固定床薄膜生物反应器处理农村生活污水生产性试验研究

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近年我国水生态环境保护工作重心由进一步夯实城镇水污染源控制提质增效转向主要解决分布在流域纵深的农村生活污水污染等面源问题,农村生活污水水量小但时空变化大、水质浓度峰值高且浓度极差大,寻求经济适宜的处理技术并非易事。随着各省农村污水排放地方标准的颁布,农村污水处理工艺依据排放标准分级甄别适宜的技术路线是当前的新使命。近几年,农村生活污水处理工艺层出不穷,但不可否认的是,工艺措施与排放标准之间仍存在耦合关联性不强的普遍问题。为贯彻九部委对于农村污水治理提出的“因地制宜、尊重习惯,应治尽治、利用为先,就地就近、生态循环”的指导意见,研究可灵活调整运行参数以适应农村污水分级分档排放标准的低功耗污水处理技术仍是时代所需。本研究针对农村生活污水处理在技术和管理层面的差异性,放弃虽然主流但相对保守的活性污泥法,以生物滤池工艺为基础,创新地采用以新型薄膜材料作为微生物载体的微动力固定床薄膜生物法。生物膜附着的线圈可透气不透水,是营养物在生物膜内外层进行物质传递的场所,膜线圈间隙是供氧通道,系统所需所有动力均来源于反应器底部的微动力循环泵。微动力固定床薄膜生物反应器结构简单,调整微动力循环泵的循环时间和增设辅助单元就可以灵活适应农村污水排放分级分档标准。该反应器在成都天府新区某乡镇污水厂试验运行约6个月,先后通过单因素试验和正交试验,提出了基于农村污水排放分级达标要求下的工艺组合措施和固定床薄膜生物反应器的运行控制参数。主要研究结论如下:(1)采用自然连续进水无循环的方式挂膜,挂膜历时45d,在运行32d后,固定生物膜循环装置对COD的去除率可达到83.03%,氨氮去除率为61.75%,TN去除率为55.44%,此时观察生物相发现大量的钟虫、线虫等原生和后生动物,挂膜性能较好。(2)通过单因素试验,研究了膜卷间隙、进水水力负荷、循环水时间和进水污染物负荷等对固定床薄膜生物反应器处理效能的影响。结果表明:1)研究了5mm间隙、8mm间隙和10mm间隙对污染物去除的影响,结果表明膜卷间隙为5mm时,装置对COD、氨氮和TN的去除效果均好于8mm和10mm。2)设置水力负荷分别为1.13m~3/(m~2·h),2.25m~3/(m~2·h),3.38m~3/(m~2·h),4.51m~3/(m~2·h)和5.63m~3/(m~2·h),系统对COD、氨氮、TN的去除效果均出现了先上升后下降的趋势,其中以氨氮与TN的变化较为明显。3)当循环时间分别为1h,2h,3h和4h时,系统对COD、氨氮的TN去除效果随着循环时间的增加而提高,在循环时间从1h提升至2h时效果明显,继续增加循环时间,基质削减效果提升有限。4)研究了反应器在如下四组污染负荷条件(1)COD的值为100±10mg/L,氨氮为20±2mg/L,TN为30±3mg/L;(2)COD的值为200±20mg/L,氨氮为20±2mg/L,TN为30±3mg/L;(3)COD的值为300±30mg/L,氨氮为30±3mg/L,TN为40±4mg/L;(4)COD的值为400±40mg/L,氨氮为40±4mg/L,TN为50±5mg/L下的有机物去除特性,结果表明反应器有较强的抗冲击负荷能力。(3)以水力负荷、COD负荷以及循环时间进行三因素三水平的正交试验,试验结果表明:(1)当水力负荷为2.25m~3/(m~2·h),COD负荷为300mg/L,循环时间为3h时,固定床薄膜生物反应器对COD的去除效果最佳,以上三种因素对COD去除效果的影响大小排序为:水力负荷>循环时间>COD负荷;(2)当水力负荷为2.25 m~3/(m~2·h),COD负荷为100mg/L,循环时间为3h时,固定床薄膜生物反应器对NH4+-N的去除效果最佳,以上三种因素对NH4+-N去除效果的影响大小排序为:水力负荷>循环时间>COD负荷;(3)当水力负荷为2.25 m~3/(m~2·h),COD负荷为300mg/L,循环时间为3h时,固定床薄膜生物反应器对TN的去除效果最佳。对比极差R值发现,以上三种因素对TN去除效果的影响大小排序为:水力负荷>循环时间>COD负荷。(4)调节反应器至最佳工况,此时循环时间为3h,水力负荷为2.25m~3/(m~2·h),探究温度对反应装置有机物去除效果影响,结果表明:夏季去除最佳,此时水温约25℃,对COD、氨氮和TN的去除效果达到最佳,去除率分别为82.47%,65.41%和62.20%;冬季去除效果受温度影响较大,此时水温约11℃,对COD、氨氮和TN的去除率分别为79.73%,56.33%和51.68%。(5)研究了固定床薄膜生物反应器与农村生活污水处理耦合性,装置对COD、氨氮和TN有较强的抗冲击负荷,能满足农村污水水质的特点;通过设置断水2h和4h试验,结果表明固定床薄膜生物反应器在极端情况下,有一定抗断流能力,能较好的应对农村污水水量特点。(6)固定床薄膜生物膜反应器处理工艺,能灵活满足四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 51/2626-2019)。调整循环时间为1~2h,水力负荷1.13~4.51m~3/(m~2·h),出水能满足四川省农村污水三级排放标准,此时运行费用0.20~0.25元/吨水;调整循环时间为2h,水力负荷为2.25~3.38 m~3/(m~2·h),出水能满足四川省农村污水二级排放标准,此时运行费用0.20~0.26元/吨水;调整循环时间为3h,水力负荷为2.25 m~3/(m~2·h),增加额外除磷单元,能满足四川省农村污水一级排放标准,此时运行费用0.28~0.45元/吨水。
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