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Thestarting-upandoperationofA2/Opilotscalesystemwithmunicipalwastewater
Specialty:
EnvironmentalEngineering
Name:
Jingshiping
Instructor:
ProfessorPengDangcong
ABSTRACT
Afterthemunicipalwastewatertreatmentplants(WWTP)wasbuiltup,thefirstandalsothemostimportantproblemishowtostartupthesystemeconomically,rapidlyandefficiency.ThispilotscalesystemwhichusedanimprovedWWTPsystemandoperationmethodtogetsuccessstarting-upandstableoperation.Themainresearchresultsareasfollows:
(1)Forthestarting-upofthepilotscalesystem,onlybyusingtheprimarysedimenteffluentwastewater.10dayslater,themixliquidsuspendsolidwasonlyabout220mg/L,itcannotachievesuccessfulstarting-up.andbyusingrawsewageunderthesamecultivationcondition,10dayslater,themixliquidsuspendsolidwasabout500mg/L,theeffectswasnotverysignificant.
(2)Forthestarting-upofthepilotscalesystem,usingtherawsewage、addingamountofprimarysedimentsludgeandaddingsomeflocculationintheeffluent,thenimprovedthehydraulicloadstepbystep.10dayslater,themixliquidsuspendsolidachieved3000mg/L,So,itwillbeveryconvenientandrapidtostart-upthethepilotscalesysteminthisway,whatismore,theprimarysedimentsludgeitselfisbyproduct,itcanbegainedalmostwithoutcost,itcanalsosavealotofmanpowerandmeterialpower.
(3)Thesystemwasoperatedwith30~50%ofreturnactivatedsludge(RAS),under10hofhydraulicretentiontime(HRT),and12daysofsludgeretentiontime,100%ofmixliquidsludgereturn,averagetemperaturewas28℃.TheaverageremovalefficiencyofTCOD,SCOD,NH4+-N,TN,TPreached80%,83%,98%,55.83%,40%.
(4)Althoughthesystemhasthepotentialtoremovenitrogen,buttheTPremovalefficiencyonlyreachedabout40%andkeptaneffluentphosphatereached2mg/L,largeamountofphosphatereleasehasnotbeenfoundyetintheanaerobictank,sothesystemisweakatremovingphosphate,astheORPshows,inanaerobictank,theORPreached40mv,andlargeamoutofnitratesignificantlyeffectsthereleaseofphosphateofphosphorusaccumulatingorgnisims(PAOs).so,itneedstoinducethegrowthPAOsinthenextstep.Thefeasiblewayistoenhanceanaerobictankandchangereturnactivatedsludgeratio.
Keywords:
municipalwastewater;
A2/Opilotscalesystem;
starting-up;
fullynitrificatiom;
operation
Papertype:
appliedresearch
目录
1绪言1
1.1引言1
1.1.1我国水资源和水环境现状1
1.1.2我国水污染现状1
1.1.3氮、磷的危害3
1.1.4水环境改善途径4
1.2废水生物脱氮原理及工艺4
1.2.1生物脱氮原理4
1.2.2生物脱氮工艺9
1.3生物脱氮强化技术的研究进展20
1.3.1延长污泥龄技术20
1.3.2分段进水强化硝化工艺21
1.3.3生物添加技术22
1.4污泥水富集硝化菌强化硝化24
1.4.1污泥水来源和特性24
1.4.2污泥水强化硝化工艺25
1.5课题来源及研究内容29
1.5.1课题来源29
1.5.2研究背景29
1.5.3研究内容31
2中试系统设计、安装及调试32
2.1系统设计32
2.1.1处理工艺32
2.1.2设计参数32
2.1.3设计要点33
2.1.4反应器尺寸及布置33
2.2中试系统安装34
2.2.1系统机械和检测设备及安装34
2.2.2反应器安装与连接35
2.3中试系统调试36
2.3.1机械设备调试36
2.3.2水力调试36
2.3.3流态试验38
3中试系统启动40
3.1启动方法40
3.2分析方法41
3.3进水水质42
3.4启动过程42
3.4.1MLSS历时变化43
3.4.2SVI和SV44
3.4.3COD历时变化45
3.4.4N的历时变化46
3.5生物相观察47
3.6小结47
4中试系统运行49
4.1处理效果49
4.1.1COD49
4.1.2NH4+-N50
4.1.3TN50
4.1.4TP51
4.1.5MLSS变化(MLSS/MLVSS)52
4.2污染物的沿程变化52
4.2.1NH4+-N、NO2--N、NO3--N的沿程变化52
4.2.2SCOD的沿程变化53
4.2.3PO43--P的沿程变化54
4.3污泥的生物和沉淀性能56
4.4小结57
5结论58
致谢59
参考文献60
1绪论
1.1引言
1.1.1我国水资源和水环境现状
据统计,2006年我国669座城市中有400多个城市缺水,其中有110多个城市严重缺水,此外还有2000多万农村人口饮水困难,年缺水达400多亿立方米。
全国城市日缺水量达1600万吨。
其主要的缺水原因是我国水污染严重,据有关专家估计,我国2010年缺水近1000亿立方米,2020年将缺水3000多亿立方米。
中国作为世界上人口最多的国家,其水资源总量在28100亿立方米左右,但是,人均水资源为2300立方米,仅相当于世界平均人均占有率的1/4。
我国水资源较丰富,但是造成我国严重缺少的原因可能是我国水资源在地区上分布不均,很多地方的水资源分布和当地人口,经济发展水平及耕地的面积极为不匹配。
我国水资源主要分布在长江以南地区,就人均占有淡水资源方面,南方最高地区和北方最低地区相差数十倍,西部地区比东部地区高出五六百倍,这些地区水资源短却的现状将在以后相当长的时间内成为一个很难解决的问题。
由于社会不断发展、城市规模的逐渐扩大、工业化的发展、造成了我国用水量和排水量的大量增加,但是由于我国城市生活污水处理设施不足以及普遍存在的能耗高、效率低和运行不稳定等问题,这些问题造成了造成了城市污水的超标排放,直接加重了我国水环境问题。
根据全国2222个监测站的监测(水环境监测覆盖面达到:
流域面积的80%,水体纳污量的80%,流域工农业总产值的80%,流域人口的80%,例行监测河段总长已达到34万公里,占全国河流总长度的80%)结果表明,我国七大水系污染程度次序为:
海河—辽河—淮河—黄河—松花江—珠江—长江,其中海河、辽河、淮河污染最重。
主要大淡水湖泊的污染程度次序为:
巢湖(西半湖)—滇池—南四湖—太湖—洪泽湖—洞庭湖—镜泊湖—兴凯湖—博斯滕湖—松花湖—泻海,其中巢湖、滇池、南四湖、太湖污染最重。
1.1.2我国水污染现状
在我国,有90%以上的城市水域污染严重,近50%的重点城镇水源水质不合格。
在主要的江、河、湖、库等水域已监测出数百种有机物,特别是有些区域已经受到非常严重的有机物污染,水污染正在从东部向西部发展,从支流向干流延伸,从城市向农村蔓延,从地表向地下参透,从区域向流域扩散[1]。
其主要表现在以下几个方面:
(1)河流湖泊污染状况
国家环保总局2006年统计,我国河流主要污染物是有机物、氨氮和石油类。
辽河、海河污染严重,松花江、黄河、淮河中度污染,珠江、长江水质总体良好。
同时对七大水系的197条河流408个监测断面分析表明,Ⅰ~Ⅲ类,Ⅳ、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为46%、28%、26%。
我国湖泊污染也很严重,多数出现水体富营养化,水体富营养化的直观形象是产生“水华”(海洋的富营养化称为“赤潮”),其中太湖、巢湖和滇池(简称“三湖”)污染最为严重。
近年来,虽然我国城市污水处理率不断提高,但是,由氮、磷污染引起的水体富营养问题不但没有得到解决反而更加严重。
(2)饮用水安全程度下降
目前全世界有20%左右的人用不到安全的饮用水,主要的原因是饮用水污染。
农村饮用水水源大多收到污染,据调查,目前农村有3亿多人仍饮用不合格的水,其中约1.9亿人的饮用水有害物质超标。
河北涉县、河南沈丘县、天津北辰区、陕西华县等地区频频出现“癌症村”,这些无不与饮用水污染有关。
(3)工业污染严重
工业废水是我国水源污染的主要来源之一,近年来,我们国家污水处理率不断提高,但是污水的年排放量还是在大幅度的增加。
根据2006年全国环境统计公报,全国废水排放总量536.8亿吨,比上年增加2.3%。
其中工业废水排放量240.2吨,占废水排放总量的44.7%,比上年减少了1.1%。
城镇生活污水排放量296.6亿吨,占废水排放总量的55.3%,比上年增加5.8%。
废水中化学需氧量排放量1428.2万吨,比上年增加1.0%。
其中,工业废水中化学需氧量排放量541.5万吨,占化学需氧量排放总量的37.9%,比上年减少2.4%;
废水中氨氮排放量141.3万吨,比上年减少5.7%。
其中,工业氨氮排放量42.5万吨,占氨氮排放量的30.0%,比上年减少19.0%;
全国工业固体废物产生量15.2亿吨,比上年增加12.7%。
根据《第一次全国污染源普查公报》显示,2007年度全国废水排放总量2092.81亿吨,工业固体废物为4914.87万吨;
工业危险废物为3.94万吨。
工业固体废物的堆放不仅占用大量土地,并且对空气、地表水和地下水产生二次污染,其危险和影响更加隐蔽和长远。
1.1.3氮、磷的危害
随着工业化和城市化水平的不断提高,世界各国的污水排放总量不断的增加,造成了水环境严重污染,其中以氮、磷等营养物的大量排放引起的水体富营养化表现尤为突出,含有较多数量的氮、磷的水大量排放至河流湖泊直接导致蓝藻和绿藻等的过度繁殖,发生“水华”现象,排入近海则会发生赤潮。
近年来由于氮、磷等营养物的大量排入,引起我国海域从北到南(从渤海到南海),多处大面积的赤潮,对海洋生态和水产造成了严重的损害。
污水中含有大量氮、磷会造成一系列的危害:
(1)加速水体富营养化,这也是水体中氮、磷对湖泊江河的最大危害。
(2)加速水质恶化:
氨氮在被转化为亚硝态氮和硝态氮的过程中会消耗水体中的溶解氧,据计算lg氨氮被完全硝化需要4.57g氧,当水中的溶解氧逐渐被消耗,而大气复氧来不及补充水中氧的消耗时就会引起水体缺氧,最终导致水生生物死亡和水体黑臭恶化。
(3)影响人体的健康:
当水环境中的pH大于7时,氨氮在水体中以游离形式存在,游离的氨氮对水中生物有巨大的毒害作用,因为当水体中氨氮浓度在1mg/L以上时,水中生物对O2的结合能力大量下降,当氨氮浓度在3mg/L时,有资料显示在24到96小时内金鱼及鳊鱼等大部分鱼类就会死亡。
可见氨氮对水中生物的毒害之大。
对于人类而言,由于氨氮在水体中是一种不稳定的物质,很容易转化为亚硝态氮和硝态氮,NO3--N进入人体后被还原为NO2--N,亚硝态氮与某些物质化合为亚硝胺,会形成对人类具有“致癌、致变、致畸”三致作用的有害物质。
世界卫生组织(WHO)颁布的饮用水质标准规定NO3--N的最大允许浓度为10mg/L,而我国部分省市的地下水中NO3--N含量高达20~50mg/L,若这部分氮没有得到及时去除,将严重影响人体健康。
(4)影响供水水质并增加制水成本:
湖泊和水库是重要的城市供水水源,约占我国城市供水量的四分之一。
由于水体富营养化日趋严重,富营养水作为水源时,会给净水水厂带来一些了问题,比如过量的藻类会给净水厂的过滤过程带来障碍,水藻经常堵塞滤池,为了消除堵塞现象,需要改善或者增加过滤措施。
并且富营养化的水体在一定条件下产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体以及水藻本生产生的某些有毒物质大都将大大的增加水处理的技术难度。
这显然大大增加制水费用,甚至导致水厂关闭。
1.1.4水环境改善途径
水体的富营养化严重破坏了水体功能,降低水资源的利用价值,对城市经济、政治和自然环境均构成了严重的威胁。
一般认为,防止富营养化应该尽可能地同时对氮和磷进行控制,制定更严格的排放标准是目前世界各国普遍的发展趋势,我国已经把控制氮、磷的排放作为控制富营养化的手段,一个重大的变革是我国1996年颁布执行的《污水综合排放标准》(GB8978—1996)中对排入Ⅲ类以上水域执行的一级标准中,氨氮的浓度为15mg/L,对总氮未作规定[2];
而2002年开始执行的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中对氨氮的排放标准1级B为8mg/L,总氮浓度则必须小于20mg/L[3],对TP的排放标准(2006年1月1日后建设的污水厂)1级A为0.5mg/L,1级B为1mg/L。
国家通过制定严格的排放标准来改善水环境,鉴于对氮磷排放标准日益严格,切实可行的高效、低能损耗的脱氮除磷污水处理工艺格外受到水处理界研究者的重视。
1.2废水生物脱氮原理及工艺
1.2.1生物脱氮原理
所谓生物脱氮指的是有机氮经过细菌分解和水解转化为氨氮,氨氮在好氧条件下经过氨氧化细菌转化为亚硝氮,亚硝氮在经过亚硝酸盐氧化菌转化为硝氮,硝态氮最终在碳源充足的情况下通过反硝化菌转化为氮气,此过程称为典型的硝化—反硝化生物脱氮过程。
(1)氨化
所谓“氨化”就是指有机氮在氨化菌的作用下,被分解转化为氨态氮。
人和高等动物所排泄的尿液中含有尿素,尿素在尿素酶的作用下迅速水解生成碳酸铵。
生活污水中的NH4+-N主要源于尿素的水解。
以最简单的有机氮化合物尿素水解为例,其反应式为:
H2NHCONH2+2H2O→2NH4++CO32-(1-1)
氨化反应在好氧和厌氧条件下均可进行,在好氧条件下参与脱氨基的微生物主要有大肠杆菌、枯草芽抱杆菌和荧光假单胞菌等;
厌氧条件下的微生物主要有酵母菌、变形杆菌、兼性大肠杆菌和腐败梭菌[4]。
氨化反应是一种普遍存在的生化作用,几乎所有的异养型微生物都具有氨化功能,所以在脱氮过程中氨化阶段的生化效率很高,通常不作为控制步骤。
(2)氨氧化
氨氮在氨氧化菌(ammoniaoxidizingbacteria,AOB)的作用下被氧化为亚硝酸盐的步骤称之为氨氧化或者亚硝酸化(Ammoniaoxidation)[5]。
有研究表明,氨氧化过程中,氨氮首先在氨氧化酶的作用下转化为羟氨(NH2OH),然后再由羟氨氧化酶转化为亚硝酸盐,但在实际污水处理系统中,由于这两步进行的非常快,所以很难检测到中间产物羟氨。
氨氧化过程可表示为:
NH4++1.5O2→NO2-+2H2O+2H++84kcalmol-1(1-2)
反应式(1-2)表明:
每氧化1gNH4+-N需要3.42gO2,每氧化1molNH4+-N可产生2molH+,因此,这就要求水体中有足够溶解氧和碱度,以保证硝化反应的顺利进行。
氨氧化菌亦可分为自养型和异养型,一般认为自养型氨氧化菌是硝化作用的主要菌群。
所有自养型氨氧化菌都是革兰氏阴性菌,自养生长时,以氨为唯一能源,以CO2为唯一碳源。
在《伯杰氏系统细菌学手册》第一版中,氨氧化细菌被划分为五个属[6],即Nitrosomonas,Nitrosococcus,Nitrosospira,Nitrosolobus和Nitrosovibrio,它们的形态特征及其生存环境见表1-1[7]。
表1-1各属氨氧化细菌的形态特征及生存环境
特征
氨氧化单胞菌
Nitrosomonas
氨氧化球菌
Nitrosococcus
氨氧化螺旋菌
Nitrosospira
氨氧化叶菌
Nitrosolobus
氨氧化弧菌菌
Nitrosovibrio
细胞形态
杆状至椭球状
球状至椭球状
紧密螺旋状
多形态
细长弧状
细胞大小
/微米
(0.7~1.5)×
(1.0~2.4)
(1.5~1.8)×
(1.7~2.5)
(0.3~0.8)×
(1.0~8.0)
(1.0~1.5)×
(1.0~2.5)
(0.3~0.4)×
(1.0~3.0)
鞭毛
极生至偏极生
丛生或单生
周生
细胞内膜的排列方式
呈扁平泡囊分布于四周
呈泡囊分布于四周或堆积于中央
无内膜
使细胞分隔
温度范围/℃
5~40
2~35
15~35
20~35
pH
5.8~8.5
6.0~8.0
6.5~8.5
6.0~8.2
7.5~7.8
(4)亚硝酸盐氧化
在溶解氧供给充足的条件下,亚硝酸氧化菌将亚硝盐进一步氧化为硝酸盐的过程称为亚硝酸盐氧化(Nitriteoxidation),其反应方程式可表示为:
NO2-+0.5O2→NO3-+84kcalmol-1(1-3)
反应式(1-3)表明每氧化1gNO2--N需要消耗1.14gO2。
所有亚硝酸氧化菌都是革兰氏染色阴性菌。
自养生长时,以亚硝酸盐为唯一能源,以CO2为唯一碳源。
大多数亚硝酸氧化菌适合的生长条件为:
温度25~30℃,pH在7.5~8.0之间,亚硝氮浓度为2~30mmol/L,倍增时间为10小时至数天。
根据菌体形态和细胞内膜的排列方式,《伯杰氏系统细菌学手册》第一版将参与亚硝酸盐氧化过程的细菌划分为四个属[6]:
Nitrobacter,Nitrospira,Nitrospina和Nitrococcus。
它们的形态特征及其生存环境见表1-2[7]。
表1-2各属亚硝酸氧化细菌的形态特征及生存环境
硝酸杆菌
Nitrobacter
硝酸球菌
Nitrococcus
硝酸螺旋菌
Nitrospira
硝酸刺菌
Nitrospina
梨状至多形态杆状
球状
疏松螺旋状
细杆状
(0.5~0.8)×
(1.0~2.0)
(1.5~1.8)
(0.8~1.0)
(1.7~6.6)
极生至侧生
极生
未观察到
呈扁平泡囊分布于一侧
呈管状随机分布
5~37
15~30
20~30
7.6~8.0
7.5~8.0
7.0~8.0
自养微生物的氨氧化和亚硝酸氧化过程统称为硝化,影响这一过程的环境因素:
①温度
生物硝化反应可以在4~45℃的范围内进行。
亚硝酸菌最佳生长温度在35℃,硝酸菌的最佳生长温度为35~42℃。
温度不但影响硝化菌的比增长速
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