ABR-MBR组合工艺处理城市污水的性能研究

【摘要】：水体富营养化是太湖流域亟待解决的重大环境问题之一，控制营养元素进入水体是降低水体富营养化风险的有效手段。而城市污水富含大量氮，磷等引起水体富营养化的污染物，故开发一种新型的更加有效的城市污水处理工艺是十分有必要的。为此，结合厌氧折流板反应器(anaerobic baffled reactor, ABR)和膜生物反应器(membrane bioreactor,MBR)各自优势，构建优化组合工艺（CAMBR），以克服传统活性污泥法系统的不足，解决传统MBR工艺存在的问题，减缓膜污染进程，增强其降解有机污染物的能力，同时强化脱氮除磷效果，对进一步提高处理污水出水水质及其实际生产应用具有重要的理论和现实意义。主要研究结果如下： （1）CAMBR工艺历经72天启动成功，ABR各隔室内混合液悬浮固体(MLSS)维持在28g·L~(-1)左右，好氧池和膜池维持在6g·L~(-1)左右，污泥浓度，污泥活性和出水水质稳定。启动阶段ABR内出现了最大粒径3mm的厌氧颗粒污泥及MBR内最大2mm的好氧颗粒污泥，标志着反应器成功启动。CAMBR工艺启动后期稳定运行状况下，系统出水化学需氧量(COD)、氨氮(NH_4~+-N)、总氮(TN)和总磷(TP)的平均浓度分别在32、2.3、13.3和1.22mg·L~(-1)左右，平均去除率分别达91%、92%、72%和70%。 （2）为保证CAMBR工艺良好的出水水质，综合考虑系统运行效果，可以确定工艺的最佳运行条件是水力停留时间(HRT)为7.5h，R为200%以及溶解氧(DO)为3mg·L~(-1)。在此运行条件下，系统出水COD平均浓度为25.6mg·L~(-1)，出水NH_4~+-N平均浓度为0.5mg·L~(-1)，出水TN平均浓度为10.5mg·L~(-1)，出水TP平均浓度为0.4mg·L~(-1)，完全能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，也符合我国回用水水质标准的要求。 （3）整个工艺实现了厌氧反硝化，厌氧释磷，缺氧反硝化除磷，好氧硝化和吸磷等微生物相的有效分离。在HRT为7.5h，R为200%，DO为3mg·L~(-1)，好氧区MLSS浓度为8000mg·L~(-1)的条件下，系统对NH_4~+-N和TN的去除率分别可达99%和80%，其出水NH_4~+-N和TN浓度平均分别为0.33mg·L~(-1)和10.6mg·L~(-1)。好氧池和膜池存在同步硝化反硝化作用，强化了系统脱氮效果。出水TP浓度平均为0.31mg·L~(-1)，去除率为93%。其中MBR对NH_4~+-N、TN和TP的强化去除率分别为14%、11%和18%。工艺生物量大，处理功能强，实现了稳定、高效的同步脱氮除磷功效，出水水质优良，满足小规模城镇污水处理的新型、高效、集成式一体化要求。 （4）在最佳运行条件下（HRT为7.5h，R为200%，DO为3mg·L~(-1)），工艺对进水水质的转换具有较强的适应能力，可对试验的两种实际污水进行有效的处理，出水水质稳定而优良，出水COD浓度低于28mg·L~(-1)，NH_4~+-N浓度低于0.6mg·L~(-1)，TN浓度低于12.6mg·L~(-1)，TP浓度低于0.42mg·L~(-1)，完全能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。不同温度环境下，系统对COD的去除效果很好，TN与NH_4~+-N的去除效果正相关性良好，当工艺稳定运行之后，总体上出水水质较好。中温环境，工艺出水水质良好。高温环境，TN去除率稳定在70%左右，出水浓度为9mg·L~(-1)左右；TP去除率为73%左右，出水浓度为0.8mg·L~(-1)左右。而低温环境，TN去除率仅为57%，出水浓度为15mg·L~(-1)左右；TP去除率稳定在67%左右，出水浓度为1mg·L~(-1)左右。故为取得较好的脱氮除磷效果，系统应该采取保温措施。另外，间歇抽吸出水、水力反冲是减缓膜污染和延长膜组件使用寿命的重要措施，但长期运行则需化学药洗以彻底清除微生物代谢产物等不可逆污染物。膜污染与污泥浓度、膜通量、曝气量三种因素密切相关。 （5）采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(polymerase chain reaction withdenaturing gradient gel electrophoresis, PCR-DGGE)和荧光原位杂交(fluorescence in situhybridization, FISH)技术，对CAMBR工艺整个运行过程中系统内的微生物菌群结构动态变化和各区内优势种群进行分析，结果表明：整个试验过程，系统内菌群呈多样性分布，同时优势菌群突出。在同一时期内，各个反应池菌群相似性较高，微生物菌群结构在相对较短的时间内改变不明显，各个隔室通过各自不同的微环境改变微生物的生理状态，使得微生物在不同反应池中能够发挥不同的作用。反应器内硝化菌群和聚磷菌随试验的运行而逐渐增加，有效保证了系统的脱氮除磷效果。在系统最佳运行条件下（HRT为7.5h，R为200%，DO为3mg·L~(-1)），系统内三种菌得到了富集，并且占全菌的比例较高，是CAMBR工艺高效脱氮除磷的直接原因。 【关键词】：厌氧折流板反应器 膜生物反应器 脱氮除磷 城市污水 微生物种群分析
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目录7-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 厌氧生物处理技术应用概述11-14
• 1.1.1 厌氧生物处理工艺的应用研究11-14
• 1.1.2 厌氧生物处理技术未来发展趋势14
• 1.2 厌氧折流板反应器处理低浓度废水概述14-18
• 1.2.1 ABR 内生物活性及其污泥颗粒化15
• 1.2.2 ABR 运行特性15-16
• 1.2.3 ABR 设计原则16-17
• 1.2.4 ABR 实际运行效果17-18
• 1.2.5 ABR 未来研究发展方向18
• 1.3 膜生物反应器技术18-20
• 1.3.1 膜生物反应器处理城市生活污水概述18-19
• 1.3.2 膜生物反应器处理垃圾渗滤液概述19-20
• 1.3.3 膜污染成因、机理及防治措施20
• 1.4 生物处理工艺脱氮除磷分析20-22
• 1.4.1 生物处理工艺脱氮机理分析20-21
• 1.4.2 生物处理工艺除磷机理分析21
• 1.4.3 同步硝化反硝化研究21-22
• 1.4.4 反硝化除磷研究22
• 1.5 生物脱氮除磷系统内微生物种群优化概述22-24
• 1.5.1 AOB 和 NOB 的调控22-23
• 1.5.2 聚糖菌(GAOs)和 PAOs 的调控23-24
• 1.5.3 PAOs 和 DPAOs 的调控24
• 1.6 立题依据24-27
• 1.7 研究内容27-28
• 1.8 研究意义28-29
• 第二章 CAMBR 工艺处理城市污水的启动研究29-39
• 2.1 前言29
• 2.2 材料与方法29-33
• 2.2.1 试验水质29-30
• 2.2.2 试验装置30-32
• 2.2.3 污泥驯化与接种32
• 2.2.4 试验方案和监测方法32-33
• 2.3 结果与讨论33-37
• 2.3.1 污泥浓度 MLSS 及 MLVSS/MLSS 变化33-34
• 2.3.2 启动过程系统内 COD 的去除效果34-35
• 2.3.3 启动过程系统内 NH_4~+-N 的去除效果35-36
• 2.3.4 启动过程系统内 TN 的去除效果36
• 2.3.5 启动过程系统内 TP 的去除效果36-37
• 2.3.6 CAMBR 工艺中污泥特性37
• 2.4 本章小结37-39
• 第三章 CAMBR 工艺优化条件选择研究39-45
• 3.1 前言39
• 3.2 材料与方法39-40
• 3.2.1 试验水质39
• 3.2.2 试验装置39
• 3.2.3 试验方案和监测方法39-40
• 3.3 结果与讨论40-44
• 3.3.1 条件优化过程中工艺对 COD 的去除效果分析40-41
• 3.3.2 条件优化过程中工艺对 NH_4~+-N 的去除效果分析41
• 3.3.3 条件优化过程中工艺对 TN 的去除效果分析41-42
• 3.3.4 条件优化过程中工艺对 TP 的去除效果分析42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 CAMBR 工艺脱氮除磷机理分析45-52
• 4.1 前言45
• 4.2 材料与方法45
• 4.2.1 试验水质45
• 4.2.2 试验装置45
• 4.2.3 污泥驯化与接种45
• 4.2.4 试验方案与监测方法45
• 4.3 结果与讨论45-51
• 4.3.1 最优工况对 COD 的去除效果分析45-47
• 4.3.2 最优工况对 N 的去除效果分析47-48
• 4.3.3 最优工况对 TP 的去除效果分析48
• 4.3.4 CAMBR 工艺脱氮除磷机理分析48-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 CAMBR 工艺处理实际污水的研究及温度对效能的影响52-66
• 5.1 前言52-53
• 5.2 材料与方法53-55
• 5.2.1 试验水质53
• 5.2.2 试验装置53
• 5.2.3 试验方案53-54
• 5.2.4 监测方法54-55
• 5.3 结果与讨论55-65
• 5.3.1 工艺对 COD 去除效果的研究55-56
• 5.3.2 工艺对 NH_4~+-N 去除效果的研究56-57
• 5.3.3 工艺对 TN 去除效果的研究57-58
• 5.3.4 工艺对 TP 去除效果的研究58-59
• 5.3.5 膜污染分析59-60
• 5.3.6 膜污染层的扫描电镜图片60-61
• 5.3.7 温度对去除 COD 的影响61
• 5.3.8 温度对去除 NH_4~+-N 的影响61-62
• 5.3.9 温度对去除 TN 的影响62-64
• 5.3.10 温度对去除 TP 的影响64-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第六章 CAMBR 工艺内微生物种群分析66-79
• 6.1 前言66
• 6.2 材料与方法66-69
• 6.2.1 试验水质66
• 6.2.2 试验装置66-67
• 6.2.3 试验方案67
• 6.2.4 主要仪器设备67-68
• 6.2.5 微生物学分析方法68-69
• 6.3 结果与讨论69-77
• 6.3.1 微生物的扫描电镜结果69-70
• 6.3.2 PCR-DGGE 结果分析70-75
• 6.3.2.1 CAMBR 工艺 DGGE 图谱分析70-71
• 6.3.2.2 CAMBR 工艺不同区域菌群结构分析71-72
• 6.3.2.3 CAMBR 工艺硝化菌群结构分析72
• 6.3.2.4 CAMBR 系统发育研究72-75
• 6.3.3 FISH 检测结果分析75-77
• 6.3.3.1 不同条件下 CAMBR 系统 FISH 结果分析75-76
• 6.3.3.2 CAMBR 不同区域 FISH 结果分析76-77
• 6.4 本章小结77-79
• 主要结论79-80
• 研究展望80-81
• 论文创新点81-82
• 致谢82-84
• 参考文献84-96
• 附录：作者在攻读博士学位期间发表的论文96

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