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基于氨氮快速吸附再生的短流程污水处理技术研究

羌佳鑫  
【摘要】:近年来,城镇污水处理厂(WWTP)的污染物排放标准变得更加严格,以防止大量污染物向水体中排放。在中国,国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)要求将总氮(TN)、总磷(TP)分别降低至15和0.5 mg/L。国内外均发布了许多地方标准,并且其水污染物排放限值更为严格。在污水处理厂中,TP可以通过增强生物除磷工艺和化学沉淀来有效控制。硝化和反硝化通常成为污水处理厂的瓶颈,因为它们很容易受到环境条件、碳源短缺、有毒物质等抑制。污水处理厂中常规的脱氮工艺一直面临着排放标准提高的巨大挑战。故本文针对上述问题,构建基于氨氮快速吸附再生(AAR)的短流程污水处理工艺。在本文中,通过沸石柱和NaClO-NaCl再生单元构建AAR系统,并与缺氧/好氧(AO)系统(AO-AAR)耦合以实现短水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)下碳、氮和磷的同步高效去除。与厌氧/缺氧/好氧(AAO)工艺相比,AO-AAR工艺实现了更高效、更稳定的脱氮,在10.4℃时HRT(5.6 h)和SRT(8 d)大大缩短,污水中的氨氮和TN分别低于1.5和8.0mg/L。AO-AAR通过在好氧池中添加铝盐而获得了有效的除磷效果(0.5mg/L)。高负荷和短的SRT会降低污泥的沉降性和脱水性,但会通过改善污泥的生物降解性来增强特定甲烷产量(SMP)。加铝使AO系统运行更加稳定,沉降性和脱水性得到改善,并进一步提高了SMP。短HRT和SRT还导致AO模块中的丝状细菌(Thiothrix)和异养硝化菌(Rhodobacter、Pseudomonas和Acinetobacter)大量繁殖,这有助于增强低温下反硝化潜力和硝化效率。长期运行表明,在NaClO-NaCl再生下,沸石的交换容量和理化性质没有改变。故AO-AAR工艺将显著提高脱氮率,大大减少土地占用,产生具有高SMP的易降解污泥,并有效减少好氧池中的CO_2排放。虽然AO-AAR去除水污染物效果较好,但出水TN浓度仍然有些偏高,故为了实现更有效的TN去除和更短的HRT,将化学增强一级处理(CEPT)、AAR和曝气生物滤池(BAF)串联在一起以构建一个新的工艺(CEPT-AAR-BAF工艺)。在连续运行期间,有效且快速稳定地去除了氮磷等营养物质,总HRT低于5.0 h。沸石柱的最优空柱停留时间(ECRT)为37.5 min,BAF的ECRT为3 h,中试规模的CEPT-AAR-BAF系统出水的COD、NH_4~+-N、TN以及TP浓度分别为17.9±6.0、0.5±0.3、2.4±1.0和0.08±0.05 mg/L。AAR模块通过NaClO-NaCl再生获得了出色的NH_4~+-N吸附性能。经过BAF处理的污水中主要含有可溶性有机物质,同时还富含快速生长的异养细菌(Comamonas和Pseudomonas),而水解细菌和AOB的相对丰度较低。技术经济分析表明,CEPT-AAR-BAF系统获得了较低且稳定的TN,以满足更严格的排放标准,至少节省了60%的土地占用和项目投资,并且应通过研究吸附饱和沸石的再生进一步降低处理成本(0.985元/m_3)。由于AO-AAR和CEPT-AAR-BAF工艺的核心均为AAR系统,为了获得更高的NH_4~+-N吸附容量与可交换能力,本文用不同的改性方法对沸石材料进行改性并研究。天然沸石对NH_4~+-N的吸附包含了膜扩散以及内扩散两个步骤,吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型,主要作用为离子交换、物理吸附。实验结果表明,当温度为25℃、浓度为25 mg/L、体积为200 m L氨氮污水,最佳的天然沸石吸附剂量为8 g。吸附动力学实验结果阐明40 min是此时最佳吸附时间,且氨氮去除率达到了95.4%。KCl、MgCl_2、NaCl、CaCl_2、CH_3COONa和NaOH这6种改性沸石可以在一定程度上提高AAR系统中天然沸石的吸附容量和可交换能力。6种改性沸石的Freundlich吸附等温模型的R2均高于0.94,且显著大于Langmuir和Temkin吸附等温模型的R2,这说明Freundlich吸附等温模型要更适用于描述改性沸石去除氨氮的吸附平衡过程。若改性沸石用于AO-AAR和CEPT-AAR系统中,会使出水中NH_4~+-N和TN浓度降至更低。


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