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《太原理工大学》 2019年
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跌水曝气耦合回流供氧上升流式微氧污泥床生物脱氮性能研究

张潇  
【摘要】:由于生物硝化作用和有氧碳矿化作用,传统污水处理工艺具有曝气量大、污泥产量高等缺点,曝气能耗占污水处理厂运行总能耗的60%。随着“碳中和”、“节能减排”等污水处理新理念逐渐被重视,在污水生物处理的最初阶段先通过以生物絮凝为主要作用的高负荷活性污泥工艺(HRAS)、化学强化一级处理(CEPT)、厌氧生物膜反应器(AnMBR)和精细截留发酵等碳源回收工艺,降低原水中有机碳源进入到后续活性污泥处理阶段的比例,使后续生化曝气过程的能耗降至最低的技术思想,逐渐成为污水处理行业的普遍共识。污水微氧生物处理工艺的溶解氧(DO)浓度为0.3~1.0 mg/L,系统中脱氮途径的多样化使其适用于处理低C/N比污水,节省了曝气量和基建投资,是低能耗的污水处理工艺。国内外对污水微氧生物处理工艺的研究和应用仍局限于高氨氮浓度污水处理领域,对碳源回收后的低C/N比低氨氮浓度城市污水处理的研究报道较少。本文围绕污水微氧生物处理新工艺展开,针对传统曝气方式充氧效率不稳定、复氧不均、DO控制精度低等问题,创新性的将可避免复氧不均的跌水曝气方式耦合于可提高供氧精确度的回流供氧中,提出小高差跌水曝气耦合回流供氧微氧技术,通过调节回流比控制装置内的DO浓度。本文首先确定了该技术处理低C/N比城市污水的设计与控制参数;设计并制作了跌水曝气耦合回流供氧一体化上升流式微氧污泥床反应器(upflow microaerobic sludge reactor,UMSR);基于确定的控制参数,考察了UMSR的快速启动和进水COD/TN比的调控运行;观察了启动期污泥颗粒化现象;分析了启动过程中菌群结构演替规律以及不同COD/TN比运行条件下的微生物结构特征差异;解析了该反应器内的氮转移途径以及活性污泥微环境中的生态位和微生物活动;利用UASB考察了城市污水碳源回收的潜力,构建了UASB-UMSR的厌氧-微氧组合装置,分析了该组合装置处理城市污水的COD和TN的物料平衡。以碳源回收后的低C/N比城市污水为处理对象,在不同DO条件下启动1.5 L的跌水曝气耦合回流供氧装置,以确定该装置处理低C/N比城市污水的控制参数。试验结果表明,在进水NH_4~+-N平均浓度为70.0 mg/L、C/N比为1、HRT为24 h、装置回流比分别为3:1、4:1和10:1,DO浓度分别为0.33、0.42和1.48 mg/L的条件下,反应装置出水NH_4~+-N平均浓度分别为15.9、6.4和0.5 mg/L,TN的去除率分别达到58.5%、81.3%和52.9%,COD的去除率分别为70.2%、80.5%和90.1%;证明了在回流比为3:1和4:1的运行条件下,小高差跌水曝气耦合回流供氧微氧技术可以处理碳源回收后的低C/N比城市污水。基于控制参数的结果,设计并制作了4.4 L的UMSR小试模型,研究UMSR的快速启动过程以及运行参数对UMSR效能的影响。结果表明,UMSR在进水NH_4~+-N和TN平均浓度均为70.0 mg/L,C/N比为1和回流比为5:1的条件下,经过128天的启动期,其出水NH_4~+-N和TN浓度分别低于2.0和7.0 mg/L,去除率分别达到95.1%和90.4%。通过SEM,观测了UMSR的污泥颗粒化过程,在第100天,可观察到平均直径为200μm的致密的污泥颗粒。随后通过微调回流比为4.5:1和5.5:1,其TN去除率分别为86.2%和86.6%,均低于90.4%,因此确定5:1为最佳回流比。通过逐渐增加进水COD/TN比,在进水COD/TN比为0.5和1.5的条件下,UMSR对NH_4~+-N的平均去除率分别达到98.5%和80.0%,对TN的平均去除率分别达到90.0%和75.0%,在进水COD/TN比为2.0的条件下,UMSR对NH_4~+-N和TN的平均去除率分别达到60.0%和70.0%。随着COD/TN比的增加,蛋白质和多糖在SMP、LB-EPS和TB-EPS中的含量逐渐增加。利用高通量测序技术,对启动期微生物群落结构动态演替规律和不同COD/TN比调控运行的微氧污泥进行菌群结构分析,结果表明:经过128天的启动期,AOB的丰度从种泥中的0.25%增加至1.29%,NOB的丰度从0.50%增加至1.32%,异养反硝化菌的丰度从13.61%降低至6.63%,自养反硝化菌的丰度从0%增加至0.94%,厌氧氨氧化菌的丰度从0%增加至0.70%。COD/TN比对NOB的丰度影响较小,在进水COD/TN比为0.5、1.5和2.0条件下,其丰度分别为0.43%、0.42%和0.44%;随进水COD/TN比的增加,厌氧氨氧化菌的丰度从2.45%降低至1.08%,厌氧发酵菌的丰度从1.15%增加至2.51%,自养反硝化菌的丰度在COD/TN比为2.0条件下最高,为8.80%。结合UMSR的污染物去除效能,UMSR内存在多种生物脱氮途径,当COD/TN的去除量比1时,以短程硝化/厌氧氨氧化作用为主;当COD/TN的去除量比1时,以部分反硝化,厌氧氨氧化与异养反硝化作用为主。利用UASB考察了城市污水碳源回收的潜力,随后构建了UASB-UMSR的“厌氧-微氧”组合装置,并对组合装置处理城市污水的COD和TN物料平衡进行评估。结果表明,当进水COD和NH_4~+-N平均浓度分别为400.0 mg/L和70.0 mg/L时,组合装置的COD和TN出水浓度分别为60.0 mg/L和15.0 mg/L,总去除率分别达到95.0%和85.0%。约70%的进水COD在UASB中转化为甲烷;与传统的活性污泥法相比,组合装置的剩余污泥产量减少了80%。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:X703

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