新型生物生态组合工艺处理农村生活污水技术与机理研究

摘要

水污染已成为现代社会发展的严重问题，尤其是对于像中国这样经济快速发展、社会活动日益增加的发展中国家尤为严重。由于农村地区缺乏有效和可持续的污水处理系统，农村水污染构成了全球最主要的水污染问题。近几年，为构建环境友好型污水处理和重利用系统，发展中国农村地区污水处理方法和保护农村水环境得到越来越多的关注。本论文研究了新型生态污水处理技术对于农村生活污水的适用性。本论文中所用的设施系统主要由改良A2/O工艺和人工湿地构成，其中改良A2/O工艺由上流式厌氧过滤器(UAF)和缺氧过滤器(ANF)两阶段及其四个跌水曝气生物膜反应器(WABR)组成。本研究的主要目的在于探索新型生物生态污水处理系统对于农村生活污水种有机物和营养物质的去处效果。整个实验期间，分别评估了水力停留时间(HRT)、有机负荷率(OLR)、温度，以及硝化液回流比对于系统处理效果的影响。整个实验在东南大学无锡分校进行，实验期分为2012年6月至2013年1月和2013年10月至2014年1月两段。该研究主要分为三个部分，分别为改良A2/O工艺的中试、改良A2/O工艺的实验室试验，以及水平潜流式人工湿地(HFCW)。
　　改良A2/O工艺的中试:该实验部分中，对于改良A2/O工艺的中试试验对农村生活污水的处理效果进行了评价。为期六个月的实验中，在不同操作条件下，对各反应器的化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨态氮（NH4+-N）以及总磷(TP)的去除率效果进行研究。系统所接收污水的COD浓度介于105.5～361.1mg/l，TN浓度在17.4～56.8mg/l范围内变化，TP浓度在0.83～4.1mg/l。根据污水中COD和NH4+-N去除率达到稳定所需的时间确定厌氧菌和缺氧菌的驯服时间分别为34天和1周之内。UAF反应器在夏季（7月15日至10月15日）和冬季（10月22日至次年1月15日）两时段内进行评价。在第一时段（夏季），当HRT在1～4天范围内变化，OLP在0.2～0.072kg COD/m3.day范围内变化，平均温度在19.6～30.4℃范围内变化时，COD平均去除率介于30.9％～48.12％之间。当HRT为3天，平均温度为30.4℃时，系统达到COD最大去除率48.12％。相比较下，在第二时段（冬季），当HRT分别为3、4、5天，OLR分别为0.065、0.065、0.033kg COD/m3.day，平均温度分别为14.5、10.7、6.1℃时，系统的平均COD去除率分别为34.5％、38.2％和29.1％。另外，由厌氧处理单元产生的沼气主要受控于HRT、温度和COD去除率，在夏季和冬季，其产生量分别为6.18和1.24L/d。上述结果显示系统处理效果随着HRT和温度的增加、OLR的减少而增大，且在夏季和冬季，UAF反应器内的平均COD去除率分别为42.4％和34.7％。此外，营养物质主要在一体化A/O系统中去除。整个实验过程中，HRT在1～5h范围内变化，回流比设置为2或3，而TN、NH4+-N和TP的进水和出水浓度分别为38.4、26.1mg/l，1.84、11.6mg/l，以及6.94、1.12mg/l。中试试验的结果表明该系统具有良好的处理效果，系统中COD、TN、NH4+-N和TP分别达到了69.42％、69.08％、75.5％和46.41％的平均去除率以及65.68、11.6、6.94和1.12mg/l的最终出水浓度。
　　改良A2/O工艺的实验室试验研究:在该实验部分中，主要为达到两个目标:其一，通过研究主要的影响因素如pH、温度、HRT和OLR来优化UFA反应器中COD的去除率;其二，研究WABR中水滴滴落高程对于NH4+-N去除率的影响。为达到以上两个目标，应用了Taguchi正交矩阵方法(TOA)构建实验模型，从而确定最大化COD去除率下的各操作因素组合。另外，WABR中研究了在水滴滴落高程分别为0.25、0.3、0.35和0.4m时的NH4+-N去除率。根据TOA法，并基于S/N比和ANOVA分析，结果表明当达到最优COD去除率时影响因素组合为A2B3C3D1，即pH值为7，温度为25℃，HRT为36h，OLR为0.166kg COD/m3.day。此外，实验模型表明各操作因素都十分重要，其中HRT、温度、OLR和pH对COD去除率的影响比分别为39.92％、33.78％、13.37％和9.18％。在长实验期2013年10月15日至2014年1月15日内，在不同温度和HRT影响下，对UAF反应器内的处理效果进行评估，其结果表明在整个实验期，平均COD去除率在39.9％～56.5％范围内变化，且总COD去除率为50.8％。除此之外，在对水滴滴落高程研究过程中，对污水滴落高程分别为0.25、0.3、0.35和0.4m的情况，分别评估了其和NH4+-N的去除率。其结果说明水滴中DO浓度随着滴落高程和流速的增加而增加，而结果显示N H4+-N的去除率也会随之增加。最佳的跌水高度为0.35m。在长实验期中，结果表明当HRT为10h，温度为25℃，水滴滴落高程为0.35m，回流比为2时，系统达到最优去除率，对COD和NH4+-N的平均去除率分别为68.3％和82.24％。
　　水平潜流式人工湿地(HFCW):最后一个实验部分在夏季和冬季进行，并在人工湿地中种植多种有经济价值的水生植物（水菠菜、芹菜）。在不同的水力负荷率和温度下，研究HFCW对营养物质的去除率。种植水菠菜的HFCW中COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为67.4％、65.1％、59.3和79.1％，而种植芹菜的HFCW中分别为61.8％、53.4％、45.3％和70.9％，均有所降低。HFCW处理法结果显示该系统对于有机物和营养物质具有很好的去除效果，平均COD、NH4+-N、TN和TP出水浓度可达到32.8、5.04、9.82和0.39mg/l的最终出水浓度。
　　复合型生态处理系统的中试效果:该研究中，对于复合型生态处理系统处理农村污水的效果进行研究。结果显示，该系统COD、TN、NH4+-N和TP最终分别达到85.1％、74.1％、81.3％和80％去除率以及32.8、9.82、5.04和0.39mg/l的最终出水浓度。该结果表明，系统的COD、TN、NH4+-N和TP均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准。该研究解释了复合型生态处理系统对于农村地区生活污水的处理是一种高效、易于操作、可持续和简便的方法。
　　本论文提供了污水处理技术上的新思路，同时也能帮助研究者和读者更进一步了解水平潜流式人工湿地和跌水曝气法，从而更好地运用到污水处理系统中。

目录

声明

Acknowledgement

摘要

Abstract

Table of contents

List of Figures

List of Tables

Acronyms and abbreviations

1．Chapter one：Introduction and thesis structures

1．1 General Introduction

1．2 General view of water resources and water pollution in China

1．3 Problem statement and definitions

1．4 Objectives of the research

1．5 Scope of the study

1．6 Thesis organization

2．Chapter two：Literatures review and background

2．1 Introduction

2．2 Anaerobic treatment process

2．2．1 Principle of anaerobic treatment

2．2．2 Main conversion processes of organic matter in anaerobic reactor

2．2．3 High rate anaerobic reactors

2．2．4 Anaerobic filter

2．2．5 Important factors affecting anaerobic treatment efficiency

2．2．6．Advantage and disadvantages of anaerobic filter

2．3 Biological nutrients removal(BNR)

2．3．1 Principle of biological nitrogen removal

2．3．2 Enhanced biological phosphorus removal

2．4 Constructed wetlands

2．4．1 General background of constructed wetlands

2．4．2 Type of constructed wetlands

2．4．3 Pollutants removal processes in the constructed wetlands

2．4．4 Role of constructed wetland plants

3．Chapter three：Material and methods

3．1 Introduction

3．2 Process description

3．3 System operation

3．4 Experimental setup

3．4．1 A pilot scale of the modified anaerobic-anoxic-oxic(A2／O)process

3．4．2 A laboratory scale of the modified A2／O process

3．4．3 Constructed wetland

3．5 Wastewater characteristics，analytical techniques and system operation

3．5．1 Raw wastewater characteristics

3．5．2 Analytical methods

3．5．3 Seeding and start-up period of the system reactors

3．5．4 Taguchi orthogonal array design

3．6 Summary

4． Chapter four：Performance evaluation of the modified A2／O process for rural domestic wastewater treatment at ambient temperature

4．1 Introduction

4．2 Brief background of A2／O process

4．3 Material and methods

4．3．1 Experimental system and operation

4．3．2 Domestic wastewater characteristics and analytic items

4．4 Results and discussions

4．4．1 Profiles of operational parameters of UAF treatment process

4．4．2 Anoxic／Oxic treatment process efficiency

4．4．3 Overall treatment performance of the modified A2／O process

4．5 Summary

5．Chapter five：Application of Taguchi orthogonal array design for optimization the COD removal process

5．1 Introduction

5．2 Material and methods

5．2．1 Experimental setup

5．2．2 Taguchi orthogonal array(TOA)method

5．2．3 Analytical methods

5．3 Taguchi results and discussions

5．3．1 General linear model

5．3．2 Effect of pH on the COD removal process

5．3．3 Effect of the temperature on the COD removal process

5．3．4 Effect of HRT on the COD removal process

5．3．5 Effect of the OLR on the COD removal process

5．3．6 Prediction of the optimum COD removal efficiency

5．4 Long term performance efficiency of the UAF reactor

5．5 Evaluation of water dropping height in the oxic reactor regarding to NH4+ removal

5．6 Long term performance efficiency of an integrated A／O process

5．7 Summary

6．Chapter six：Performance efficiency of the horizontal subsurface flow constructed wetland

6．1 Introduction

6．2 Constructed wetlands background

6．3 Material and methods

6．3．1 Preparation of constructed wetland and test procedures

6．3．2 Raw wastewater eharaeteristics

6．4 Plants growth parameters

6．5 Performance efficiency of the constructed wetland

6．5．1 COD removal efficiency

6．5．2 TN and NH4+-N removal efficiency

6．5．3 TP removal efficiency

6．6 Summary

7．Chapter seven：Overall assessment of the bio-ecological combined system performance efficiency for rural domestic wastewater treatment

7．1 Introduction

7．2 Efficiency of the bio-ecological combined system in COD removal

7．3 Efficiency of the bio-ecological combined system in TN removal

7．4 Efficiency of the bio-ecological combined system in NH4+-N removal

7．5 Efficiency of the bio-ecological combined system in TP removal

7．6 Summary

8．Chapter eight：Conclusions and Recommendations

8．1 Conclusions

8．2 Recommendations

References

List of Publications