污泥吸附除磷脱氮工艺及其数学模型研究

【摘要】： 低碳源城市废水中的有机物较少,碳、氮与碳、磷的浓度比例小,使得反硝化菌和聚磷菌(phosphate accumulating organisms,即PAOs)之间对碳源的需求矛盾凸显,大部分城市污水处理厂的现有生物工艺很难满足高效除磷脱氮对碳源的要求,导致外排水中氮磷浓度超标,有效处理低有机物浓度、高氮磷含量的污水对传统生物除磷脱氮工艺而言成为极大的挑战。因此,进行此类污水的达标治理成为当前环保界所面临的行业性难题,也是目前的研究热点之一。 本论文的研究工艺为污泥吸附除磷脱氮工艺,是基于污泥吸附特性提出的一种碳源需求量低的活性污泥法工艺,采用污泥吸附+厌氧+多级好氧/缺氧的运行方式。回流污泥和进水同时进入污泥吸附池,利用活性污泥的吸附性能,将进水中的部分CODC“r贮存”在污泥中,吸附后污泥进入厌氧段释磷,污泥浓度较高,厌氧释磷时间缩短;上清液分多点配入多级好氧/缺氧段,提高厌氧池以及整个处理系统的平均污泥浓度,促进PAOs、硝化菌、反硝化菌等目的菌群的增殖优势;进水点设置在缺氧段,为反硝化菌提供有机碳源;同时多级好氧缺氧的运行方式,使得硝化产物随即在缺氧段被消耗,避免对硝化和吸磷过程产生抑制作用。 本论文分别从活性污泥吸附有机物的特性和PAOs的厌氧释磷机理出发,提出了污泥吸附模型和一种新的厌氧释磷模型,并通过实验研究与数据拟合分别对模型进行分析。利用模型和实验,研究了污泥吸附除磷脱氮工艺的运行参数,考察了污泥吸附除磷脱氮工艺的除磷脱氮能力,并分析了工艺系统中活性污泥的生物相和微生物菌群。主要研究成果如下: (1)提出了污泥吸附模型S t= S 0' e-kT。 其中,S0 '为0时刻污水中的CODCr浓度,单位mg/L;k为污泥对污水中CODCr的吸附速率常数,与污水中的有机物种类、污泥浓度、污泥特性等因素有关,单位min-1。 模型分析表明,污泥浓度越高、污泥的吸附效果越好;吸附时间越长,污泥的吸附性也得到加强,其中污泥浓度对吸附效果的影响比吸附时间对吸附效果的影响更明显。在一定范围内,有机物浓度对污泥吸附效果的影响不明显。通过污泥吸附实验,进行了污泥吸附模型的拟合,结果表明该模型能较好地描述不同污泥浓度条件下的污泥对有机物的吸附过程。 (2)提出了一种新的厌氧释磷模型/[1 ( 0 ) / 0]其中, P0为0时刻系统内的TP浓度,单位mg/L; Pm为最大可释磷质量浓度,单位mg/L,与PAOs在污泥中的比例及其特性有关;K为PAOs厌氧释磷常数,单位L/(mg·min),与污泥浓度、有机物种类有关。 通过厌氧释磷实验,进行了厌氧释磷模型的拟合,结果表明该模型能较好地描述不同污泥浓度条件下PAOs的厌氧释磷过程。厌氧释磷常数K受PAOs性状、污泥浓度、有机物种类以及可释磷量等因素的综合影响。实验条件下,厌氧释磷常数K值在0.01~0.02 L/(mg·min)范围内。 (3)提出了“污泥吸附+厌氧+多级好氧/缺氧”新工艺。利用污泥吸附模型、厌氧释磷模型和实验手段,研究了污泥吸附除磷脱氮工艺的运行参数,运行参数定为:污泥吸附时间22 min,回流比0.8,好氧缺氧级数五级,上清液分配比例100%,溶解氧浓度2.5 mg/L~3.0 mg/L,污泥龄20 d (4)实验研究表明,污泥吸附除磷脱氮工艺系统具有较好的除磷脱氮能力,NH3-N、TN和TP去除率分别在91.7%、89.1%和87.2%左右。出水TP指标达到《国家城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B出水标准,其他水质指标均达到一级A出水标准。 (5)污泥吸附除磷脱氮工艺实验系统中的沿程水质变化表明,系统中碳源分配较为合理、污泥浓度高、厌氧释磷效率高、缺氧区前后端存在NH3-N浓度差。在相同的实验运行参数条件下,污泥吸附除磷脱氮工艺的除磷脱氮效果优于传统A~2/O工艺的除磷脱氮效果。 在出水水质(除TP外)达到《国家城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A出水标准的前提下,污泥吸附除磷脱氮工艺所能处理城市废水的最低碳氮比3。(6)通过污泥生物相观察和菌群选择培养,发现污泥吸附除磷脱氮工艺实验系统中具有较多的硝酸菌、亚硝酸菌和反硝化菌。与其他工艺相比,污泥吸附除磷脱氮工艺实验系统中的硝酸菌和反硝化菌数量较少,但亚硝酸菌较多。