全耦合活性污泥模型(FCASM3)Ⅰ:建模机理及数学表征

在充分分析活性污泥系统中生物反应机理的基础上,建立了活性污泥系统生物去除营养物质的细观机理模型--全耦合活性污泥模型(Fully Coupled Activated Sludge Model No.3,简称FCASM3).FCASM3将系统中微生物划分为8类菌群,包含31种组分、72个子过程;该模型的主要特点是将活性污泥系统中的微生物进一步细化,充分考虑了系统中微生物间的相互作用.FCASM3引入了硝化-反硝化过程中的中间产物亚硝酸盐.实现了对两步硝化-反硝化过程的模拟;FCASM3不仅包含聚糖菌的有关生物反应过程,而且还考虑了聚磷菌(非反硝化聚磷菌和反硝化聚磷菌)以及聚糖菌的厌氧维持过程,为直接体现温度对生物反应的影响,FCASM3将温度作为一个变量直接耦合到生物反应速率方程中.     

A/O工艺污水处理厂FCASM3-Hydro耦合模型及现场校验

在全耦合活性污泥模型(FCASM3)基础上,考虑生物场与水力流场的相互作用,建立了A/O工艺污水处理厂FCASM3-Hydro耦合模型.通过Matlab/Simulink软件平台进行数值模拟,将A/O工艺污水处理厂FCASM3-Hydro耦合模型分别与已报道的生物场一水力场耦合模型(Lee -Hydro)以及FCASM2-Hydro耦合模型进行数值模拟对比研究.结果表明,FCASM3-Hydro耦合模型对出水中COD、NH4+-N、Nox--N、PO43--P等污染物质变化趋势的动态模拟比Lee-Hydro耦合模型更符合实际.在对出水COD的模拟上,FCASM3-Hydro与FCASM2一Hydro耦合模型的模拟值完全一致;在对出水NH4+-N和PO43--P的模拟上,FCASM3-Hydro耦合模型的动态模拟结果比FCASM2-Hydro耦合模型更贴近实测变化趋势.     

活性污泥法污水处理厂生物-水力耦合建模及校验研究

为了考察生物反应器中水力流场对污染物质生物去除效果的影响以及研究生物代谢模型对生物除磷效果模拟的情况,在FCASM1模型的基础上,结合Delft磷代谢机理模型的思想,建立完全耦合活性污泥2号模型(Fully Coupled Activated Sludge Model No.2,简称FCASM2);并通过一维纵向对流-弥散方程与生物场耦合,建立了生物场-水力流场耦合新模型--FCASM2-Hydro耦合模型.污水处理厂模拟结果表明,生物场-水力流场耦合模型(FCASM2-Hydro)比非耦合模型对污染物质去除过程的描述更符合实际情况.在对30d的污水处理动态模拟结果中,FCASM1和FCASM2两个模型对磷酸盐的模拟结果与实测结果趋势一致,而且FCASM2的模拟值比FCASM1的模拟值更符合实测结果;在3d的污水处理动态模拟结果中,这2个模型对磷酸盐的模拟结果与实测结果趋势基本一致.     

生物活性炭流化-泥滤耦合硝化与反硝化试验

构建生物活性炭流化-泥滤耦合系统,以果壳活性炭为载体,通过连续进水试验研究了系统的硝化与反硝化特性.同时考察了生物活性炭的形成过程及其特征.试验结果表明,通过对反应器中悬浮污泥的排除和进水条件的控制可形成生物活性炭.生物膜在活性炭上的分布受循环流体作用影响,具有独特的空间和微生物生理分布特征.在反应器COD容积负荷约2.2ks·m-3d-3和氨氮容积负荷约0.2ks·m-3d-3的进水条件下,系统对COD和氨氮去除率可分别达到92%和70%;通过对出水的泥滤控制,可以有效地增强系统的反硝化能力;出水pH值的变化也反映出系统兼具硝化与反硝化的效能.     

全耦合活性污泥模型(FCASM3)Ⅱ:模型校验

以采用AAO污水处理工艺的德清县狮山污水处理厂作为全耦合活性污泥模型(FCASM3)校验的现场试验基地,分别进行了常规水质指标测定和进水水质特征分析等试验研究,依据现场试验结果,完成了对活性污泥系统生物去除营养物质细观机理模型FCASM3的校验工作,动态校验结果表明,FCASM3模型可以对AAO连续流工艺系统实现较准确的细观模拟,营养物质生物去除过程的动态数值模拟结果与实测结果相一致.     

活性污泥系统生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp)Ⅱ:模型校验

以采用AAO工艺的德清县狮山污水处理厂作为生物场-水力场-温度场耦合模型校验的现场试验基地.针对AAO工艺的特点,按照物料平衡原理分别对厌氧池、缺氧池、好氧池等各反应池内物质变化关系进行数学表征,建立了AAO工艺生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp)以及生物场-水力场耦合模型(FCASM3-Hydro).以若丹明B作为示踪剂于该厂进行了现场示踪实验,测得厌氧池、缺氧池和好氧池的水力弥散系数.依据试验所得数据,实现了对FCASM3-Hydro耦合模型以及FCASM3一Hydro-Temp耦合模型的现场模拟校验.校验结果表明,FCASM3-Hydre-Temp耦合模型能够实现活性污泥系统污染物质生物去除与水力场和温度场耦合变化过程的动态模拟.     

活性污泥系统生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp)Ⅲ:水力及温度的影响

建立生物、水力及温度耦合模型模拟预测水流状态以及温度对污水处理效果的影响.利用校验完成的生物场-水力场耦合模型(FCASM3-Hydro)以及生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp)对德清县狮山污水处理厂的AAO工艺系统进行模拟,分别考察反应池Pe准数值以及温度对污水处理效果的影响.由FCASM3一Hydro模拟厌氧池和好氧池不同Pe值条件下污染物质出水结果分析可知,好氧池中水力推流作用的强弱直接决定着污染物质的出水浓度值,厌氧池的水流作用对污染物质的浓度变化影响并不十分显著,FCASM3-Hydro-Temp对进水温度影响污染物质去除效果的模拟结果表明,低温对NH4+-N的处理明显不利,高温对PO43--P的处理不利,若系统进水温度在10～40℃范围内波动将不会对污水处理效果造成显著的影响.     

氨氮负荷对膜曝气生物膜反应器部分亚硝化性能的影响

对不同进水氨氮负荷下中试膜曝气生物膜反应器(MABR)部分亚硝化性能进行了考察,旨在确定在MABR中启动、优化和维持稳定亚硝化的控制策略.在进水氨氮表面负荷由(4.9±0.4)g·m-2·d-1(以N计,下同)升至(9.1±0.5)g·m-2·d-1的过程中,MABR氨氮去除负荷可以达到(5.7±0.5)g·m-2·d-1.当进水氨氮负荷为7.4 g·m-2·d-1时,本试验MABR部分亚硝化效果最佳,亚硝化率可达96.3%.部分亚硝化的维持需要控制合适的生物膜厚度,当生物膜厚度在110~170μm之间时,MABR亚硝化率在90%左右,能够有效实现对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制和亚硝酸盐的积累.利用微生物比氧利用率(SOURAOB)来反映生物膜中氨氧化菌(AOB)的活性,发现MABR生物膜的SOURAOB可达(133.9±31.1)mg·g-1·h-1(以每g SS利用的O2量(mg)计).实时定量PCR结果也表明AOB为MABR生物膜中的优势菌群,其微生物丰度比接种污泥高出3个数量级.通过调控进水氨氮负荷和生物膜厚度,维持AOB的种群优势和高活性并同时抑制NOB的活性,可以实现MABR的稳定部分亚硝化.     

活性污泥系统生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp)Ⅰ:模型建立

由活性污泥系统内生物场、水力场和温度场之同相互影响关系分析以及活性污泥系统多场耦合模型研究现状可知,当前亟需建立既能准确反映活性污泥系统污染物质去除过程.同时又充分考虑水力及温度作用的多场耦合模型,基于活性污泥系统内生物场、水力场和温度场之间相互影响关系的研究,以全耦合活性污泥模型(FCASM3)为新平台,采用一维对流-弥散方程的形式建立了活性污泥系统生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp),该模型充分考虑了生物场、水力场和温度场三者之间的相互作用.     

硝化菌群强化修复氨氮污染河流水体研究

利用已筛选的硝化菌群分别以游离菌和生物膜两种方式对成都市南干堰氨氮污染水体进行生物强化修复初步研究.结果表明,当进水氨氮浓度为23.91～24.27mg·L-1,在25℃、150r·min-1条件下,投加游离菌群36h后,氨氮去除率达95%,而在不添加游离菌的对照中,氨氮浓度没有下降.采用生物膜法,室温条件下,当进水氨氮浓度为8.00～18.38mg·L-1,水力停留时间(HRT)2～4h时,出水氨氮浓度为0～1.11mg·L-1,氨氧化负荷最高可达0.139kg·m-3·d-1(以N计,下同),氨氮去除率达90%以上;;当进水氨氮浓度为7.84～14.62mg·L-1,HRT为0·5～1.0h时,修复后出水氨氮浓度为1.90～7.47mg·L-1,氨氧化负荷最高可达0.261kg·m-3·d-1;;当进水氨氮浓度稀释到3mg·L-1左右,氨氮可完全被去除,修复后水体几乎没有亚硝酸盐残留.采用PCR-DGGE分析生物膜上的微生物菌群,发现生物膜中不仅有硝化菌群生长,还包括其它与氮转化相关微生物菌群.该实验结果表明,运用硝化菌群进行氨氮污染水体强化修复具有显著的效果,实际应用中可根据污染水体氨氮浓度以及氨氧化负...     

气升装置对厌氧氨氧化反应器脱氮效能的影响

通过接种厌氧氨氧化污泥研究了气升回流装置在提高进水基质浓度以提高反应器氮负荷过程中对反应器脱氮效能的影响.结果表明,在气升室中利用厌氧氨氧化反应产生的氮气作为动力可以实现出水自动循环.随着反应器脱氮效能的提高,气升室回流量也逐步增加,能够有效稀释进水基质浓度,缓解其对厌氧氨氧化菌的抑制.经过183 d运行,进水NH+4-N、NO-2-N质量浓度分别提高至700 mg·L-1和840 mg·L-1,出水NH+4-N和NO-2-N质量浓度最高达到46.3 mg·L-1和53.21mg·L-1,氮去除速率稳定在28.3 kg·(m3·d)-1左右.说明气升装置所形成的自回流系统能够有效改善传统厌氧氨氧化反应器运行过程中高基质浓度抑制的问题,同时减少外置回流泵的动力消耗,是一种经济有效的措施.     

PN-ANAMMOX一体化反应器处理电子行业PCB废水

利用已经启动成功并达到稳定脱氮效能的部分亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器,研究碱性印制电路板(PCB)废水自养生物脱氮的可行性及运行特性.结果表明,将进水NH+4-N浓度维持在220 mg·L-1时,经过80 d的运行,一体化反应器出水NH+4-N、NO-2-N浓度降低并稳定在4.0 mg·L-1和9.8 mg·L-1左右,脱氮效能最高达到1.29 kg·(m3·d)-1.同时出水总氮小于50 mg·L-1,满足接管排放标准.一体化反应器内好氧区NO-2-N产生速率最高为2.05 kg·(m3·d)-1,厌氧区的厌氧氨氧化菌最高脱氮效能为2.91 kg·(m3·d)-1,说明各功能菌在相应区域得到稳定地增长.一体化反应器适用于无机含氨的碱性PCB废液自养生物脱氮处理.     

不同氮浓度冲击对颗粒污泥脱氮过程中N2 O产生量的影响

采用好氧-缺氧SBR污水生物处理系统,考察不同进水NH4+-N浓度冲击对同步硝化反硝化型颗粒污泥脱氮过中N2O的释放规律和脱氮效果的影响.结果表明,当进水NH4+-N浓度分别从稳定的30 mg·L-1突然提高到40、60和80 mg·L-1时,氨氮去除率从80.04%降至61.40%、39.65%和31.02%,但氨氮的去除量变化不大,都在25 mg·L-1左右;另外,N2O产生量受进水NH4+-N冲击较小,在4个不同的进水NH4+-N浓度下,典型周期N2O产生量分别为3.019、3.489、3.271和3.490 mg·m-3,而且N2O释放速率都在0.004 5 mg·(m3·min)-1左右.同步硝化反硝化型颗粒污泥系统的好氧阶段和缺氧阶段均有N2O产生.不同的NH4+-N浓度冲击下,同步硝化反硝化型颗粒污泥系统对NH4+-N的去除量没有变化,但由于进水NH4+-N浓度的提高引起系统脱氮率显著下降.     

不同颗粒龄的好氧颗粒污泥性能的研究

在SBR反应器中,分别以絮状活性污泥培养的好氧颗粒污泥和直接接种的已稳定运行1 a的好氧颗粒污泥为对象,对2种颗粒龄不同的颗粒污泥的形态、理化特性、对有机物降解能力以及微生物活性进行了比较研究.结果表明,小颗粒龄好氧颗粒的平均湿密度、污泥的比重和表示物理强度的完整系数(IC)分别为1.066 g.cm-3、1.013 g.cm-3和98.7%,各指标均高于大颗粒龄好氧颗粒的1.026 g.cm-3、1.010 g.cm-3和98.4%,两者的平均粒径分别为1.9 mm和2.2 mm.小颗粒龄好氧颗粒和大颗粒龄好氧颗粒的沉降速度分别为0.005～0.032 m.s-1和0.003～0.028 m.s-1,前者的SVI较低,且两体系中好氧颗粒的沉降速度均随粒径的增大而增大.两者对COD、NH4+-N的去除率都保持在90%以上和85%左右,从出水COD浓度、NH4+-N浓度和周期试验来看,小颗粒龄好氧颗粒对COD、NH4+-N的去除效果更好,两者对TP的去除率分别维持在40%～90%和32%～85%,但两者对TN的去除效果相差不大,去除率都在80%左右.同时,小颗粒龄好氧颗粒的异养菌比耗氧速率(SOURH)、亚硝酸菌比耗氧速率(SOURNH4)、硝酸菌比耗氧速率(SOURNO2)分别为26.4、14.8和11.2 mg.(h.g)-1,均大于大颗粒龄好氧颗粒的25.2、14.4和8.4 mg.(h.g)-1.综上所述,好氧颗粒污泥由于颗粒龄的不同会具有明显不同的理化性质,颗粒龄小的好氧颗粒具有更好的有机物降解能力、更高的微生物活性和更好的稳定性.     

基于硫化物硝酸菌抑制的城市污水单级自养脱氮工艺研究

采用外循环序批式反应器(ECSBR),通过向反应器中分阶段投加硫化物,成功抑制体系中亚硝酸氧化菌(NOB)的活性,实现了城市污水单级短程硝化/厌氧氨氧化自养生物脱氮,出水氨氮为3.78 mg·L-1,氨氮去除率为88.4％,氮去除负荷为66.8 g·m-3·d-1.在投加硫化物前,系统氮转化途径以全程硝化为主,出水硝酸盐为13 ～22 mg·L-1,生成硝态氮与去除氨氮比值＞0.9.在投加硫化物后,NOB的活性受到了抑制,出水硝酸盐降为4.18 mg·L-1,生成硝酸盐与去除氨氮比值平均为0.17.体系中大量的氮以氮气的形式被去除,占进水氮的65.4％.氮转化途径由全程硝化向短程硝化/厌氧氨氧化耦合脱氮转化.研究还表明,硫化物对于体系NOB的抑制是可逆的,停止投加硫化物后,NOB的活性又重新恢复.因此,分阶段投加硫化物能保证反应过程中对NOB的持续抑制作用,为实现单级自养脱氮工艺的快速启动和稳定维持提供了一种新的策略.     

高碳氮负荷下同时脱氮除碳好氧颗粒污泥研究

在4 L反应器中,以补加葡萄糖和硫酸铵的猪场废水为基质,不接种活性污泥,加入粉末状活性炭对废水土著微生物进行预固定.通过批次进水并控制运行条件（逐渐提高COD、NH 4＋-N负荷、缩短沉降时间、提高曝气量）培养同时脱氮除碳好氧颗粒污泥,研究了该好氧颗粒污泥的脱氮除碳功能及对高碳氮负荷冲击的响应.结果表明,成熟好氧颗粒污泥为土黄色不规则球状,粒径为0.5～3.5 mm.COD和NH 4＋-N负荷分别在4.80～12.6 kg.（m3.d）-1和0.217～0.503 kg.（m3.d）-1时,好氧颗粒污泥对COD的去除率〉94%,对NH 4＋-N的去除率〉98%.当COD和NH 4＋-N负荷分别提高至15.70 kg.（m3.d）-1和0.723kg.（m3.d）-1并运行4 d后,反应器内絮体激增,颗粒沉降变差并开始破碎,NH 4＋-N去除率下降至81.6%.排出部分污泥并降低负荷继续运行,颗粒污泥的NH 4＋-N去除率可迅速恢复至98%以上.本研究培养的好氧颗粒污泥具有良好的同时脱氮除碳功能,可以耐受高COD和NH 4＋-N负荷的双重冲击.     

A2/O工艺污水处理厂运行参数优化的数值模拟

为了确定活性污泥系统A2/O工艺的最佳运行工况,将FCASM2-HYDRO模型应用于德清狮山污水处理厂A2/O工艺污水处理过程的数值模拟中.根据FCASM2-HYDRO模型分别建立了厌氧池、缺氧池、好氧池的数值模拟方程.采用有限元法求解,并使用MATLAB语言建立一套数值模拟程序.利用数值模拟程序分别模拟了工艺参数条件、流量、进水碳氮磷比对德清狮山污水处理厂污水处理效果的影响.由数值模拟结果得到了该厂目前最佳的运行工况:污泥回流比为50%,混合液回流比为100%,泥龄为15d,进水COD:NH4 -N:PO34-P比控制为100:8:1.     

基于CANON工艺的新型HABR反应器生物脱氮性能研究

采用新型复合式折流板反应器(HABR)启动及运行全程自养脱氮(CANON)工艺.通过缩短水力停留时间(HRT)的方式提高进水总氮负荷启动反应器,反应器运行成功后,考察反应器沿程氮素、电导率、p H值及MLSS的变化规律,并对反应器内微生物种群形态结构及空间分布进行分析.结果表明,当进水NH_4~+-N平均浓度为40 mg·L~(-1)时,经过89 d的连续运行,新型HABR反应器实现了快速启动,并能稳定运行至187 d,稳定运行期出水NH_4~+-N和TN浓度分别稳定在2 mg·L~(-1)和10 mg·L~(-1)以下,去除率分别达到96%和83%以上,NRR达到0.15 kg·(m~3·d)~(-1).稳定运行阶段,NH_4~+-N与TN浓度在反应器沿程逐渐降低,NO-2-N和NO-3-N的生成量一直维持在较低浓度.第1个单元格脱氮效率最高,通过SEM和FISH分析表明,在第1个单元格中存在丰富的功能菌种亚硝化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(An AOB).     

不同TOC/NH4+-N对厌氧氨氧化脱氮效能的影响

采用SBR厌氧氨氧化反应器,研究了不同TOC与NH_4~+-N比值对厌氧氨氧化反应器的脱氮效能的长短期影响.结果表明,在有机物短期影响时,反应器所能承受的最大TOC/NH_4~+-N为1.4,总氮去除速率可达0.26 kg·(m~3·d)~(-1).长期影响下,在TOC/NH_4~+-N小于0.4时,反应器可获得最高脱氮效能,总氮去除率为0.34 kg·(m~3·d)~(-1),TOC/NH_4~+-N大于0.4后,反应器脱氮效能持续降低,并且短期内厌氧氨氧化菌难以迅速恢复活性.利用q PCR(定量PCR)技术对长期影响前后反应器内菌种群落变化做定量分析,结果表明随着有机物的增加,反应器中的ANAMMOX菌数量从2.9×10~(11)copies·mL~(-1)减少至3.15×10~(10)copies·mL~(-1),在TOC/NH_4~+-N大于1.6的环境中,NH_4~+-N未能由厌氧氨氧化菌去除,厌氧氨氧化菌不能表现出生物活性.此时测得反硝化菌数量为3.0×10~9copies·mL~(-1),反应器中的NO_2~--N绝大部分由反硝化去除,虽然反硝化菌数量远少于ANAMMOX菌,但能表现出远超ANAMMOX菌的活性.