（环境工程专业论文）双污泥诱导结晶污水除磷脱氮工艺研究.pdf

摘要 双污泥诱导结晶污水除磷脱氮工艺研究 研究生：徐微导师：吕锡武教授 摘要 我国主要湖泊总氮、总磷严重超标，富营养化问题突出，迫切需要提高现有城镇污水处 理厂氮、磷排放标准。a 2 0 等传统城市污水除磷脱氮工艺，由于自身存在碳源竞争等固有矛盾， 其出水难以稳定达到城镇污水处理厂污染物排放标准g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 一级a 排放标准。目 前，多采用增加混凝、沉淀、过滤等深度处理单元的方法来强化出除磷效果，而对可以从根 本上解决传统除磷脱氮技术存在的矛盾的城市污水处理新上艺的研究尚显不足。另一方面磷 是一种宝贵的资源，且具有单向流动的特点，随污水流失的磷量巨大，从污水中回收磷的必 要性及可行性已经被广泛认可，但此方面研究在我国仍处于起步阶段。 论文以提高低碳源城市生活污水除磷脱氮效果及实现磷同收为目标，首次将双泥系统与 诱导结晶工艺相结合。双泥系统“一碳双用”的特点可解决除磷与脱氮的碳源竞争矛盾，允 许厌氧池内污泥充分发挥释磷潜能，实现碳源优化分配的同时提高厌氧上清液含磷量。将富 磷上清液引入诱导结晶单元除磷，既可起到辅助生物单元除磷脱氮的作用，又能实现磷资源 的同收。 双污泥系统尤其反硝化聚磷污泥的培养驯化，是双污泥上艺运行的前提，论文在借鉴已 有文献报道的培养驯化方法的基础上，根据反硝化聚磷菌及硝化菌的生物学特性研究了两种 双泥系统培养驯化模式。实验室以s b r 方式分别培养反硝化聚磷菌( d p b ) 污泥及硝化污泥， d p b 污泥采用厌氧好氧p a o s ( 普通聚磷菌) 诱导富集、厌氧缺氧d p b 诱导寓集、厌氧缺氧 连续流d p b 强化三阶段培养方式；中试试验因接种污泥已富含p a o s 则直接采用连续流方式启 动双污泥系统，论文对双泥系统的培养过科及关键参数做了细致分析。 为明确各主要反应过程的反麻机理及相互联系，进而建立工艺参数确定的理论体系，分 别对d p b 污泥厌氧释磷影响冈素、反硝化聚磷影响因素及诱导结晶反应过群做了系统研究。 研究得出，厌氧释磷量的提高是优化碳源分配的关键，增加碳源浓度及污泥浓度可有效 提高厌氧释磷量，但需考虑两种因素分别为限制因素下的释磷潜能，论文给出了释磷潜能的 估算方法；由实验结果得出当t 艺处理实际生活污水时，厌氧池有必要采川较长的水力停留 时间，建议为4 h 6 h ；在厌氧池前设置水解酸化池将有利丁提高厌氧池的释磷反应速率及碳 源利川效率。首次研究了比污泥释磷量对反硝化聚磷过程的影响，建立了厌氧释磷与聚磷过 程之间的联系。研究表明，比污泥释磷量对反硝化聚磷速率影响显著，两者呈正相关性；反 硝化超量聚磷作用对磷的去除能力有限，提高比污泥释磷量的主要意义在丁使更多碳源在厌 氧条件下以p h b 形式储存，最终作为硝酸盐反硝化的电子供体，提高脱氮效率；硝酸盐浓度 东南大学博上学位论文 影响试验表明，在电子受体充足的情况下，硝酸盐的浓度对反硝化聚磷过程影响很小， 而对于电子受体不足的反应系统，应适当减少缺氧池的停留时间以防止“二次释磷”的出现， 论文依据由实验数据得出的统计规律给出了硝酸盐电子受体充足与否的判断方法；温度对 d p b 污泥厌氧释磷过程及反硝化聚磷过程都有较为显著的影响，污泥在低温条件下表现出明显的 不适应性，但温度的长期影响还有待考察。 自行设计了诱导结晶反应器。研究了诱导结晶反应过程的影响因素，得出在一定范围内 提高h r t 有助于提高磷回收率，在其它反虑条件一定的情况下，存在一个最佳h r t ；适当提高 c a 2 + p 0 4 3 - 可以提高结晶单元磷去除率，但其过度提高则会增加磷酸盐均相结品机会；当 p 0 4 3 一 达到一定程度时( 4 0 m g l ) ，均相结晶过程的控制将变得较困难，诱导结晶方法适合 处理低浓度含磷废水。 磷去除率与各冈素之间表现出了明显的非线性关系，建立机理模型较困难，针对此难题 建立了诱导结晶单元的b p 神经网络模型，并采用m a t l a b 语言编制了相应计算程序，所建模型 能较好地模拟诱导结晶过程。 在以上研究基础上，开展了连续流下艺特性研究。实验室试验及中试试验均表明，本工 艺对各污染物表现出了稳定良好的处理效果，工艺出水平均c 0 1 ) 、t p 、t n 、氨氮均符合城镇 污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级a 排放标准；实验窒连续流丁艺实现了 对大部分碳源的“一碳双用”，中试试验则再次表明了当处理实际生活时采取有效措施提高 厌氧池进水v f a 或延k 其h r t 的必要性；相对于单一的双泥t 艺，结晶单元的引入使出水t p 的稳定达标得到了进一步保证，可省去深度处理单元，同时实现了磷回收，实验室连续流： 艺平均磷同收率达到7 4 9 9 6 ，结品单元对t p 的去除起主要作用，中试试验得出磷浓度过低或 碳源浓度过低的污水不适宜进行磷同收。 由于工艺流程相对复杂，仅通过试验所考察的上况十分有限，冈此有必要建立工艺全流程 数学模拟模型。论文参照a s m 2 d 等模型，对主要生化反应动力学过程的数学模型进行线性简 化，并列出了各单元污染物的物料平衡方程组，与结晶单元的神经网络模型一起构成了工艺 全流程模拟模型，结合试验数据对模型中涉及的主要动力学参数及计量学参数进行了估计，给 出了模型求解的方法，并用m a t l a b 语言编n - f 计算机程序。模型验证结果表明，模型对各污 染物浓度及沿程变化规律的预测具有较高准确性，但模型对反硝化聚磷过程的预测仍需进一 步改进。 关键词：除磷脱氮；反硝化除磷：诱导结晶；磷同收 i l a b s t r a c t s t u d yo nt h ed e n i t r i f ic a t io na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lb yt h et e c h n i c so ft w o s l u d g e s y s t e mc o m b i n e d w i t hi n d u c i n g c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s a h s t l a c t i no u rn a t i o n ，m o s to ft h em a i nl a k e sh a v eb e c a m ee u t r o p h i c a t i o nw a t e rb yr e c e i v i n ge x c e s s n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s s og r e a ti m p o r t a n c eh a sb e e na t t a c h e dt ot h ec o n t r o l l i n go fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sd i s c h a r g e dw i t hs e c o n d a r ye f f l u e n tf r o mt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tm o r es t r i t c t l y b u tt r a d i t i o n a lm u n i c i p a lw a t e rt r e a t m e n tt e c h n i c sr e p r e s e n t e db ya 2 0c a n tg u a r a n t e ei t se f f l u e n t m e e t a l e v e lo f “d i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ”t o w a s t e w a t e rf o rs o m ei n s u r m o u n t a b i l i t yp r o b l e m so ft h e ms u c ha s o r g a n i cc a r b o nc o n t e n t i o n a t p r e s e n t ，t h ef l o c c u l a t i o n ，p r e c i p i t a t i o na n df i l t r a t i o nw a su s u a l l yu s e dt oe n h a n c et h eq u a l i t yo ft h e w a t e ro fs e c o n d a r ye f f l u e n ta sa d v a n c e dt r e a t m e n tm e t h o d s w h i l et h en e wt e c h n i c s ，w h i c hc a n s o l v et h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt r a d i t i o n a lt e c h n i c sf o rd e n i t r i f i c a t i o na n dp h o s p h o r u s ，h a v en o tb e e n i n v e s t i g a t e ds u f f i c i e n t l y o nt h eo t h e rh a n d ，p h o s p h o r u si sak i n do fn e c e s s a r yr e s o u r c ea n dc a n t r e t u r no n c ei ti sd i s c h a r g e dt ot h ew a t e rb o d y s i n c et h ep h o s p h o r u sl o s to u tw i t ht h ew a s t e w a t e ri s c o n s i d e r a b l e ，i ti sa c c e p t e dw i d e l yt h a tp h o s p h o r u ss h o u l db er e c y c l e d ，a l s ot h ef e a s i b i l i t yo ft h a t h a sb e e nc e r t i f i c a t e d ，b u tt h er e l a t i o n a li n v e s t i g a t i o n sa r es t i l lo np r i m a r yl e v e li no u rn a t i o n t og e tb e t t e rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c ta sw e l la sp h o s p h o r u sr e c y c l i n g ，i nt h i s s t u d y , t w o - s l u d g es y s t e ma n di n d u c i n gc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw e r ec o m b i n e df o rt h ef i r s tt i m eb y l e t t i n gp a r to ra l lo ft h es u p e m a t a n to fa n a e r o b i ct a n kp a s st h r o u g ht h ei n d u c i n gc r y s t a l l i z a t i o n r e a c t o rt or e c l a i ms o m ep h o s p h o r u s t h e d o u b l eu s i n go fc a r b o n c h a r a c t e r i s t i co ft w o - s l u d g e t e c h n i c sc a nm a k eu s eo ft h eo r g a n i cc a r b o ne f f i c i e n c ya n de n a b l et h es l u d g er e l e a s ep h o s p h o r u sa s p o s s i b l ea si t c a nt oi m p r o v et h ec o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u so ft h es u p e m a t a n to fa n a e r o b i c t a n k ，a n dt h ei n d u c i n gc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sc a na s s i s tt h eb i o l o g i c a lr e m o v a lo fp h o s p h o r u sa n d n i t r o g e n e n r i c h m e n ta n dd o m e s t i c a t i o no ft h et w o s l u d g es y s t e me s p e c i a l l yt h a to ft h ed p bs l u d g ea r e t h ep r e r e q u i s i t eo ft h ef u n c t i o no ft w o - s l u d g et e c h n i c s t w ok i n d so f e n r i c h m e n ta n dd o m e s t i c a t i o n m e t h o d sw e r ea d o p t e di nl a b o r a t o r ya n dp i l o ts c a l et e s t sr e s p e c t i v e l yr e f e r r i n gt ot h em e t h o d s r e p o a e di nr e l a t i o ni n v e s t i g a t i o na n da c c o r d i n gt h ec h a r a c t e ro fd p ba n dn i t r a t i o nb a c t e r i a t h e m e t h o d ，w h i c hi n c l u d ep a o se n r i c h m e n tb yb a t c ha ow a y ，d b pe n r i c h m e n tb yb a t c ha a nw a y , a n dd p be n r i c h m e n tb yc o n t i n u o u sa a nw a y ，w a su s e di nl a b o r a t o r yt e s t ，w h i l et h et w o - s l u d g e s y s t e mr u nb yc o n t i n u o u sf l o wa tt h ev e r ys t a r tt oe n r i c h m e n ta n dd o m e s t i c a t i o nt h es l u d g ei np i l o t c o n s i d e r i n gt h a tt h ei n o c u l a b i l i t ys l u d g eh a dc o n t a i na b u n d a n tp a o s t h ep r o c e s so fe n r i c h m e n t a n dd o m e s t i c a t i o no ft h et w o s l u d g es y s t e mw e r ed e s c r i b e db yd e t a i l ，a l s ot h ek e yf a c t o r so ft h a t w e r ea n a l y z e d t od e t e c tt h em e c h a n i s mo fe a c hr e a c t o rp r o c e s si n c l u d e db yt h et e c h n i c sa n dt h er e l a t i o n b e t w e e nt h e mt oc o n s t r u c tt h et h e o r ys y s t e ma sg u i d a n c et od e c i d i n gt h ev a l u eo f t h ep a r a m e t e r s 1 1 1 东南大学博士学位论文 o ft h et e c h n i c s ，t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h ep h o s p h o r u sr e l e a s e ，p h o s p h o r u su p t a k eo fd p bs l u d g e a n dt h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h a tt h ei m p r o v i n go fp h o s p h o r u sm a s sr e l e a s e db yd p bi s c r u c i a lf o rt h eo p t i m i z i n go fo r g a n i cc a r b o nd i s t r i b u t i n ga n di ti se f f e c t i v ef o ri n t e n s i f y i n g p h o s p h o r u sr e l e a s et oi n c r e a s et h ec o n c e n t r a t i o no f c a r b o no rm l s sb u tt h ep o t e n t i a lo fp h o s p h o r u s r e l e a s ed e f i n e de i t h e ro ft h o s et w oi n f l u e n t i a if a c t o r sh a st ob et a k e ni n t oa c c o u n t t h e r e f o r e ，m e t h o d sf o re s t i m a t i n gt h ep o t e n t i a lw e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i tw a si n d i c a t e dt h a ti t i sn e c e s s a r yt ot a k el o n gh r to fa n a e r o b i ct a n kw h e nt h et e c h n i c si su s e dt ot r e a t m e n tr e a l m u n i c i p a lw a s t ew a t e ra n d4 h “hw a ss u g g e s t e d i ts e e m st ob ef a v o r a b l et oa d da na c i d i f i c a t i o n t a n kb e f o r ea n a e r o b i ct a n k t h et e m p e r a t u r eh a sm a r k e di n f l u e n c eo nt h ep h o s p h o r u sr e l e a s e t h e i n f l u e n c eo ft h ep h o s p h o r u sm a s sr e l e a s e dp e rm l s s ( p r p m ) o nd e n i t r i l y i n gp h o s p h o r u su p t a k e p r o c e s sw a si n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m ei nt h i sp a p e r , a n di ts e e m st h a tp r p mi n f l u e n c et h e d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u su p t a k ep r o c e s sm a r k e d l y ，a n dt h e ya l ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dt oe a c ho t h e r t h ee x c e s sp o t e n t i a lo fp h o s p h o r u su p t a k i n gi nt h ed e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u su p t a k ep r o c e s s ( e p d p b ) w a sl i m i t e d a n dt h em a i nb e n e f i to fi m p r o v i n gt h ep r p mi ss t o r i n gm o r eo r g a n i cc a r b o na sp h bt o b eu s e di nt h ed e n i t r i f y i n gp r o c e s sa se l e c t r o nd o n o rr e s u l t i n gi nt h eb e t t e rd e n i t r i f i c a t i o n e f f e c t t h et e s to fi n f l u e n c eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t es h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no f n i t r a t ei n f l u e n c et h ed e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i o ns l i g h t l yw h e nt h ee l e c t r o na c c e p t e ri s e n o u g h ，w h i l ei n a d e q u a t ee l e c t r o na c c e p t e rw i l lh a v eab e a r i n go nt h ed e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u su p t a k e ，i fs o ，t h eh r to f a n o x i ct a n ks h o u l db ed e c r e a s e dt oa v o i d s e c o n dp h o s p h o r u s r e l e a s e am e t h o df o ri u d g m e n to nt h ee n o u g ho rn o to ft h ee l e c t r o na c c e p t e rw a s i n t r o d u c e da c c o r d i n gt h es t a t i s t i c sl a wd r a wf r o mt h ee x p e r i m e n td a t u m t h ed p bs l u d g e s h o w e di n t e n s ei n e l a s t i c i t yt ot h el o wt e m p e r a t u r e ，b u tal o n g - t e lmi n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r es t i l l n e e d st ob ei n v e s t i g a t i v e i nac e r t a i nr a n g e t h ej n d u c i n gc r y s t a l l i z a t i o nr e a c t o rw a sd e s i g n e da n dt h e n t h ei n f l u e n t i a jf a c t o r so n t h ei n d u c i n gc r y s t a l l i z a t i o nw e r es t u d i e d i tw i l ib eb e n e f i tt ob o o s t i n gt h ee f f i c i e n c yo f p h o s p h o r u sr e c l a i m i n gt op r o l o n gh r ti nac e r t a i nr a n g e b u th r t i sn o tt h el o n gt h eb e t t e r 1 e t h e b e s ta p p r o p r i a t eh r te x i s t w h e nt h eo t h e rc o n d i t i o np a r a m e t e ra r es t a t e d t h ee f f i c i e n c yo f p h o s p h o r u sc a nb ei m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h ev a l u eo f 【c a 2 + p 0 4 】p r o p e r l y , b u tt o oh i g h 【c a 2 + p 0 4 扣】w i l lc o n d u c eh o m o g e n e o u sp h a s ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s i ts e e m st h a tt h ei n d u c i n g c r y s t a l l i z a t i o n t e c h n i c sf i t st ow a s t e w a t e r c o n t a i n i n gr e l a t i v e l y l o wc o n c e n t r a t i o n p h o s p h o r u s ，f o ri t w i l lb e c o m ed i f f i c u l tt oc o n t r o lt h eh o m o g e n e o u sp h a s ec r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s sw h e nt h ec o n c e n t r a t i o np h o s p h o r u sr e a c hs o m eh i g h ( 一4 0 m g l ) t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h er e m o v a lr a t eo f p h o s p h o r u so ft h ei n d u c i n gc r y s t a l l i z a t i o nr e a c t o ra n dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so ni t i s c o m p l e xa n dn o n l i n e a r , s o i ti sv e r yd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hm e c h a n i s mm o d e l o nt h a t p r o b l e m ，n e u r a in e t w o r km o d e lo ft h ei n d u c i n gc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw a se s t a b li s h e d ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a mw a sw r i t t e nw i t hm a t l a bl a n g u a g e ，a n dt h em o d e lw a sp r o v e dt o b eg o o da ts i m u l a t i n gt h ei n d u c i n gc r y s t a l l i z a t i o na f t e rb e i n gv a l i d a t e du s i n ge x p e r i m e n td a t u m b a s e do nt h e s e i n v e s t i g a t i o n s ，t h ee f f i c i e n c y o ft h ec o m b i n a t i o nt e c h n i c sr u n n i n gw i t h c o n t i n u o u sf l o ww a si n v e s t i g a t e db yb o t hl a b o r a t o r yt e s ta n dp i l o t a n db e t ht h et w o e x p e d m e n ts h o wt h a tt h ec o m b i n a t i o nt e c h n i c si n v e n t e di nt h i sp a p e rc a ng a i ne x c e l l e n ta n ds t e a d y e f f i c i e n c yo fr e m o v a lo fe a c hk i n dc o n t a m i n a t i o n ，w i t hc o n c e n t r a t i o no ft h ec o d ，t e t n ，a n d a m m o n i an i t r o g e nm e e t i n g? a ”l e v e l o f “d i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t s f o rm u n i c i p a l i v 东南人学博士学位论文 w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h e “d o u b l eu s i n g ”t om o s to fo r g a n i cc a r b o nw a sa c h i e v e di nt h e l a b o r a t o r yt e s t ，b u tt h er a t eo ft h eo r g a n i cc a r b o nu s e db yd p bs l u d g ed e c r e a s e di nt h e p i l o t ，t h a ts h o wt h en e c e s s i t yo ft h el o n gh l 玎o fa n a e r o b i ct a n ko ra d d i n ga l la c i d i f i c a t i o nt a n k b e f o r ea n a e r o b i ct a n k c o m p a r e dw i t ht h es i n g l et w o - 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h y d r o x y b u t y r a t e 挥发性脂肪酸 v o l a t i l ef a t t ya c i d s i x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。