强化反硝化吸磷的低碳源污水处理技术

【摘要】：在生物除磷脱氮过程中,有机物(COD/BOD)不仅为生物脱氮过程提供了电子供体、而且也通过生物同化为生物除磷过程提供了富磷污泥载体,因此,有机物已经成为保证生物除磷脱氮效果的一个重要的碳资源。在低碳源污水处理系统中,如何提高有机物的利用率、优化污水处理工艺,已成为低碳源污水处理领域保障除磷脱氮效果亟待解决的问题。笔者所在课题组基于传统生物除磷脱氮理论,分析了生物除磷脱氮的碳耗,发现去除单位磷需要的有机碳源是去除单位硝态氮的6.1倍,认为改变生物除磷方法有利于开发低碳源污水除磷脱氮技术。在综合分析现有污水除磷脱氮技术时进一步发现,低DO控制运行模式,可以降低有机物的无效氧化;利用反硝化聚磷菌能够消除聚磷菌和反硝化菌之间的碳源竞争和控制污泥龄(SRT)的矛盾;将剩余污泥碳源化转化,可以弥补系统的碳匮乏;同时,辅以厌氧释磷污水侧流除磷技术,可以消除除磷效果对生物同化能力以及剩余污泥排放量的依赖。基于此构建了集强化反硝化吸磷、侧流除磷、低DO控制、剩余污泥碳源化补碳的低碳源污水脱氮除磷技术LCS-SDS(Low carbon consumption Sewage Disposal System),并进行了系统性研究。主要内容包括:低碳源污水的反硝化吸磷特性研究、剩余污泥水解酸化碳源化转化特性、DO对除磷脱氮过程的影响、LCS-SDS系统的运行特征及除磷脱氮性能。得出以下主要试验结论:1)在研究低碳源污水反硝化吸磷特性时发现:LCS-SDS系统能够充分利用回流释磷污泥携带的胞内PHB以及上周期残留的NO3--N,强化缺氧反硝化吸磷作用。同时降低残留NO3--N对后续厌氧段的影响,系统厌氧末端和好氧末端磷浓度分别为5.8mg/L、1.1mg/L,出现了明显的厌氧释磷和好氧吸磷现象。论文利用微量热法对反硝化吸磷进行热力学分析发现,当Na Ac作为碳源时,传统生物除磷方式的摩尔电子产热量约为反硝化除磷系统的一半,即反硝化吸磷系统碳源有机物用于氧化还原反应明显多于传统生物除磷系统,这说明厌氧/缺氧环境下生长的反硝化吸磷菌较厌氧/好氧环境下生长的聚磷菌增殖速率慢,污泥产率低。生物能学计算结果表明,传统除磷系统和反硝化吸磷系统污泥产率分别为0.36 g VSS/g COD、0.04g VSS/g COD。进一步分析热力学分析还发现,反硝化吸磷过程较传统除磷脱氮方式可节省碳耗量约29.4%。此外,研究还表明反硝化吸磷系统最佳SRT为32d,SRT过长或过短,其厌氧段合成的PHB较少,而缺氧段放热量高,用于吸磷的能量也少。2)反硝化吸磷因素影响试验结果表明:反硝化吸磷作用主要取决于缺氧段中电子受体NO3--N浓度和胞内PHB含量,延长缺氧时间不能提高反硝化吸磷作用。试验还发现污泥龄(SRT)对反硝化吸磷过程有明显的影响,反硝化吸磷系统最佳污泥龄为20-25d,过低或过高的污泥龄都会致使系统的处理效果下降。3)DO对系统除磷脱氮影响的试验表明:LCS-SDS系统最佳DO工况为0.21mg/L,此时,出水COD、NH4+-N、TN、TP均能稳定达到一级A标,其中出水NH4+-N平均浓度仅为0.3mg/L,去除率达到了98.6%,系统硝化效果并未受到明显的抑制。进一步的周期试验结果表明,DO会对系统脱氮途径多样化产生一定影响,DO浓度为0.1 mg/L会使前缺氧段中的反硝化吸磷作用消失。试验结果还表明DO为0.21mg/L时具有好氧段碳源的有效利用率最高,SND碳耗占好氧段总碳耗的58%,远大于其余两组工况。此外,DO为0.21mg/L的系统中同时存在着三种脱氮途径,分别为反硝化吸磷(15%)、缺氧反硝化(70%)和SND(15%),具有最佳的脱氮除磷效率,其较ERP-SBR系统理论上可以节省脱氮除磷过程碳耗量约27.4mg/L。4)在研究剩余污泥水解酸化碳源化转化特性时发现:序批式反应过程投加接种污泥,对提高剩余污泥降解效率的作用不明显,但是能够改善发酵系统的产酸特性。VS降解效率与剩余污泥投配比成正比。试验表明,当系统发酵至第5天或第25天,剩余污泥投配比范围在60%~80%之间时,此时,系统发酵液中的VFAs浓度最高可达到600mg/L左右,而且系统也具有较佳的VFAs表观转化率(约24%)。而连续投加剩余污泥运行模式下,试验最佳剩余污泥投加量范围为4.0~5.5g/d,此时,污泥负荷率(Nfs)在0.048~0.053 g剩余污泥/(g MLSS·d)之间,系统稳定后,VFAs的表观转化率相对较高约为6.5%,且稳定后发酵液中VFAs浓度可达430mg/L,VFAs/COD比值为40%左右,较其他剩余污泥投加水平要高,是连续投加剩余污泥动态运行发酵工艺较为理想的运行条件。5)在研究水解发酵基质对LCS-SDS系统除磷脱氮性能影响时发现:当发酵液中SCOD和VFAs平均浓度分别为1690mg/L、295mg/L时,LCS-SDS利用剩余污泥碳源化基质作为释磷碳源时,释磷池依然具有稳定的释磷效果,平均释磷量达到了42.0 mg/L。较以乙酸钠为释磷碳源的系统,以污泥水解基质为释磷碳源时,不仅不会影响系统主体反应器中脱氮方式多样性,而且LCS-SDS系统的前缺氧段反硝化吸磷作用得到增强。此外,尽管污泥水解基质会增加释磷池上清液中的氮磷盐浓度,但不会对LCS-SDS系统总体脱氮除磷效果造成明显影响。表明污泥水解液基质作为系统补充碳源是可行的。6)在研究LCS-SDS系统总体运行效果时发现:在进水平均C/N(BOD/TN)、C/P(BOD/TP)比值范围分别为2.6、14.3的条件下,LCS-SDS系统在好氧段平均DO浓度为0.21mg/L,SRT为40d,污泥外循环比10%,LCS-SDS系统总体运行效果良好,出水各项指标均能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A标。进一步分析发现,污泥外循环比降至8%左右也能满足系统除磷要求。7)在研究LCS-SDS系统微生物特性时发现:PCR-DGGE技术分析表明LCS-SDS系统有助于DPAOs的繁殖生长,但会抑制PAOs和GAOs。此外,根据Biolog数据计算得到的功能多样性指数表明LCS-SDS与接种污泥相比,其生物多样性基本没有变化,而主要的优势菌发生了改变,这与PCR-DGGE的结果相似。这表明LCS-SDS系统具有强化反硝化吸磷作用的功能,且在系统中实现了脱氮除磷方式的多样化。从稳定运行的低碳源污水处理系统LCS-SDS分离鉴定可得三株反硝化吸磷菌,分别命名为Klebsiella pneumoniae strains13#,Ralstonia pickettii strain15#,Acinetobacter junii strain17#,其中,13#为低碳源条件下高效的反硝化吸磷菌。此外,还发现除17#外,13#和15#均具有好氧反硝化能力。 【关键词】：污水处理 除磷脱氮 反硝化吸磷 微量热法 侧流除磷 化学除磷
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要3-6
• 英文摘要6-14
• 1 概述14-22
• 1.1 污水处理系统的碳源有机污染物14
• 1.2 城镇污水水质特征及除磷脱氮存在的问题14-16
• 1.2.1 城镇污水水质特征14-15
• 1.2.2 低碳源污水同步脱氮除磷存在的问题15-16
• 1.3 生物除磷脱氮过程碳源消耗量分析16-22
• 1.3.1 传统生物脱氮碳源消耗量分析16
• 1.3.2 传统生物除磷碳源消耗量分析16-18
• 1.3.3 降低生物除磷脱氮碳源消耗量的途径分析18-22
• 2 污水脱氮除磷新技术研究现状22-32
• 2.1 生物脱氮新技术22-25
• 2.1.1 短程硝化反硝化23-24
• 2.1.2 厌氧氨氧化技术及全程自养脱氮工艺24
• 2.1.3 同时硝化反硝化技术（SND）24-25
• 2.2 生物除磷新技术25-28
• 2.2.1 反硝化吸磷25-26
• 2.2.2 侧流除磷技术26-28
• 2.3 剩余污泥碳源化技术28-29
• 2.4 低 DO 控制技术29
• 2.5 课题的提出及主要研究内容29-32
• 2.5.1 课题的提出及研究目的29-30
• 2.5.2 主要研究内容30
• 2.5.3 课题来源30-32
• 3 低碳源污水除磷脱氮系统构的建及研究方法32-42
• 3.1 低碳源污水除磷脱氮系统的构建32-36
• 3.1.1 系统构建的理论基础32-33
• 3.1.2 低碳源污水除磷脱氮系统LCS-SDS33-34
• 3.1.3 LCS-SDS系统运行方式34-36
• 3.2 研究内容及方法36-37
• 3.2.1 低碳源污水反硝化吸磷特性及影响因素研究36-37
• 3.2.2 溶解氧对LCS-SDS系统的影响37
• 3.2.3 污泥水解碳源化转化特性及对LCS-SDS系统的影响37
• 3.3 试验水质及测试方法37-41
• 3.3.1 试验水质37
• 3.3.2 系统微生物特征研究方法37-41
• 3.4 指标测试方法及仪器设备41-42
• 4 新除磷脱氮模式特性研究42-74
• 4.1 低碳源污水反硝化吸磷特性42-44
• 4.1.1 试验方法42
• 4.1.2 系统DO周期变化特征42-43
• 4.1.3 LCS-SDS系统反硝化吸磷特性43-44
• 4.2 反硝化吸磷系统碳耗分析44-57
• 4.2.0 试验方法45-47
• 4.2.1 TBPRS与DPRS反应热变化特征47-49
• 4.2.2 SRT对DPRS反应热的影响49-51
• 4.2.3 反应热和污泥产率的关系51-54
• 4.2.4 反硝化吸磷系统碳耗量分析54-57
• 4.3 反硝化吸磷因素影响57-73
• 4.3.0 试验方法57-58
• 4.3.1 运行工况58-64
• 4.3.2 污泥龄对反硝化吸磷的影响64-70
• 4.3.3 硝态氮浓度对反硝化吸磷的影响70-73
• 4.4 本章小结73-74
• 5 DO对系统脱氮除磷过程的影响74-88
• 5.1 试验方法74-75
• 5.2 低DO状态下各指标的周期变化特征75-81
• 5.2.1 DO周期变化过程75
• 5.2.2 系统COD周期变化75-77
• 5.2.3 不同氮形态的周期变化过程77-79
• 5.2.4 TP的周期变化过程79-80
• 5.2.5 系统除磷脱氮途径及其贡献率80-81
• 5.3 溶解氧对厌氧厌氧强化释磷池释磷效果的影响81-83
• 5.4 低DO状态下运行效果及碳耗分析83-87
• 5.4.1 运行效果83-84
• 5.4.2 碳耗分析84-87
• 5.5 本章小结87-88
• 6 剩余污泥水解酸化碳源化转化特性88-108
• 6.1 试验方法88-90
• 6.1.1 试验装置88
• 6.1.2 序批式水解发酵运行模式试验88-89
• 6.1.3 污泥序水解发酵连续运行模式试验89-90
• 6.2 序批式污泥水解产酸及基质释放特征90-97
• 6.2.1 序批式发酵过程中VS降解过程90-91
• 6.2.2 发酵液中VFAs和COD浓度及其比值的变化特征91-94
• 6.2.3 发酵过程中VFAs和COD的转化率94-95
• 6.2.4 发酵液中NH_4~+-H和PO_4~(3-)-P浓度变化过程95-97
• 6.3 连续运行模式下污泥水解产酸及其基质释放特征97-107
• 6.3.1 动态发酵过程中MLSS变化规律98-100
• 6.3.2 发酵液中VFAs和COD浓度及其比值变化特征100-103
• 6.3.3 污泥发酵产酸综合效果103-105
• 6.3.4 发酵液中NH_4~+-H和PO_4~(3-)-P浓度变化特征105-107
• 6.4 本章小结107-108
• 7 LCS-SDS系统总体运行效果及污泥特性分析108-128
• 7.1 LCS-SDS运行效果108-117
• 7.1.1 试验方法108-109
• 7.1.2 碱解发酵上清液水质特征109-110
• 7.1.3 系统COD去除效果110-111
• 7.1.4 系统脱氮效果及变化特征111-112
• 7.1.5 系统除磷效果及变化特征112-113
• 7.1.6 侧流除磷池释磷效果分析113-114
• 7.1.7 LCS-SDS系统各脱氮行为分析114-115
• 7.1.8 系统除磷行为分析及系统磷平衡115-117
• 7.2 系统微生物特性与污泥特性分析117-121
• 7.2.1 反应器菌群结构分析117-119
• 7.2.2 生物代谢特性分析119-121
• 7.3 低碳源污水系统中反硝化吸磷菌的分离121-127
• 7.3.1 菌株分离实验方法121-123
• 7.3.2 菌株分离鉴定123-125
• 7.3.3 低碳源条件下的脱氮除磷效率试验125-127
• 7.4 本章小结127-128
• 8 结论与建议128-132
• 8.1 结论128-130
• 8.2 主要创新点130
• 8.3 建议与展望130-132
• 致谢132-134
• 参考文献134-144
• 附录144
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文144
• B. 作者在攻读学位期间主研和参与的科研成果144

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