低C/N比污水间歇曝气MBR脱氮研究

【摘要】：我国南方许多城市污水的BOD、COD浓度都比较低,普遍存在碳源不足的问题,使用传统活性污泥工艺处理时由于碳源不足而脱氮效率较低,若排放水体则存在富营养化潜在危险,若增加深度处理则存在运行成本高、占地面积大、脱氮也不彻底等问题。而新的生物脱氮工艺又不成熟,工程应用上存在很多问题,因此低C/N比污水的高效脱氮成为当今水处理技术上的一个难题。 论文针对我国南方城市普遍存在的低C/N比污水现状,克服目前膜生物反应器应用于污水回用存在的脱氮不彻底问题,开发了连续流一体化间歇曝气膜生物反应器(Intermittent-aeration Membrane Biological Reactor, IMBR)。IMBR集曝气、沉淀、膜滤于一体,通过三相分离器将反应区与膜室结合形成一体化构造来强化脱氮,实现污泥自回流,节省污泥回流费用,同时由于反应器上部进水中有机物的不断补充,满足反硝化所需碳源,降低了投加碳源的运行成本,提高了脱氮效果。论文的主要研究内容与结果如下： (1) IMBR降污效能及各运行参数对反应器脱氮效果的影响研究表明：工况Ⅱ(曝气2h,搅拌2h)对COD、NH4+-N、TN、SS具有较好的去除效果,系统出水完全满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T18920-2002)的要求,工况Ⅱ为三种工况下的最优运行工况。在工况Ⅱ运行条件下,随着HRT从4h增大到8h时,COD、氨氮和总氮的去除效果明显提高,当HRT增大到12h时,COD的去除效果反而下降,氨氮和总氮的去除效果有微小提高,建议HRT控制在8h左右；随着进水COD浓度和C/N值的升高,出水COD、氨氮与总氮浓度下降,其中总氮去除效果呈明显上升趋势；通过DO、ORP及pH曲线上A点可以判断曝气过程中碳氧化阶段结束及硝化反应的开始,通过DO降至零点及ORP、pH曲线上B点可以判断搅拌过程中硝化反应结束及反硝化开始,通过ORP曲线的硝酸盐膝(C点)和pH曲线的硝酸盐峰(C点)判断反硝化结束与厌氧释磷开始。 (2) IMBR在不同工况的同步硝化反硝化脱氮研究表明：低溶解氧条件下IMBR在工况Ⅰ(持续曝气)、工况Ⅱ(曝气2h,搅拌2h)和工况Ⅲ(曝气2h,搅拌1h)中均存在SND现象。其中工况Ⅲ的SND脱氮效果较好,在曝气阶段的总氮平均去除率为56.38%,最大总氮去除率达到76.97%,在曝气/搅拌交替运行的完整周期内有53.96%的总氮通过SND去除。在工况Ⅲ运行条件下,随着DO浓度的增大,硝化率逐渐增大的同时,同步硝化反硝化率先增大后减小,在DO为0.5-1.0mg/L时SND脱氮效果最佳；随着C/N的增加,SND脱氮效果逐渐提高,当C/N为9时硝化反应成为脱氮过程的限制步骤,降低了TN的去除率,在C/N为7时SND脱氮效果最佳。 (3)扫描电镜SEM图象表明,IMBR系统内的活性污泥絮体粗大而且密实,微生物相非常丰富,活性污泥内生长着大量的细菌、真菌、原生动物和后生动物,丰富的生物相为系统功能的稳定运行提供了有效保证。 (4)根据Monod公式,推导出了IMBR在好氧条件下的同步硝化反硝化动力学模型,工况Ⅱ(曝气2h,搅拌2h)和工况Ⅲ(曝气2h,搅拌1h)的动力学模型中硝酸盐氮饱和常数KD分别为1.37mg/L和1.86mg/L,远远高于单级活性污泥反硝化过程中的饱和常数；工况Ⅲ的动力学常数A、B和KD值均大于工况Ⅱ的A、B和KD值,说明工况Ⅲ在好氧条件下的硝化速率和反硝化速率均高于工况Ⅱ,其氨氮去除效果和SND脱氮效果均优于工况Ⅱ。 (5) IMBR的焓平衡及能耗评价指标分析表明：2h曝气/2h搅拌和2h曝气/1h搅拌两个工况的电耗在输入总能量中所占比例分别为53.38%和50.52%,大于进水能量所占比例,而出水和剩余污泥中能量所占比例均较低,进水中污染物的大部分能量转变成了功和热散失,污染物得到了降解；两个工况的比能耗偏高,能源利用率偏低,原因是进水中有机物浓度明显偏低,小试处理规模较小、供需氧不平衡所致,要提高能耗利用率,应改善供需氧平衡,并尽量减少剩余污泥量。