综合分析认为,在SRT为16d、A/O/A体积比为1/2/2条件下,处理低C/N(C/P)比污水AOA工艺可获得较好的氮磷去除效果。 分析AOA工艺不同工况下污泥PHA等内碳源含量变化发现,污泥PHA含量与进水COD浓度呈正相关,其含量的降低影响SND和反硝化除磷性能,从而导致系统氮磷去除性能下降；延长SRT可保证体系内一定的污泥浓度及内碳源含量,缩短好氧HRT、延长缺氧HRT亦可提高污泥PHA含量,强化系统脱氮除磷性能；可见,采用控制SRT、调整好氧/缺氧HRT等策略,可保证处理低C/N(C/P)比污水AOA工艺高效稳定运行。 5、为提升AOA工艺处理效能、简化工艺流程,取消厌氧段混合液分流,研发了低DO连续流AOA工艺。在进水COD、NH4+-N和PO43--P分别为300mg/L、49.99±2.64mg/L和3.79±0.1Img/L条件下,将好氧段DO浓度控制在1.19±0.16mg/L、好氧和缺氧HRT分别控制在2h和4h,系统NH4+-N.TN和PO43--P去除率分别达95.07±1.57%、93.26±1.30%和97.83±2.95%。 模型分析表明,好氧段和缺氧段TN去除负荷分别为0.112±0.013gN/gVSS/d和0.055±0.015gN/gVSS/d,二者对TN去除的贡献率分别为41.76±1.03%和39.93±6.11%；缺氧段去除的PO43--P为0.76±0.14gP/d, NO3--N为0.80±0.16gN/d,分析认为,其中0.36±0.07gN/d的NO3--N通过反硝化除磷去除,其余NO3--N则由反硝化聚糖菌(DNGAOs)去除。 对新工艺的脱氮除磷机理分析发现,缩短好氧HRT可减少好氧段PHA消耗、提高污泥PHA含量,从而强化好氧SND和反硝化除磷作用,改善系统脱氮除磷性能。与前述基于厌氧混合液分流的AOA工艺相比,低DO连续流AOA工艺不仅脱氮除磷性能进一步提升,而且处理单位废水曝气量降低了11.6±0.56%,能耗更低。 综上,新型低DO连续流AOA工艺取消了厌氧混合液分流,工艺更简单；基于内碳源的好氧SND作用和后置反硝化作用得到强化,系统脱氮性能更强；曝气量减小,能耗更低,可为低C/N(C/P)比城镇污水处理提供新的技术思路。 【关键词】：生物脱氮除磷 后置反硝化 反硝化除磷 同步硝化反硝化 内碳源
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 致谢6-8
• 摘要8-11
• ABSTRACT11-16
• 第一章 城镇污水脱氮除磷工艺技术现状及发展趋势16-37
• 1.1 引言16
• 1.2 城镇污水生物脱氮除磷技术研究现状16-24
• 1.2.1 A/O及其改进工艺16-20
• 1.2.2 SBR工艺20-23
• 1.2.3 氧化沟工艺23-24
• 1.3 城镇污水脱氮除磷新工艺研究进展24-32
• 1.3.1 反硝化除磷工艺24-27
• 1.3.2 短程硝化反硝化工艺27-29
• 1.3.3 同步硝化反硝化工艺29-32
• 1.4 城镇污水脱氮除磷关键问题及技术需求32-34
• 1.4.1 城镇污水脱氮除磷关键问题32-33
• 1.4.2 强化脱氮除磷技术需求33-34
• 1.5 研究目的及内容34-37
• 第二章 A/O工艺脱氮除磷性能及影响因素研究37-60
• 2.1 材料与方法37-41
• 2.1.1 试验装置与运行37-39
• 2.1.2 进水水质与接种物39-40
• 2.1.3 分析方法40-41
• 2.2 结果与讨论41-58
• 2.2.1 A/O工艺COD去除性能41-43
• 2.2.2 A/O工艺脱氮性能及影响因素43-48
• 2.2.3 A/O工艺除磷性能及影响因素48-58
• 2.3 小结58-60
• 第三章 A/O工艺降耗及脱氮除磷效能挖掘60-74
• 3.1 材料与方法60-62
• 3.1.1 试验装置60-61
• 3.1.2 进水水质与接种物61
• 3.1.3 试验方案61
• 3.1.4 污泥好氧和缺氧吸磷速率测定61-62
• 3.1.5 分析方法62
• 3.2 结果与讨论62-73
• 3.2.1 低DO序列式A/O工艺运行性能62-68
• 3.2.2 改良A/0工艺脱氮除磷过程特性68-72
• 3.2.3 系统能耗分析72-73
• 3.3 小结73-74
• 第四章 新型后置反硝化(AOA)工艺开发与性能研究74-87
• 4.1 材料与方法74-76
• 4.1.1 试验装置74-75
• 4.1.2 进水水质75
• 4.1.3 工艺启动及运行策略75-76
• 4.1.4 分析方法76
• 4.2 结果与讨论76-86
• 4.2.1 AOA工艺脱氮除磷性能76-79
• 4.2.2 AOA工艺脱氮除磷过程特征79-83
• 4.2.3 AOA工艺物料平衡分析83-86
• 4.3 小结86-87
• 第五章 AOA工艺处理低C/N(C/P)比污水过程影响因素分析87-105
• 5.1 材料和方法87-89
• 5.1.1 实验装置87
• 5.1.2 进水水质87
• 5.1.3 工艺运行和调控87-88
• 5.1.4 分析方法88-89
• 5.2 结果与讨论89-103
• 5.2.1 处理低C/N(C/P)比污水脱氮除磷性能与影响因素89-93
• 5.2.2 AOA工艺脱氮除磷机理解析93-103
• 5.3 小结103-105
• 第六章 AOA工艺效能提升与稳定性分析105-124
• 6.1 材料与方法105-107
• 6.1.1 实验装置105-106
• 6.1.2 进水水质106
• 6.1.3 试验方案106-107
• 6.1.4 分析方法107
• 6.2 结果与讨论107-122
• 6.2.1 低耗连续流AOA工艺优化与效能提升107-115
• 6.2.2 AOA工艺运行稳定性115-121
• 6.2.3 系统能耗分析121-122
• 6.3 小结122-124
• 第七章 结论和展望124-128
• 7.1 主要研究结论124-126
• 7.2 创新点126
• 7.3 不足与展望126-128
• 参考文献128-136
• 个人简介136
• 攻读博士学位期间取得的成果136
• 所获奖励136

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