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改良A~2/O分段进水工艺处理低C/N市政废水的性能与优化控制

作　者: 曹贵华
导　师: 王淑莹
学　校: 北京工业大学
专　业: 环境工程
关键词: 分段进水工艺低C/N废水脱氮除磷碳源利用率运行控制策略
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

截止2011年全国污水处理厂中氧化沟系列的工艺占28.6%，传统连续流缺氧/好氧(A/O)工艺、厌氧/缺氧/好氧(A2/O)工艺系列占27.1%，续批式反应器(SBR)系列占16.5%，传统活性污泥工艺系列占27.8%。上述工艺由于存在单一污泥生长系统所固有的弊端，导致我国90%以上的污水处理厂不能实现稳定GB18918-2002一级A排放标准；尤其是低浓度、低COD/TN(C/N)废水更成为污水处理厂出水达标排放的一个“瓶颈”。如何合理地利用废水中的有机碳源以提高氮磷去除效率成为传统生物脱氮除磷技术出水达标排放的关键，同时可有效遏制缓流水体富营养化的进一步恶化。连续流分段进水工艺由于具有污泥浓度高、水力停留时间短、碳源利用率高、氮磷去除稳定高效、节省内回流等特点被国内外广泛研究、应用。因此，分段进水技术可为低浓度、低C/N废水处理提供一条达一级A标准的新途径。目前对分段进水工艺的研究主要基于实验室模拟废水以及较高浓度、较高C/N城市生活污水两个方面，国内外并未见任何有关利用分段进水技术处理低浓度、低C/N实际市政废水研究与应用的报道。为了推动分段进水工艺更广泛的应用，以及为我国南方低浓度、低C/N污水处理厂实际运行提供科学的指导，本研究开发了一套改良A2/O分段进水脱氮除磷新工艺。利用江苏省扬州市江都清源污水处理厂(40000m3.d-1)旋流式沉砂池出水作为研究对象，实验原污水平均COD、氨氮、总氮、总磷、COD/TN和COD/TP分别为146mg.L-1、30.8mg.L-1、31.4mg.L-1、2.9mg.L-1、4.77和52.8；在稳态进水和非稳态正弦波进水两种情况下，考察工艺脱氮除磷性能的影响因素以及优化运行策略：①稳态进水时，研究了工艺的最佳进水流量分配比、体积比、水力停留时间(HRT)、溶解氧(DO)的优化与运行策略，并且对强化系统的同步硝化反硝化(SND)效果以及如何实现短程硝化反硝化策略进行系统讨论；②非稳态正弦波进水时，研究了不同振幅对工艺污染物去除与出水变化规律的影响以及好氧段合理的DO控制范围，同时研究了恒曝气量和周期性变曝气量两种DO控制模式的优化策略，可为本工艺的设计以及后续实际运行提供更科学的参考。（1）稳态进水时，通过优化系统控制参数以及对工况下污染物出水效果的比较，确定了工艺的不同运行模式：①单纯以活性污泥法实现脱氮除磷达一级A标准角度分析，获得系统最优且最经济的运行参数：进水流量分配比为20:35:35:10%、厌氧/缺氧/好氧体积比为4:8:10(每段缺氧/好氧体积比为1:1)、HRT为7h、SRT为15d、污泥回流比为75%、好氧段DO控制范围为0.8-1.2mg.L-1，平均出水COD、氨氮、总氮、总磷浓度分别为27.43mg.L-1、1.57mg.L-1、14.3mg.L-1、0.25mg.L-1，并且原水COD绝大部分作为厌氧释磷和反硝化脱氮所需碳源，系统对碳源有效利用率达70%以上；另外，通过控制好氧段DO为1.0-1.5mg.L-1、并在好氧段投加悬浮填料的策略可以将工艺的HRT进一步缩短至6h，平均出水COD、氨氮、总氮、总磷浓度分别为25.92mg.L-1、1.98mg.L-1、14.5mg.L-1、0.47mg.L-1，并且该运行控制条件下可强化系统中SND效果同时降低对碳源的需求。②从活性污泥法结合化学法实现出水达一级A标准角度确定工艺的最佳运行参数如下：进水流量分配比为20:35:35:10%、厌氧/缺氧/好氧体积比为5:9:8(每段缺氧/好氧体积比为2:1)、HRT为7h、SRT为15d、污泥回流比为75%、好氧段DO控制范围为0.3-0.5mg.L-1，出水COD、氨氮、总氮和总磷分别为28mg.L-1、0.33mg.L-1、8.69mg.L-1和0.65mg.L-1。其中系统中氮去除主要通过短程硝化反硝化实现，亚硝化率达到58%，较低的DO和较短的好氧段HRT是分段进水工艺实现短程硝化反硝化的限制性因素；但总磷还需通过化学法进行深度去除。该运行条件的优势在于适用于低C/N废水并且大大节约曝气能耗，主要劣势在于实现短程硝化反硝化并大量富集AOB的控制条件相当严格且所需周期较长。（2）非稳态进水时，考察非稳态正弦波进水不同振幅对污染物去除的变化规律以及相应好氧段DO的控制策略，结果表明：①进水流量分配比为20:35:35:10%、稳态进水时HRT为8.7h的条件下，非稳态正弦波进水振幅分别为±25%、±50%、±75%时，对COD去除影响不大，但出水氨氮、总氮和总磷浓度逐步增加；不同振幅条件下出水COD浓度均以分段函数形式变化，出水氨氮、总氮和总磷均以类似正弦曲线波动；当进水出现峰谷值时，三个工况出水氨氮的峰谷值都分别延后2h、3h、5h，出水硝态氮的峰谷值分别都延后8h、9h、11h，出水总氮的峰谷值分别延后8h、9h、5h，出水TP的峰谷值分别延后4h、3h和2h。②周期性变曝气量和恒曝气量的两种运行控制模式，对COD和TP去除影响不显著，但是周期性变曝气量有利于提高对氨氮和TN的去除率；相对于恒曝气量，在进水波峰和波谷时周期性变曝气量的进水碳源有效利用率均提高。③当恒定曝气量时，正弦波动振幅为±25%，控制平衡位置初始DO浓度为2mg.L-1，出水均可达一级A排放标准；当周期性变曝气量时，正弦波动振幅可提高至±50%，控制DO浓度为1-3mg.L-1，出水均可达一级A排放标准，并且相比于恒曝气量可节省9.2%的曝气能耗。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-19
第1章绪论  19-47
  1.1 课题背景及研究目的和意义  19-22
    1.1.1 课题来源  19
    1.1.2 课题背景  19-21
    1.1.3 课题目的和意义  21-22
  1.2 常规生物脱氮除磷基本原理与影响因素  22-28
    1.2.1 污水生物脱氮基本原理  22-24
    1.2.2 污水生物脱氮的影响因素  24-26
    1.2.3 污水生物除磷基本原理  26-27
    1.2.4 污水生物除磷的影响因素  27-28
  1.3 同步硝化反硝化脱氮理论与技术  28-30
  1.4 短程硝化反硝化脱氮理论与技术  30-31
  1.5 反硝化除磷理论与技术  31-32
  1.6 国内外分段进水工艺的研究与应用现状  32-42
    1.6.1 国外分段进水工艺的研究与应用  32-36
    1.6.2 国内分段进水工艺的研究与应用  36-42
  1.7 改良 A2/O 分段进水脱氮除磷工艺  42
  1.8 本课题的主要研究内容  42-45
  1.9 本课题的特色与创新  45-47
第2章试验材料与方法  47-55
  2.1 试验装置及运行程序  47-52
    2.1.1 改良 A2/O 分段进水脱氮除磷生化系统  47-48
    2.1.2 改良 A2/O 分段进水流化床生化系统  48-50
    2.1.3 改良 A2/O 正弦波分段进水控制系统  50-52
  2.2 改良 A2/O 分段进水工艺中污染物物料衡算方法  52
  2.3 试验用水与污泥接种  52-53
    2.3.1 实验用水水质  52-53
    2.3.2 实验污泥接种  53
  2.4 分析项目及检测方法  53-54
  2.5 研究方法及试验方案  54-55
第3章流量分配比对改良 A2/O 分段进水脱氮除磷性能的影响  55-67
  3.1 试验目的与运行方案  55
  3.2 试验条件  55-56
  3.3 结果与讨论  56-65
    3.3.1 不同阶段系统对 COD 的去除特性  56-58
    3.3.2 不同阶段系统对氮的去除特性  58-61
    3.3.3 不同阶段系统对磷的去除特性  61-62
    3.3.4 不同阶段系统各段 DO、ORP、pH 变化规律  62-64
    3.3.5 系统各好氧段污泥沉降性能描述  64-65
  3.4 本章小结  65-67
第4章体积比对分段进水工艺处理低浓度废水性能的影响  67-79
  4.1 试验目的与运行方案  67-68
  4.2 试验条件  68
  4.3 结果与讨论  68-77
    4.3.1 体积比对 COD 去除及利用率的影响  68-70
    4.3.2 体积比对磷去除特性的影响  70-73
    4.3.3 体积比对 TN 去除特性的影响  73-77
  4.4 本章小结  77-79
第5章改良 A2/O 分段进水工艺水力停留时间的优化与运行  79-87
  5.1 试验目的与运行方案  79-80
  5.2 试验条件  80
  5.3 结果与讨论  80-86
    5.3.1 不同 HRT 对污染物去除效果的影响  80-82
    5.3.2 不同 HRT 对进水碳源利用率的影响  82-83
    5.3.3 不同 HRT 对 SND 的影响  83-85
    5.3.4 分段进水工艺处理低浓度废水的运行控制策略  85-86
  5.4 本章小结  86-87
第6章改良 A2/O 分段进水工艺同步硝化反硝化的强化  87-97
  6.1 试验目的与运行方案  87
  6.2 试验条件  87-88
  6.3 结果与讨论  88-94
    6.3.1 系统对污染物去除性能  88-90
    6.3.2 分段进水工艺 SND 影响因素分析  90-94
  6.4 本章小结  94-97
第7章改良 A2/O 分段进水工艺处理低浓度低碳氮比废水实现短程硝化反硝化  97-107
  7.1 试验目的与运行方案  97-98
  7.2 试验条件  98
  7.3 结果与讨论  98-104
    7.3.1 分段进水工艺短程的实现策略  98-100
    7.3.2 分段进水工艺实现短程的限制性因素分析  100-101
    7.3.3 分段进水工艺短程的实现对碳氮磷去除的影响  101-104
  7.4 本章小结  104-107
第8章正弦波进水对分段进水工艺污染物去除性能的影响  107-117
  8.1 试验目的与运行方案  107
  8.2 试验条件  107-108
  8.3 正弦波出水样采集与处理方法  108
  8.4 结果与讨论  108-115
    8.4.1 正弦波进水对 COD 去除影响及变化规律  108-110
    8.4.2 正弦波进水对氮去除影响及变化规律  110-112
    8.4.3 正弦波进水对 TP 去除影响及变化规律  112-114
    8.4.4 正弦波条件 DO、pH、ORP 变化规律  114-115
  8.5 本章小结  115-117
第9章恒曝气量正弦波进水不同振幅对分段进水工艺污染物去除性能的影响  117-131
  9.1 试验目的与运行方案  117
  9.2 试验条件  117-118
  9.3 正弦波出水样采集与处理方法  118
  9.4 结果与讨论  118-129
    9.4.1 正弦波进水不同振幅对污染物去除影响及变化规律  118-127
    9.4.2 正弦波进水不同振幅条件 DO、pH、ORP 变化规律  127-129
  9.5 本章小结  129-131
第10章正弦波进水周期性变曝气量对分段进水工艺污染物去除的影响  131-143
  10.1 试验目的与运行方案  131
  10.2 试验条件  131-132
  10.3 正弦波出水样采集与处理方法  132
  10.4 结果与讨论  132-141
    10.4.1 正弦波进水周期性变曝气量条件下 DO、pH、ORP 变化规律  132-134
    10.4.2 周期性变曝气量正弦波进水对污染物去除影响及变化规律  134-141
  10.5 本章小结  141-143
结论  143-147
参考文献  147-157
攻读博士学位期间所发表的学术论文  157-159
致谢  159-160

改良A~2/O分段进水工艺处理低C/N市政废水的性能与优化控制

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