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低水力剪切作用下好氧颗粒污泥的形成及其数学模拟

董峰  
【摘要】:好氧颗粒污泥为微生物自发组织聚集的宏观颗粒物质,具有沉淀性能好,生物保有量高,抗有机负荷能力强,在同一单元能够实现同时脱氮除磷等优点。本课题在低曝气强度条件下研究好氧颗粒污泥工艺,探讨好氧颗粒污泥在在处理低有机负荷和低C/N比废水时的形成以及性质,分析影响好氧颗粒污泥处理形成的关键因素。利用厌氧/好氧/缺氧序批示反应器(SBR),在低曝气强度(SGV=0.6cm/s)和低有机负荷(进水COD为150~200 mg/L)条件培养好氧颗粒污泥。50 d操作后,成功获得平滑密实的好氧颗粒污泥。当颗粒污泥的d(0.9)增加到1 mm时,好氧颗粒污泥变得不稳定。推测小尺寸颗粒污泥更稳定,更适应于在小水力剪切作用下处理低浓度废水。出水N-NH4+和P-PO43-浓度都小于1 mg/L,而且出水N-NO3-浓度随着反应器的颗粒化进程而逐渐降低。周期实验显示,大部分进水有机物在厌氧阶段即被去除,在好氧颗粒污泥内部发现存在同时硝化反硝化以及生物强化除磷。聚磷菌(PAOs)主要分布在好氧颗粒污泥外层,所培养的颗粒污泥具有反硝化除磷特性,好氧吸磷速率为26.2 mgP-PO43-/(gVSS·h),缺氧吸磷速率为8.9mgP-PO43-/(gVSS·h)。 以生物膜数学模型和活性污泥数学模型为基础,建立好氧颗粒污泥一维数学模型,并模拟营养物质去除、颗粒粒径变化、反应器周期表现以及好氧颗粒污泥内溶解氧(DO)和菌群分布。模拟有机物Ss浓度和出水N-NH4+浓度逐渐降低,在大约50 d左右达到稳定,50 d后模拟出水浓度分别小于25 mg/L和小于1.5 mg/L。模拟出水N-NO3-浓度随着粒径的增加呈现降低趋势。当颗粒粒径由模拟30 d时的1.1 mm增加到100 d时的2.5mm,颗粒污泥缺氧区面积相应增加,总氮(TN)的去除率由不到60%增加到91%左右,最终模拟出水N-NO3-浓度逐渐降低到小于3 mg/L。在好氧颗粒污泥系统内,由于氧气传质阻力,模拟颗粒污泥外层溶解氧浓度高而内层浓度低,且好氧颗粒污泥内溶解氧特征随时间而发生变化,颗粒内部发生同时硝化反硝化。在好氧初期,好氧颗粒污泥代谢活性高,模拟氧气传质深度大约为100~200μm;而在好氧末期,模拟氧气传质深度为800μm。模拟自养菌主要分布在溶解氧浓度高的颗粒外层,异养菌分布在整个颗粒。好氧颗粒污泥在不同水力剪切强度下模拟生长特征相似,分为初期生长、稳定生长和成熟稳定三个阶段。颗粒污泥平衡状态下粒径随曝气强度的增加而减小。水力剪切力越大,成熟时好氧颗粒污泥粒径越小。高溶解氧和快速降低沉淀时间有利于好氧颗粒污泥得到充足氧气和营养基质用于生长。


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