市政污水处理中MBR组合工艺生物脱氮除磷及运行工况优化研究.docx
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市政污水处理中MBR组合工艺生物脱氮除磷及运行工况优化研究
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天津工业大学硕士学位论文
市政污水的MBR生物脱氮除磷工艺研究与运行优化
StudyonNitrogenandphosphorusremovalofMunicipalWastewaterandOperatingOptimizationinMBRtechnology
姓名:
陈建磊
专业名称:
环境工程
指导教师:
戴海平研究员
天津工业大学环境与化学工程学院
二零一一年十二月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名:
签字日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解天津工业大学有关保留、使用学位论文的规定。
特授权天津工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。
同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)
学位论文作者签名:
导师签名:
签字日期:
年月日签字日期:
年月日
学位论文的主要创新点
一、当今用MBR工艺完全代替传统市政污水处理工艺还并不多见。
课题研究过程中重点围绕AO-MBR工艺在市政污水处理中影响脱氮除磷环节的各项参数展开探讨,最终比较得出不同温度下系统运行的最佳工况,为今后MBR工艺在市政污水处理中的推广应用打下基础。
二、试验过程中通过不断调整回流比、水力停留时间、溶解氧、污泥龄等运行参数,比较优化后得出AO-MBR工艺处理市政污水的最佳工况为:
低温下,好氧池和膜池溶解氧分别控制在1.5-2.0mg/L、1.5-3.0mg/L,好氧池至厌氧池、膜池至缺氧池回流比分别为200%、100%,缺氧池、好氧池、膜池HRT分别为4.375h、5h、3.125h,污泥龄30天,膜池污泥浓度为8.4-9.2g;
高温下,好氧池和膜池溶解氧分别控制在1.0mg/L、1.5-3.0mg/L,好氧池至厌氧池、膜池至缺氧池回流比分别为200%、100%,缺氧池、好氧池、膜池HRT分别为8.25h、3h、3.75h,污泥龄20天,膜池污泥浓度为6.5-7.5g。
三、针对较特殊情况下(低温度、C/N比约为2)的市政污水,处理难度加大。
在无人工投加碳源的情况下,运用以上参数仍能使AO-MBR工艺稳定运行,出水达标。
摘要
淡水资源富营养化的现状日益加剧,加之污水排放标准苛刻,使市政污水的处理面临了严峻的挑战。
当今AAO、SBR(序批式活性污泥法)等几种生物脱氮除磷技术日渐成熟和完善,但是在面临低温低C/N比等特殊情况下污水处理效果的不佳现状,对工况的优化选择便显得尤为必要。
本文以天津创业环保集团纪庄子污水处理厂进厂废水为研究对象,其进水COD(化学需氧量)低、色度大,C/N比小(约为2)、泥沙等无机成分含量高,在无人工投加碳源情况下,生物脱氮除磷难度很大。
针对构成复杂的进水,采用A/O-MBR工艺进行处理最终出水满足国家一级A出水标准。
以DO、回流比、水力停留时间等重要参数为研究对象,分别在高低温两种情况下根据出水水质对工况进行合理调整,建立系统长期稳定运行的控制条件,最终摸索出一个满足出水水质的最佳工况,不仅为今后A/O-MBR工艺在市政污水的处理提供有益的借鉴,也为水处理过程中影响生物脱氮除磷的重要因素控制提供基础依据。
试验工艺运行时间为一年,历经四季,试验过程中跟踪测试污泥的硝化和反硝化性能,每周都根据设定的污泥龄通过排泥对污泥浓度进行严格控制,每天对各项出水水质指标进行跟踪测试,不同工况运行下的出水结果表明,夏季在系统稳定运行下均能使出水达标排放;而在低温下,COD的去除效果理想,出水CODCr平均45mg/L;浊度保持在0.12NTU以下,SS为零,出水氨氮(NH3-N)、总氮(TN)均能分别保持在5mg/L,15mg/L以下,脱氮效果良好;加药后出水的总磷(TP)去除率为90%以上,A/O-MBR组合工艺脱氮除磷效果良好,出水水质满足国家一级A排放标准,部分工况下满足一级B排放标准,达到试验目的。
关键词:
AO-MBR工艺;脱氮除磷;硝化;反硝化;工况优化
ABSTRACT
Thepresentsituationoftheeutrophicationoffreshwaterresourcesisincreasingdaybyday,coupledwithstringenteffluentdischargestandards,thetreatmentofthemunicipalsewagefacesaseriouschallenge.Nowadaysseveralbiologicalnutrientremovaltechnologyisincreasinglybecomingmatureandcomplete,butfacingwiththepoorstatusofwastewatertreatmentinhighenergyconsumption,especiallyinthelowtemperatureandlowC/Nratiocase,So,itisparticularlynecessarytohaveanoptimalchoiceoftheconditions.
Inthispaper,BystudyingtheinfluentwaterofJizhuangziwastewatersewagetreatmentplantofTianjinCapitalEnvironmentalProtectionGroup,theCODofinfluentislowandgreatcolor,C/Nratioissmall,withhighcontentofsiltandotherinorganicingredients,Inthecaseofnoartificialcarbondosing,Itismoredifficultinthebiologicalnutrientremoval.Now,theA/O-MBRcombinedprocesswasusedtoprocessingthecomplexedwater,theexperimentwasbegininginthespring,theDO,refluxratio,hydraulicretentiontimeandotherimportantparameterswerestudyed,withthechangingtemperatureanddifferentwaterqualityofworkingconditionstohaveareasonableadjustmentsandestablishalong-termstableoperationofthesystemconditionscontrolling,ultimatelyworkedoutthebestconditionswhichisstandardandmaximumreduceenergyconsumption,notonlyprovidingausefulreferenceinmunicipalwastewatertreatmentwiththecombinationofMBRtechnologyinthefuture,butalsoprovidethebasisforwaterprocessesthataffectthebiologicalnutrientremovalcontrolimportantfactors.
Thetestkeepsrunningforthewholeyear,duringtheexperiment,mudstrictlytocontrolofsludgeconcentrationaccordingtothesettingSRTeveryweek,tracktestingthewaterqualityindicatorseveryday,waterresultsunderdifferentconditionsshowthattheeffluentiswellinthesummerbutinthelowertemperaturetheremovalofCODisideal,theaverageCODCrisabout45mg/L,theturbiditykeepsbelow0.12NTU,SSiszero.theeffluentNH3-N,TNwereabletoremainat5mg/L,15mg/Lorless,afterdosingthewateroftheTPremovalratewas90%,theprocesswaterofA/O-MBRcombinedeffluentqualitytomeetthenationalemissionstandards,partoftheworkcasestomeetthelevelBemissionstandard,meetsthetestobjectives.
Keywords:
theA/O-MBRprocess;Nitrogenandphosphorusremoval;
Nitrification;Denitrification;conditionsoptimal
目录
第一章绪论1
1.1引言1
1.2市政污水脱氮除磷处理的传统方法2
1.2.1A/O法2
1.2.2A/A/O法3
1.2.3SBR法3
1.2.4MBR组合工艺4
1.2.5MBR组合工艺技术在国内外的研究进展5
1.3影响A/O-MBR工艺运行的重要参数6
1.3.1温度6
1.3.2溶解氧(DO)7
1.3.3回流比8
1.3.4C/N比9
1.3.5污泥浓度9
1.3.6污泥龄9
1.3.7水力停留时间(HRT)10
1.4课题研究目的、意义及主要研究内容11
第二章实验装置与分析方法13
2.1实验设计思路13
2.2A/O-MBR工艺13
2.2.1工艺流程及说明13
2.2.2AO-MBR工艺设计参数14
2.3原水水质特点15
2.4主要监测项目及水质分析方法16
2.5化学药剂17
2.6硝化速率测定方法17
2.7试验阶段性安排17
第三章工艺运行研究及不同温度下工况的优化19
3.1工艺参数设定19
3.2试验结果分析20
3.2.1不同工况下COD/氨氮/TN/TP的去除情况20
3.2.2不同加药浓度对除磷效果的影响22
3.3温度对硝化速率的影响22
3.4各项重要参数的优化24
3.4.1回流比的优化24
3.4.2水力停留时间的优化24
3.4.3污泥龄的优化25
3.5结论26
第四章A/O-MBR工艺与A2/O工艺的对比27
4.1A2/O工艺试验装置27
4.2两工艺运行参数28
4.3试验结果与讨论28
4.3.1COD去除效果28
4.3.2总氮的去除效果29
4.3.3氨氮的去除效果30
4.3.4TP的去除效果30
4.4结论31
第五章膜污染及防治33
5.1膜污染33
5.1.1膜污染的定义33
5.1.2膜污染的机理及分类33
5.1.3处理市政污水中膜污染的特点34
5.1.4膜污染的控制方法35
5.2膜清洗的探讨35
5.2.1物理清洗35
5.2.2化学清洗36
5.3污泥性状与膜污染的关系39
5.3.1污泥沉降速度39
5.3.2污泥沉降比曲线实验40
第六章结论与建议43
6.1试验和研究结论43
6.2研究中存在的不足和建议44
参考文献45
发表论文情况49
致谢51
第一章绪论
1.1引言
水是维持生命与健康的最基本的要素,地球尽管有70%以上的面积为水所覆盖,但淡水资源却非常有限。
全部的水资源中,有97.5%是无法饮用的咸水。
余下的2.5%的淡水中,有87%以上是人类难以利用的两极冰盖、高山冰川和永冻地带的冰雪。
我们真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分,仅占地球总水量的0.26%,而且分布不均。
现如今我国是世界上13个贫水的国家之一,水资源短缺、水污染严重、水土流失严重、水资源浪费严重,人均淡水资源占有量远远低于世界人均水平,是一个淡水资源严重缺乏的国家。
人们生活水平日新月异,工业飞速发展,新添加剂、清洁剂、药品等化学成分复杂的生活用品不断涌现,导致我们赖以生存的淡水资源出现了严重的污染。
我国的江河湖泊,由于废水和废物的大量排入,不同程度的受到污染,我国沿海频繁发生赤潮,水产养殖大面积减产、海生物死亡,与水污染增加直接相关。
我国目前面临着严峻的形势,城市用水量和废水排放量剧增,绝大多数城市水源供给量严重不足,各地水环境日趋恶化,2008年全国废污水排放总量超过758亿吨,并逐渐递增。
大量资料表明,我国今后一段相当长时间内的环境问题便是水环境问题,而水环境问题又主要是淡水资源的污染问题[1]。
近些年来随着人们环保意识的不断增强,对水体富营养化和氮磷污染水体的认识也日渐提高。
因此,废水处理、废水再利用已成为制约国民经济发展和关系人类生命健康的重大课题。
国民经济迅速增长的同时,给水环境带来的前所未有的沉重负担也必须给予重视。
目前,我国还有许多企业仍然沿用粗放型生产模式,废水处理效果并不理想,即便最终能够达标排放,还是仍有大量污染物质排入江河湖泊之中,污染程度大大超过了湖泊河流自身的环境容量,随着经济的发展,废水的排放量还要增长,污染物也会随之增加。
因此首先要做到削减污染物的排放,大力推行清洁生产,实行污染物排放的源头和全过程控制,其次要加大资金力度优化完善污水的处理工艺。
现今生活污水处理方面,国内污水处理厂基本沿用厌氧-好氧(AO),厌氧-缺氧-好氧(A2O),序列间歇式活性污泥法(SBR),氧化沟等几种传统的水处理工艺。
虽在应用上已经趋于成熟,但是仍然存在不足之处,工艺运行中的影响因素和工况仍存在优化空间[2]。
市政污水成分复杂,涵盖了人类在日常生活中使用过的生活污水,并被生活废料所污染的水。
其水质、水量随季节而变化,一般夏季用水相对较多,浓度低;冬季相应量少,浓度高。
生活污水一般不含有毒物质,但是它有适合微生物繁殖的条件,含有大量的病原体,从卫生角度来看有一定的危害性。
从水质角度考虑,市政污水色度较大,微生物含量丰富,氮磷含量较高,处理不达标便很容易产生淡水资源的富营养化。
可生化性的有机物含量较高,BOD5/COD大于0.3,适宜采用活性污泥法进行处理。
现今大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体的氮、磷等营养物质,引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖,水体溶解氧下降,水色浑浊,水质恶化的现象。
我国的武汉东湖、杭州西湖、南京玄武湖、济南大明湖、抚顺的大伙房水库,都曾受到富营养作用的影响。
近年来,我国沿海的赤潮也时有发生,河北黄骅县到天津塘沽百余里的沿海出现世界上罕见的大规模赤潮,使养虾业遭到严重损失。
1.2市政污水脱氮除磷处理的传统方法[3~6]
1.2.1A/O法
A/O工艺是由好氧和厌氧两部分反应组合而成的污水生物处理系统。
当污水进入厌氧池以后,与回流污泥充分混合,反硝化菌在此过程中会大量吸收污水中的可生化有机物和回流污泥中的硝态氮进行反硝化反应。
聚磷菌是在好氧的条件下吸收磷,厌氧条件下释放的磷,活性污泥在污水中通过“厌氧-好氧”的交替作用和二沉池的污泥分离达到除磷的目的,但是在只有一个缺氧段的情况下,硝态氮的存在会影响除磷反应,因此在此过程通常只能发生反硝化脱氮反应而除磷效果不佳。
缺氧池在前,污水中的有机碳被反硝化菌所利用,可减轻好氧池中的有机负荷,而反硝化反应中产生的碱度,可以适当满足好氧池进行硝化反应过程中对碱度的需要。
好氧设在缺氧池后,可使反硝化过程中残留的有机物得到进一步的去除,进而提高出水水质。
A/O工艺的BOD5去除率较高,可达90~95%以上,但在脱氮除磷方面略显不足,脱氮效率为70~80%,除磷效率只有20~30%。
由于A/O工艺较为简单,但其也有突出的自身特点,在当前仍然是比较普遍采用的工艺之一。
该工艺还可以将缺氧池与好氧池合建,中间隔以档板,降低工程造价,所以这种形式有利于对现有推流式曝气池的改造。
1.2.2A/A/O法
A/A/O工艺将传统的活性污泥、生物硝化工艺结合起来,取长补短,更有效的去除水中的有机物。
此法即是通常所说的厌氧-缺氧-好氧法,污水依次经过厌氧池-缺氧池-好氧池被降解。
A/A/O工艺自1932年至今已有接近80年的历史,污水首先进入前置的厌氧池中,其中的兼性厌氧菌将污水中含有的易降解有机物质转化成VFAs。
回流污泥中携带的聚磷菌将体内摄取的磷分解,此为释磷,释放的能量中一部分可供给好氧的聚磷菌以在厌氧的环境维持生存,另一部分供给聚磷菌去主动吸收VFAs,并储存PHB于体内,进入缺氧区,反硝化菌利用混合液回流过程中带入的硝酸盐以及进水有机物进行反硝化反应脱氮,进入好氧区,聚磷菌除了吸收利用污水中残留的易降解BOD外,主要分解体内储存的PHB产生能量供自身生长繁殖,并主动吸收环境中的溶解磷,此为吸磷,以聚磷的形式在体内储存。
污水经厌氧,缺氧区,有机物分别被聚磷菌和反硝化细菌利用后浓度低,有利于自养的硝化菌的生长繁殖。
最后,混合液进入沉淀池,进行泥水分离,上清液作为处理水排放,沉淀污泥的一部分回流厌氧池,另一部分作为剩余污泥排放。
本工艺可达到同步脱氮除磷的效果,总的水力停留时间少于其他同类工艺。
而且在厌氧-缺氧-好养交替运行条件下,不易发生污泥膨胀。
改良A/A/O的特点就是在厌氧池的前面加上了一个预缺氧池,以更好的达到脱氮除磷的效果,从而达到国家一级A的标准。
对于含磷较高的污水,该工艺是一个不错的选择,较适合于生活污水的处理。
1.2.3SBR法
SBR法是序批式活性污泥法(SequencingBatchReactor)的简称,又名间歇曝气,其主体构筑物是SBR反应池。
污水在这个反应池中完成反应、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序,使处理过程大为简化。
SBR的废水处理方法,具有以下几个主要特点:
序批式活性污泥法空间上处于完全混合状态,时间上为推流式,反应效率高,处理效果好,在获得同样的处理效率下,SBR法反应池理论明显要小于连续式反应池的体积,并且池越多,SBR的总体积就越小。
序批式活性污泥法工艺流程较为简单,构筑物少,占地少,构筑物少,设备费用和造价也较低。
反应结束后的静止沉淀后,分离效果较好,出水水质也较高。
工艺运行灵活,经调整可变换成多种运行路线,在同一反应器中仅通过改变运行中的几个工艺参数就可以处理不同水质情况下的废水,在进水结束后,原水和反应器隔离,进水水质和水量的变化对反应器不再有任何影响。
综上可看出该工艺的耐冲击负荷能力较高,间歇进水方式、排放以及每次进水量只占反应器的三分之二左右,其稀释作用也进一步提高了工艺对进水冲击负荷的耐受能力;另一方面序批式活性污泥法能够有效地控制丝状菌过量的繁殖,这是由缺氧和好氧并存,反应中底物浓度大,泥龄短,比增长速率大等共同决定的。
SBR法以它独特的优点近年来得到迅速推广,通过不断改进、完善,使其成为目前世界上采用较多的污水处理工艺。
SBR工艺在我国工业废水处理领域应用也比较广泛,已经建成多座SBR处理设施投入运行。
1.2.4MBR组合工艺
膜生物反应器(MBR)作为一种新型、高效的污水处理与回用技术,受到了国内外学者的广泛关注。
与常规的脱氮除磷工艺相比较,将AO,SBR等与MBR技术相结合的工艺,除了具有一般的MBR的优点以外,还可达到同时高效去除氮、磷及有机物的目的。
MBR组合工艺有以下主要特点:
1,处理出水水质良好,污染物去除效率高。
不仅对有机物和悬浮固体(SS)的去除效率高,也可以去除细菌和病毒等微生物,工艺出水可以直接回用。
2,膜本身具有的分离功能,可将水中的微生物完全截留在反应器中,实现污泥龄和水力停留时间的完全分离,使得系统在运行控制过程中更加灵活。
3,反应器中污泥浓度较高,处理容积负荷大,占用土地面积较少。
4,有利于硝化细菌等增值缓慢的微生物的截留和生长,系统硝化效率得以提高。
并且可以同时提高难降解有机物的降解效率。
5,污泥产量较低。
6,传质效率较高,氧的转移效率高达25%-60%。
7,较容易实现自动控制,操作管理比较方便。
1.2.4.1MBR与序批式反应器(SBR)相结合的工艺
MBR与序批式反应器(SBR)相结合形成改良式序列间歇反应器(MSBR)。
SBR工艺按进水、反应、沉淀、出水、闲置5个阶段的顺序间歇操作运行。
沉淀的工序相当于传统的活性污泥法中二沉池的左右,沉淀期所需的时间根据所处理的污水的类型及处理要求具体确定,一般为1~2小时。
MSBR系统由于膜的过滤功能而省去沉淀的工序,从而大大地缩短了SBR流程,且过滤功能进一步提高了出水水质。
将膜处理与SBR系统结合,在最终膜过滤程序完成后显示,细菌能够确保被全部去除,95%以上的有机物、悬浮固体和大肠杆菌也被成功去除,而单独的SBR系统只部分地去除了大肠杆菌、埃希氏大肠杆菌等,但是由于在这种运行模式中膜的工作时间短而引起效率的降低,现在几乎没有工程采用此工艺。
1.2.4.2MBR与高效生物反应器(HCR)相结合的工艺
高效生物反应器(HCR)工艺是由德国Clausthal工业大学物象传递研究所发明的一种高效生物反应器技术。
HCR工艺通过提高反应器中的污泥活性和充氧能力来满足生物在短时间内快速降解污水中的有机物的要求,最终达到高效率处理目的。
高效生物反应器是一种环状射流的反应器技术,采用射流曝气的方式强制提高溶解氧浓度,设备的结构主要由循环泵,沉淀池,集成反应器,两相喷头和相应的配套管路系统等几个部件所构成。
Kyung—MinYeon等人将HCR工艺与MBR工艺结合形成了新型的MHCR工艺,对此工艺的处理能力进行了研究。
实验中将HCR反应器与几种不同型式的淹没式膜组件相结合。
比较研究发现:
MHCR显示出了大大高于普通MBR系统中的膜出水率,为含高浓度有机物污水的处理提供了保障;M
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