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dUBF-CW耦合工艺处理生活污水的研究

李晓东  
【摘要】: 作为一种低耗污水生态处理系统,构筑湿地(Constructed Wetland, CW)在小水量、分散的生活污水处理及回用领域正得到高度关注。但CW技术存在占地面积大、氮磷去处率低等不足,一定程度上限制了其在生活污水深度处理中的应用,需要严格的预处理工艺作为长期稳定运行的保障。研究开发低能耗、可设备化的预处理工艺,将其与CW技术进行系统耦合,是污水生态处理技术的研究热点和前沿。随着高速厌氧技术的发展,厌氧工艺处理低浓度生活污水(COD<1000mg·L-1)在理论和实践上成为可能,为构建“短流程、低能耗和高效率”的污水生态处理技术提供了理论依据。基于此,本研究首次将厌氧预处理工艺与构筑湿地系统相耦合(double Upflow Anaerobic Sludge Blanket and Anaerobic Filter Coupled with Constructed Wetland, dUBF-CW),建立了一种全新的分散污水深度处理工艺。具体内容包括: 首先,设计了一种可调控污泥回流的两段复合厌氧反应器(dUBF),作为污水生态处理工艺的预处理装置。本反应器首次将两段厌氧技术与UBF复合厌氧工艺相结合,并在EGSB连续污水回流工艺的基础上加以改进,设计了可控的间断污泥回流工艺,以此来实现低温条件下(<20℃)对生活污水的“短时厌氧”处理。实验表明:在合理控制污泥回流的条件下,dUBF可以在较低温度时实现快速启动,其中,当产酸段和产甲烷段污泥回流时间分别控制为间歇2h运行5s、间歇1h运行10s,及总HRT为4h时,dUBF对COD、SS的去除率分别达到60%、80%以上。 其次,设计了水平潜流构筑湿地(Subsurface Flow Constructed Wetland, SSCW)和复合垂直流构筑湿地(Integrate Vertical Flow Constructed Wetland, IVCW)两组模拟系统,其特点是:每组系统的基质配置、运行参数相互独立。实验结果表明:两组湿地对COD、NH4+-N的去除达到污水综合排放标准(GB8978-1996)中的一级标准;TP的去除也达到了二级标准。IVCW由于特殊布水方式,输氧条件较好,对各类污染物的去除效果均好于SSCW。 接着,采用工业副产物——水淬渣作为湿地基质,研究了其强化除磷作用,并从宏观角度分析了CW不同基质层磷素变化规律。研究表明:水淬渣对磷有较高的吸附效果,经Langmuir吸附方程分析,其最大磷素吸附量为3333mg·kg-1,低于钢渣的12500mg·kg-1,高于砂子的270mg·kg-1;基质饱和吸附后,水淬渣中磷素解吸率为0.68%,而砂子和钢渣分别为7.59%和2.15%。虽然水淬渣对磷的吸附效果不如钢渣,但是其水溶液呈中性,对植物生长没有明显副作用(远好于钢渣),所以水淬渣可以作为湿地高效除磷基质。水淬渣除磷的主要机制是:Ca、Al氧化物对污水中磷素的吸附点位活跃,化学吸附-物理沉淀是磷素去除的主要原因。 进而,研究了CW强化脱氮方法,并探讨了生物强化脱氮机理。研究表明:在湿地表层基质中,添加硝化菌活性强的生物基质,可明显缩短湿地系统的启动时间,使其脱氮效率得到迅速提高,与对照(未添加生物基质)相比,氨氮去除率可提高17%以上;随着湿地运行趋于稳定,湿地系统内的微生物结构逐渐成熟,此时可不必添加生物基质,系统的脱氮效果也可以得到充分保障。 最后,将dUBF与CW进行系统耦合,提出了一种全新的分散污水“短流程、低能耗、高效率"的深度处理工艺。通过连续运行实验,对工艺进行了整体优化。结果表明:耦合工艺的优化参数为dUBF段HRT=4h, CW段HRT=1d。耦合工艺出水的COD、SS均满足污水综合排放标准(GB8978-1996)中的一级标准;TP满足二级标准;对于NH4+-N,后续处理为IVCW单元可以满足一级标准,后续处理为SSCW单元可以满足二级标准。


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