自養(yǎng)型生物脫氮反應(yīng)器性能的研究.pdf

1、本文從適用性、高效性和穩(wěn)定性等視角，對(duì)短程硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)器的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得以下結(jié)果： 1)評(píng)估了短程硝化反應(yīng)器的適用性。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過控制進(jìn)水堿度、DO和HRT，可在氣升式反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的半短程硝化，反應(yīng)器出水適宜后續(xù)厭氧氨氧化反應(yīng)器處理。有機(jī)物(乙酸鈉500和800mgCOD/L)對(duì)半短程硝化反應(yīng)器的運(yùn)行性能有重大影響。添加有機(jī)物后，反應(yīng)器出水氨氮濃度不變，亞硝氮、硝氮和總氮濃度減小，且變化程度與所添加

2、的有機(jī)物濃度呈正相關(guān)。引發(fā)反硝化是造成有機(jī)物影響的主要原因。短期批次試驗(yàn)表明：在摩爾濃度相同的條件下，3種鹽(NaCl、KCl和Na<,2>SO<,4>)對(duì)氨氧化活性的影響程度接近，鹽濃度為150mmol/L時(shí)，氨氧化活性為未添加鹽時(shí)的60％。連續(xù)流試驗(yàn)證明：通過逐漸提高鹽濃度，半短程硝化反應(yīng)器能適應(yīng)25gNaCl/L鹽度的水質(zhì)，出水可作為后續(xù)厭氧氨氧化工藝的進(jìn)水。當(dāng)鹽度大于27gNaCl/L時(shí)，出水NO<,2><'->-N/NH<,4

3、><'-N>偏低，出水水質(zhì)不合要求。亞硝酸細(xì)菌對(duì)高鹽度脅迫比硝酸細(xì)菌敏感。 2)研究了改進(jìn)型短程硝化反應(yīng)器流體力學(xué)特性。 考察了逆流湍動(dòng)床短程硝化反應(yīng)器的混合特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)器返混明顯；表觀氣速增大、固含率減小和表觀液速增大都會(huì)增強(qiáng)反應(yīng)器返混；反應(yīng)器死區(qū)較小，結(jié)構(gòu)性能良好，死區(qū)百分率與表觀氣速和液速相關(guān)性不強(qiáng)，但與固含率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；利用軸向擴(kuò)散模型、等體積和非等體積多釜串聯(lián)模型對(duì)反應(yīng)器的流態(tài)作了模擬，確定了模型

4、參數(shù)。 考察了改進(jìn)型氣升式短程硝化反應(yīng)器的功耗特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：反應(yīng)器總功耗與進(jìn)氣流量線性相關(guān)。當(dāng)需氣量一定時(shí)，適當(dāng)縮小導(dǎo)流筒尺寸，增加導(dǎo)流筒內(nèi)靜態(tài)混合元件數(shù)，有助于降低反應(yīng)器的功耗。經(jīng)過優(yōu)化后，反應(yīng)器的總功耗可比普通氣升式反應(yīng)器降低23.6％。反應(yīng)器的總功耗與充氧能力正相關(guān)。當(dāng)充氧能力設(shè)定時(shí)，采用的導(dǎo)流筒尺寸越大，內(nèi)置的混合元件越多，功耗越小。經(jīng)過優(yōu)化，反應(yīng)器的總功耗可比普通氣升式反應(yīng)器降低43.9％。在整個(gè)反應(yīng)器中，升流區(qū)

5、的功耗最大，它是反應(yīng)器節(jié)能的重點(diǎn)區(qū)域：底隙區(qū)次之；氣液分離區(qū)最小。 考察了改進(jìn)型氣升式短程硝化反應(yīng)器的流體剪切性狀。試驗(yàn)結(jié)果表明：該反應(yīng)器的剪切率呈現(xiàn)一定的空間分布，最大剪切率出現(xiàn)在升流區(qū)。反應(yīng)器操作和結(jié)構(gòu)條件可對(duì)剪切率產(chǎn)生重大影響。剪切率與導(dǎo)流筒直徑負(fù)相關(guān)，與混合元件數(shù)正相關(guān)。改進(jìn)型氣升式硝化反應(yīng)器的剪切率分布均勻性略低于普通氣升式反應(yīng)器，采用較大的導(dǎo)流筒尺寸和適宜的混合元件數(shù)可促進(jìn)剪切率均勻分布。 3)研究了短程硝化

6、反應(yīng)器的高效性。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用“預(yù)掛膜”和“陜速排泥”聯(lián)合掛膜方法，以及“低濃度，高負(fù)荷”啟動(dòng)策略，可快速啟動(dòng)短程硝化湍動(dòng)床生物膜反應(yīng)器。在氨氮負(fù)荷為5.60 kg/(m<'3>·d)時(shí)，該反應(yīng)器氨氮去除速率最高可達(dá)4.25 kg/(m<'3>·d)。亞硝氮最高生產(chǎn)率可達(dá)3.70kg/(m<'3>·d)。采用。Haldane、Edwards、Aiba、Luong模型對(duì)短程硝化湍動(dòng)床的基質(zhì)抑制動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，并求得模型參數(shù)值。

7、冷模傳質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表明，液相容積傳質(zhì)系數(shù)k<,L>α隨著表觀氣速和表觀液速的增大而增大，隨著固含率的增大先增大后減小，0.05～0.08為反應(yīng)器傳質(zhì)的最優(yōu)固含率條件。液體性質(zhì)對(duì)k<,L>α有重大影響，高濃度模擬廢水和工業(yè)廢水中的k<,L>α比清水中的k<,L>α分別減小39.0％和50.9％。熱模傳質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表明，氧傳質(zhì)系數(shù)隨表觀氣速、DO和需氧量的增大而增大；存在對(duì)氧傳質(zhì)效率較優(yōu)的表觀氣速和DO操作范圍：短程硝化系統(tǒng)不僅需氧量少，而且供

8、氧效率高，具有供需兩方面的優(yōu)勢(shì)；短程硝化反應(yīng)的傳質(zhì)增大因子大于1.16。 4)考察了短程硝化反應(yīng)器的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊負(fù)荷對(duì)硝化反應(yīng)器性能有重大影響，其典型影響體現(xiàn)在運(yùn)行性能惡化、中間產(chǎn)物累積、pH值和游離氨濃度上升等方面。劇烈的負(fù)荷沖擊可導(dǎo)致反應(yīng)器性能不能自然恢復(fù)。pH值是影響沖擊效應(yīng)的關(guān)鍵因子。硝化反應(yīng)器的穩(wěn)定性受各種系統(tǒng)特性(氨氮負(fù)荷、負(fù)荷要素組合方式、污泥濃度)和沖擊特點(diǎn)(沖擊強(qiáng)度、負(fù)荷要素組合方式、沖擊時(shí)間、沖

9、擊堿量、沖擊期進(jìn)水pH值)的制約。反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度越大，穩(wěn)定性越好；沖擊強(qiáng)度越小，沖擊時(shí)間越短，沖擊期進(jìn)水pH和堿量適中，穩(wěn)定性越好。此外，適當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)也可強(qiáng)化反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。不同類型的負(fù)荷沖擊對(duì)反應(yīng)器穩(wěn)定性的影響不同，濃度沖擊的影響比水力沖擊大。 5)研究了厭氧氨氧化反應(yīng)器的適用性。試驗(yàn)結(jié)果表明，厭氧氨氧化反應(yīng)器對(duì)含有機(jī)物水質(zhì)的適應(yīng)性與基質(zhì)負(fù)荷有關(guān)。當(dāng)總氮負(fù)荷低于0.43kg/(m<'3>·d)時(shí)，有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化反

10、應(yīng)器運(yùn)行性能的影響較小，氨氮和亞硝氮去除率保持在94％以上；但當(dāng)總氮負(fù)荷為0.72 kg/(m<'3>·d)(滿負(fù)荷)時(shí)，氨氮和亞硝氮去除率降至75％以下，有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器運(yùn)行性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。采用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方法，通過逐漸提高鹽濃度，并調(diào)整反應(yīng)器運(yùn)行負(fù)荷，厭氧氨氧化反應(yīng)器能適應(yīng)30g NaCl/L鹽度的水質(zhì)，其效能與進(jìn)水不加鹽的對(duì)照期接近。鹽度對(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌生長(zhǎng)有負(fù)面影響，經(jīng)馴化后，這種影響可部分消除。在30g NaCl/L的

11、鹽度條件下，反應(yīng)器運(yùn)行較易失穩(wěn)。短期批次試驗(yàn)表明：未馴化污泥在30gNaCl/L鹽度條件下的厭氧氨氧化活性比對(duì)照(無(wú)鹽水質(zhì)條件)低67.5％；而馴化后同鹽度條件下污泥厭氧氨氧化活性比對(duì)照低45.1％，馴化可部分解除高鹽度脅迫。鹽度抑制為可逆抑制。 6)研究了厭氧氨氧化反應(yīng)器的高效性。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水總氮濃度為608 mg/L，HRT為2h，總氮負(fù)荷為7.34 kg/(m<'3>·d)時(shí)，反應(yīng)器獲得最大基質(zhì)去除速率6.11 k

12、gN/(m<'3>·d)。厭氧氨氧化的中性反應(yīng)從本質(zhì)上保證了其高效性的穩(wěn)定發(fā)揮。進(jìn)水基質(zhì)比例是決定厭氧氨氧化反應(yīng)器高效性的重要因子，以出水水質(zhì)(效果)為優(yōu)化目標(biāo)，所得較優(yōu)的進(jìn)水基質(zhì)比例為NO<,2><'->-N/NH<,4><'+>-N=1.2?；|(zhì)抑制是厭氧氨氧化反應(yīng)器高效性的重要障礙，厭氧氨氧化菌活性受高濃度亞硝酸鹽抑制，266mg/L亞硝氮可致活性降低24.3％；但能夠耐受較高的氨氮濃度，270mg/L氨氮的抑制作用不顯著。Hal

13、dane、Edwards和Aiba模型可描述厭氧氨氧化的基質(zhì)(亞硝酸鹽)抑制行為。二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和改進(jìn)的Stover-Kincannon模型均適用于非基質(zhì)抑制狀態(tài)下的厭氧氨氧化反應(yīng)器過程模擬。 7)研究了厭氧氨氧化反應(yīng)器的穩(wěn)定性。提出了反應(yīng)器穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)體系(穩(wěn)定性表征參數(shù)和模糊評(píng)價(jià)方法)，并將其用于厭氧氨氧化反應(yīng)器的選型。結(jié)果表明，在不同類型的負(fù)荷沖擊下反應(yīng)器穩(wěn)定性不同，在基質(zhì)濃度沖擊下，反應(yīng)器的穩(wěn)定性參數(shù)值是水力負(fù)荷沖擊下的

14、1.68～5.44倍，厭氧氨氧化反應(yīng)器抗水力負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)于抗基質(zhì)濃度沖擊。不同類型反應(yīng)器對(duì)同一類型的負(fù)荷沖擊也有不同的效應(yīng)。在3種備選反應(yīng)器中，抗基質(zhì)濃度沖擊能力以顆粒污泥床最強(qiáng)，生物膜反應(yīng)器次之，SBR最弱；抗水力負(fù)荷沖擊能力以SBR最強(qiáng)，顆粒污泥床次之，生物膜反應(yīng)器最弱。模糊綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，以顆粒污泥床綜合抗負(fù)荷沖擊能力最強(qiáng)，生物膜反應(yīng)器次之，SBR最弱。此外，負(fù)荷沖擊特性影響厭氧氨氧化反應(yīng)器的穩(wěn)定性。沖擊強(qiáng)度越大，沖擊時(shí)間越長(zhǎng)，沖