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dUBF-CW耦合工艺处理生活污水的研究

作　者: 李晓东
导　师: 孙铁珩；胡筱敏
学　校: 东北大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 两段复合厌氧反应器构筑湿地污泥回流水淬渣生物基质短时厌氧生活污水
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

作为一种低耗污水生态处理系统,构筑湿地(Constructed Wetland, CW)在小水量、分散的生活污水处理及回用领域正得到高度关注。但CW技术存在占地面积大、氮磷去处率低等不足,一定程度上限制了其在生活污水深度处理中的应用,需要严格的预处理工艺作为长期稳定运行的保障。研究开发低能耗、可设备化的预处理工艺,将其与CW技术进行系统耦合,是污水生态处理技术的研究热点和前沿。随着高速厌氧技术的发展,厌氧工艺处理低浓度生活污水(COD＜1000mg·L-1)在理论和实践上成为可能,为构建“短流程、低能耗和高效率”的污水生态处理技术提供了理论依据。基于此,本研究首次将厌氧预处理工艺与构筑湿地系统相耦合(double Upflow Anaerobic Sludge Blanket and Anaerobic Filter Coupled with Constructed Wetland, dUBF-CW),建立了一种全新的分散污水深度处理工艺。具体内容包括：首先,设计了一种可调控污泥回流的两段复合厌氧反应器(dUBF),作为污水生态处理工艺的预处理装置。本反应器首次将两段厌氧技术与UBF复合厌氧工艺相结合,并在EGSB连续污水回流工艺的基础上加以改进,设计了可控的间断污泥回流工艺,以此来实现低温条件下(＜20℃)对生活污水的“短时厌氧”处理。实验表明：在合理控制污泥回流的条件下,dUBF可以在较低温度时实现快速启动,其中,当产酸段和产甲烷段污泥回流时间分别控制为间歇2h运行5s、间歇1h运行10s,及总HRT为4h时,dUBF对COD、SS的去除率分别达到60%、80%以上。其次,设计了水平潜流构筑湿地(Subsurface Flow Constructed Wetland, SSCW)和复合垂直流构筑湿地(Integrate Vertical Flow Constructed Wetland, IVCW)两组模拟系统,其特点是：每组系统的基质配置、运行参数相互独立。实验结果表明：两组湿地对COD、NH4+-N的去除达到污水综合排放标准(GB8978-1996)中的一级标准；TP的去除也达到了二级标准。IVCW由于特殊布水方式,输氧条件较好,对各类污染物的去除效果均好于SSCW。接着,采用工业副产物——水淬渣作为湿地基质,研究了其强化除磷作用,并从宏观角度分析了CW不同基质层磷素变化规律。研究表明：水淬渣对磷有较高的吸附效果,经Langmuir吸附方程分析,其最大磷素吸附量为3333mg·kg-1,低于钢渣的12500mg·kg-1,高于砂子的270mg·kg-1;基质饱和吸附后,水淬渣中磷素解吸率为0.68%,而砂子和钢渣分别为7.59%和2.15%。虽然水淬渣对磷的吸附效果不如钢渣,但是其水溶液呈中性,对植物生长没有明显副作用(远好于钢渣),所以水淬渣可以作为湿地高效除磷基质。水淬渣除磷的主要机制是：Ca、Al氧化物对污水中磷素的吸附点位活跃,化学吸附-物理沉淀是磷素去除的主要原因。进而,研究了CW强化脱氮方法,并探讨了生物强化脱氮机理。研究表明：在湿地表层基质中,添加硝化菌活性强的生物基质,可明显缩短湿地系统的启动时间,使其脱氮效率得到迅速提高,与对照(未添加生物基质)相比,氨氮去除率可提高17%以上；随着湿地运行趋于稳定,湿地系统内的微生物结构逐渐成熟,此时可不必添加生物基质,系统的脱氮效果也可以得到充分保障。最后,将dUBF与CW进行系统耦合,提出了一种全新的分散污水“短流程、低能耗、高效率"的深度处理工艺。通过连续运行实验,对工艺进行了整体优化。结果表明：耦合工艺的优化参数为dUBF段HRT=4h, CW段HRT=1d。耦合工艺出水的COD、SS均满足污水综合排放标准(GB8978-1996)中的一级标准；TP满足二级标准；对于NH4+-N,后续处理为IVCW单元可以满足一级标准,后续处理为SSCW单元可以满足二级标准。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
缩写词  14-15
第一章绪论  15-40
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 CW污水处理技术  16-28
    1.2.1 CW的概念及类型  16-17
      1.2.1.1 CW技术内涵  16-17
      1.2.1.2 CW技术分类  17
    1.2.2 CW技术的去污机制  17-25
      1.2.2.1 CW除磷机制  17-21
      1.2.2.2 CW除氮机制  21-25
    1.2.3 CW技术在污水处理中的应用  25-28
      1.2.3.1 CW技术在生活污水处理中的应用  26-27
      1.2.3.2 基于CW技术的分散污水资源化可行性  27-28
  1.3 厌氧预处理工艺  28-37
    1.3.1 厌氧处理工艺的发展概况  29-33
      1.3.1.1 常规厌氧反应器的发展  29-31
      1.3.1.2 UBF复合厌氧反应器的发展  31-32
      1.3.1.3 两相厌氧反应器的发展  32-33
    1.3.2 生活污水低温厌氧处理研究及其应用进展  33-37
      1.3.2.1 国外厌氧处理工艺低温处理生活污水的应用进展  33-34
      1.3.2.2 国内厌氧处理工艺低温处理生活污水的应用进展  34
      1.3.2.3 厌氧处理工艺处理生活污水的主要影响因素  34-36
      1.3.2.4 厌氧处理技术处理生活污水的局限性  36
      1.3.2.5 厌氧装置处理生活污水的局限性  36-37
  1.4 本研究的特色、主要内容、关键问题及技术路线  37-40
    1.4.1 本研究的特色  37
    1.4.2 主要研究内容  37-38
    1.4.3 关键问题  38
    1.4.4 技术路线  38-40
第二章 dUBF预处理工艺的可行性研究  40-62
  2.1 dUBF设计思路及工艺流程  40-41
    2.1.1 dUBF的设计思路  40
    2.1.2 基于dUBF的工艺流程  40-41
  2.2 dUBF快速启动条件及影响因素研究  41-55
    2.2.1 实验用水水质及分析测试方法  45-46
      2.2.1.1 实验用水水质  45
      2.2.1.2 分析测试方法  45-46
    2.2.2 dUBF的启动  46-52
      2.2.2.1 dUBF的预启动研究  46-48
      2.2.2.2 dUBF的快速启动研究  48-52
    2.2.3 dUBF稳定运行的影响因素  52-55
      2.2.3.1 不同HRT对COD去除效果的影响  52-54
      2.2.3.2 总磷和氨氮的去除效果  54-55
  2.3 dUBF工艺参数优化  55-60
    2.3.1 不同HRT下容积负荷对COD去除率的影响  55-56
    2.3.2 dUBF各段pH值的变化规律及调控措施  56-57
    2.3.3 dUBF结构对COD去除的影响  57-60
  2.4 本章小结  60-62
第三章不同结构的CW运行参数研究  62-78
  3.1 材料和方法  62-65
    3.1.1 实验装置的设计  62-63
    3.1.2 实验组成材料的选取  63-65
    3.1.3 实验用水水质及测试方法  65
  3.2 结果与讨论  65-76
    3.2.1 CW对COD的去除效果  65-69
    3.2.2 CW对氨氮的去除效果  69-71
      3.2.2.1 HRT对氨氮处理效果的影响  69-70
      3.2.2.2 外加生物基质对氨氮处理效果的影响  70-71
      3.2.2.3 不同湿地构型对氨氮处理效果的影响  71
    3.2.3 CW对TN的去除效果  71-73
      3.2.3.1 HRT对TN处理效果影响  71-72
      3.2.3.2 不同湿地构型对TN处理效果的影响  72-73
    3.2.4 CW对TP的去除效果  73-76
      3.2.4.1 HRT对TP处理效果的影响  73-74
      3.2.4.2 基质类型对TP处理效果的影响  74-76
      3.2.4.3 不同湿地构型对TP处理效果的影响  76
  3.3 本章小结  76-78
第四章复合除磷基质筛选及不同基质层磷素动态变化规律研究  78-89
  4.1 复合基质筛选  78-83
    4.1.1 材料和方法  78-79
      4.1.1.1 实验材料来源  78
      4.1.1.2 供试基质磷素吸附等温线实验  78-79
      4.1.1.3 供试基质磷吸附饱和后解吸实验  79
      4.1.1.4 测定方法  79
    4.1.2 结果与分析  79-82
      4.1.2.1 供试基质磷吸附等温曲线的分析  79-82
      4.1.2.2 供试基质磷吸附饱和后磷素解吸特性分析  82
    4.1.3 讨论  82-83
  4.2 构筑湿地基质中磷素动态变化规律研究  83-87
    4.2.1 材料和方法  83-84
      4.2.1.1 各湿地单元不同基质层磷含量测定实验  83-84
      4.2.1.2 测定方法  84
    4.2.2 结果与分析  84-87
      4.2.2.1 CW中不同基质层对磷的吸附效果研究  84-86
      4.2.2.2 CW中基质磷含量演变机制分析  86-87
  4.3 本章小结  87-89
第五章外加生物基质强化CW脱氮研究  89-98
  5.1 材料和方法  90-91
    5.1.1 菌体来源  90
    5.1.2 实验方案  90
    5.1.3 微生物分析  90
    5.1.4 硝化作用强度的测定  90
    5.1.5 各湿地单元的采样方法  90-91
  5.2 结果与讨论  91-97
    5.2.1 各方案的硝化菌数量及硝化作用强度差异  91
    5.2.2 各湿地单元硝化菌数量的变化情况  91-94
    5.2.3 CW基质中硝化菌作用强度的变化情况  94-97
  5.3 本章小结  97-98
第六章 dUBF-CW耦合工艺优化  98-114
  6.1 材料和方法  98-100
    6.1.1 实验用水水质及分析测试方法  98-99
      6.1.1.1 实验用水水质  98-99
      6.1.1.2 分析测试方法  99
    6.1.2 实验方法  99-100
  6.2 结果与讨论  100-108
    6.2.1 耦合工艺对污染物的去除研究  100-107
      6.2.1.1 COD的去除效果  100-101
      6.2.1.2 SS的去除效果  101-103
      6.2.1.3 氨氮的去除效果  103-104
      6.2.1.4 TN的去除效果  104-106
      6.2.1.5 TP的去除效果  106-107
    6.2.2 dUBF-CW耦合工艺可调控性分析  107-108
  6.3 耦合工艺设计  108-111
    6.3.1 dUBF工艺的设计要点  108-109
    6.3.2 CW的设计要点  109
    6.3.3 推荐的工艺流程  109-110
    6.3.4 运行成本分析  110-111
  6.4 耦合工艺的应用前景  111-113
    6.4.1 特点  111-112
    6.4.2 应用前景  112-113
  6.5 本章小结  113-114
第七章结论与建议  114-117
  7.1 结论  114-115
  7.2 建议  115-117
参考文献  117-128
致谢  128-129
博士在学期间的主要研究成果  129-130
作者简介  130-131
附表  131

dUBF-CW耦合工艺处理生活污水的研究

内容摘要

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