基于磷酸鹽生物還原的城鎮(zhèn)污水同步除磷脫氮技術(shù)研究.pdf

1、隨著水體富營養(yǎng)化的日益加劇,氮磷排放標(biāo)準(zhǔn)的提高,污泥處理處置要求的日益嚴(yán)格,現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水生物除磷脫氮技術(shù)存在的氮磷去除的泥齡矛盾、聚磷菌生物除磷與污泥減量的矛盾、富磷污泥處理處置難度大,以及磷資源難于回收等問題,成為城鎮(zhèn)污水高效生物除磷脫氮的瓶頸,開發(fā)新型高效的污水生物除磷脫氮技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。針對上述問題,論文提出了基于磷酸鹽生物還原的城鎮(zhèn)污水生物除磷脫氮新技術(shù),通過磷酸鹽生物還原菌的作用將磷酸鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)磷化合物形式排除并回收,實(shí)現(xiàn)

2、磷的高效低耗去除和剩余污泥的減排,從根本上解決生物脫氮除磷難以同步去除的泥齡矛盾。論文以高濃度城鎮(zhèn)污水為研究對象,在序批式生物膜反應(yīng)器中成功構(gòu)建出基于磷酸鹽生物還原的城鎮(zhèn)污水除磷系統(tǒng),考察了進(jìn)水氮磷組分及種源對系統(tǒng)構(gòu)建的影響,確定了系統(tǒng)的微生物構(gòu)建方法。從磷形態(tài)轉(zhuǎn)化角度分析了底物基質(zhì)條件(碳源、COD/TP)、運(yùn)行控制條件(溶解氧、溫度、有機(jī)負(fù)荷)對城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)除磷效能、結(jié)合態(tài)磷化氫及聚磷變化的影響;同時(shí)考察了不同底物基質(zhì)

3、和運(yùn)行控制條件下,城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)的脫氮效能,構(gòu)建出基于磷酸鹽生物還原的同步脫氮除磷系統(tǒng),并得出了該系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵控制因子。采用微電極技術(shù)量化了高效磷酸鹽生物還原除磷脫氮系統(tǒng)生物膜內(nèi)微環(huán)境好氧、缺氧、厭氧區(qū)域的構(gòu)成分布,確定了系統(tǒng)生物膜內(nèi)部ORP體系;結(jié)合不同電子供體對系統(tǒng)的影響及系統(tǒng)周期運(yùn)行中液相、固相磷變化規(guī)律分析,對磷平衡及磷形態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的量化研究,從磷形態(tài)的遷移轉(zhuǎn)化角度探討磷酸鹽還原系統(tǒng)的除磷機(jī)理。研究得出了如下

4、主要結(jié)論:
　　 ①種源對城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)構(gòu)建影響顯著。以生活污水糞便中微生物為補(bǔ)充種源的系統(tǒng),在無污泥外排,連續(xù)曝氣條件下運(yùn)行30d期間TP去除率穩(wěn)定在80.7％～91.8％,生物膜污泥中MBP含量高達(dá)3.1 mgPH3/kgWS,一個(gè)周期內(nèi)TP呈現(xiàn)下降趨勢,成功構(gòu)建出磷酸鹽生物還原系統(tǒng),缺乏種源補(bǔ)充的系統(tǒng)未能成功構(gòu)建出磷酸鹽生物還原系統(tǒng)。補(bǔ)充種源系統(tǒng)污泥中Org-P礦化分解為Iorg-P速度快,污泥中NaOH85-

5、P、NaOH-P、BD-P共減少0.73 mgP/gDS;缺乏種源補(bǔ)充的系統(tǒng)中磷酸鹽還原菌難以成為優(yōu)勢菌種,致使系統(tǒng)污泥中Org-P礦化分解為Iorg-P后,致使NaOHgS-P和BD-P累積增加。
　　 ②進(jìn)水氮磷組分對城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)構(gòu)建影響不顯著。分別改變進(jìn)水NO3--N(5～15 mg/L)、有機(jī)氮(5～15 mg/L)、PO43--P(3～12 mg/L)濃度,在無污泥外排,連續(xù)曝氣條件下,均未能成功構(gòu)建城鎮(zhèn)

6、污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)。各反應(yīng)器污泥中Iorg-P變化趨勢與缺乏種源補(bǔ)充系統(tǒng)類似。
　　 ③底物基質(zhì)條件(碳源種類、COD/TP)對城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)除磷效能影響顯著。投加碳源為葡萄糖時(shí)系統(tǒng)除磷效果最好,每天外源磷去除量42.1mg,生物膜污泥中MBP含量最高為8.5 mgPH3/kgWS。進(jìn)水COD/TP比值為120時(shí)系統(tǒng)除磷效果最好,生物膜污泥中MBP含量最高為5.9 mgPH3/kgWS。單個(gè)周期運(yùn)行規(guī)律顯示,不同

7、進(jìn)水COD/TP比值系統(tǒng)的pH變化不同,過高或過低的pH值均不利于PRB菌生長。進(jìn)水COD/TP比值為200時(shí)系統(tǒng)脫氮效果最好,進(jìn)水TN濃度為109.2 mg/L～120.1 mg/L,出水TN濃度為10.7 mg/L～15.5 mg/L。
　　 ④運(yùn)行控制條件(溶解氧、溫度和有機(jī)負(fù)荷)對城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)除磷效能影響顯著。DO濃度為6 mg/L時(shí)系統(tǒng)除磷效果最好,每天外源磷去除量74.5 mg,污泥中Inorg-P轉(zhuǎn)化

8、效果最好。DO濃度為8 mg/L時(shí)系統(tǒng)內(nèi)氧化還原電位相對較高還原力不足,NaOH85-P轉(zhuǎn)化為整個(gè)磷轉(zhuǎn)化過程的限制性步驟;DO濃度為4 mg/L時(shí)系統(tǒng)內(nèi)氧化還原電位相對過低,Fe3+易被還原為Fe2+,BD-P轉(zhuǎn)化成為整個(gè)磷轉(zhuǎn)化過程的限制性步驟。溫度為30℃時(shí)系統(tǒng)除磷最好,每天外源磷去除量74.1 mg,污泥中MBP含量最高為5.7 mgPH3/kgDS,污泥中TP降低量最大;DO濃度為4 mg/L時(shí)系統(tǒng)脫氮效果最好,進(jìn)水TN濃度為93

9、.1 mg/L～135.9 mg/L,出水TN濃度為14.2 mg/L～18.5 mg/L。溫度為20℃和40℃不利于PRB菌生長,污泥中微生物分解Org-P量明顯降低,由微生物參與的各Inorg-P轉(zhuǎn)化均受到限制。溫度為30℃時(shí)系統(tǒng)脫氮最好,進(jìn)水TN濃度為95.3 mg/L～114.1 mg/L,出水IN濃度為11.4 mg/L～18.9 mg/L。有機(jī)負(fù)荷為1.0 kgCOD/(m3·d)時(shí),城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)除磷效果最好。

10、有機(jī)負(fù)荷為1.0 kgCOD/(m3·d)和1.5 kgCOD/(m3·d)時(shí)系統(tǒng)生物膜污泥中MBP含量較高。有機(jī)負(fù)荷為1.0 kgCOD/(m3·d)時(shí)系統(tǒng)污泥中Inorg-P主體成分NaOH-P和BD-P轉(zhuǎn)化效果最好,有機(jī)負(fù)荷過高Fe-P穩(wěn)定性不足,BD-P處于積累狀態(tài)成為整個(gè)磷轉(zhuǎn)化過程的限制性步驟;有機(jī)負(fù)荷過低系統(tǒng)內(nèi)微環(huán)境構(gòu)造不利于PRB菌生存,污泥中NaOH85-P轉(zhuǎn)化為整個(gè)磷轉(zhuǎn)化過程的限制性步驟。有機(jī)負(fù)荷為1.0 kgCOD/

11、(m3·d)時(shí),系統(tǒng)脫氮效果最好,進(jìn)水TN濃度為100.9mg/L～128.7 mg/L,出水TN濃度為10.2 mg/L～17.4 mg/L。
　　 ⑤碳源種類對城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)影響顯著。以葡萄糖為碳源時(shí),系統(tǒng)污泥中Inorg-P轉(zhuǎn)化效果最好,其主體成分NaOH-P和BD-P的轉(zhuǎn)化量最高:以淀粉為碳源時(shí),系統(tǒng)污泥中Org-P的轉(zhuǎn)化為整個(gè)磷轉(zhuǎn)化過程的限制性步驟;以甲醇和乙酸鈉為碳源時(shí),系統(tǒng)污泥中NaOH85-P和BD-

12、P的轉(zhuǎn)化為整個(gè)磷轉(zhuǎn)化過程的限制性步驟。葡萄糖有利于分解產(chǎn)生磷酸鹽生物還原微生物所需的還原糖,可能利用甲酸脫氫酶酶促反應(yīng)的生理代謝活動(dòng)將其進(jìn)行脫氫,產(chǎn)生還原性輔酶(NADH)作為生化還原反應(yīng)的供氫體的還原力,從而將磷還原為氣態(tài)磷化氫。
　　 ⑥不同氧環(huán)境下城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)中氧化還原狀態(tài)不同,對鐵離子價(jià)位的變化產(chǎn)生決定性影響,進(jìn)一步影響Fe-P的轉(zhuǎn)化,系統(tǒng)內(nèi)固-液界面ORP＜100 mV時(shí)尤其容易發(fā)生此情況;生物膜內(nèi)部OR

13、P＞-100 mV時(shí),系統(tǒng)內(nèi)還原力不足,不利于磷酸鹽還原反應(yīng)的進(jìn)行。本試驗(yàn)條件下,DO為6 mg/L時(shí)系統(tǒng)內(nèi)ORP體系(-182 mV～-133 mV)適合磷酸鹽還原反應(yīng)進(jìn)行。
　　 ⑦城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)在一個(gè)周期運(yùn)行過程中,TP濃度一直保持下降趨勢;整個(gè)周期內(nèi)ploy-P含量基本保持不變,最高含量為0.26 mgPH3/gDS;MBP呈現(xiàn)先逐步降低后逐步上升的趨勢,MBP含量高達(dá)3.5 mgPH3/kgDS。系統(tǒng)污泥中

14、H2O-P、NaOH-P、NaOH85-P和HC1-P在一個(gè)周期運(yùn)行中均呈現(xiàn)出先升高后逐漸降低的趨勢;BD-P在周期運(yùn)行開始稍有降低隨后逐漸升高最終趨于降低的趨勢;BD-P與NaOH-P的前期轉(zhuǎn)化使得NaOH85-P在周期運(yùn)行前7 h運(yùn)行中持續(xù)增加,此后PRB菌對其分解轉(zhuǎn)化而呈現(xiàn)下降趨勢;HCI-P在前9 h運(yùn)行中HCI-P逐漸升高,隨后呈現(xiàn)下降的趨勢。
　　 ⑧城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行45d過程中,磷平衡測試顯示整個(gè)

15、系統(tǒng)共損失磷530 mg,單位污泥含磷量(以DS計(jì))為1.93％小于傳統(tǒng)PAOs除磷法污泥中含磷量。生物膜污泥中Org-P比接種污泥減少3.0 mgP/gDS,Inorg-P減少1.43 mgP/gDS。在各Inorg-P中,H2O-P、NaOH-P、BD-P、NaOH85-P分別減少1.34mgP/gDS、0.4 mgP/gDS、0.2 mgP/gDS和0.06 mgP/gDS,HC1-P增加了0.53mgP/gDS,推測磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化

16、過程可能是Org-P→H2O-P→NaOH-P→BD-P→NaOH85-P→HCI-P。
　　 ⑨在溫度為30℃,DO為6 mg/L,有機(jī)負(fù)荷為1.0 kgCOD/,(m3·d),COD/TP為120的條件下,城鎮(zhèn)污水磷酸鹽生物還原系統(tǒng)具有良好的同步脫氮除磷效能。系統(tǒng)TP和TN連續(xù)25d穩(wěn)定運(yùn)行跟蹤測試結(jié)果顯示,TP出水0.9 mg/L～1.6 mg/L,去除率穩(wěn)定在82.7％～91.6％;TN出水8.0 mg/L～18.9 m