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BICT工艺脱氮特性与运行控制中试研究

一、引言

(一)研究背景与意义

在城市化进程不断加快的当下,城市污水排放总量持续攀升,其中氮污染问题愈发严峻。城市污水中的氮污染物,主要以氨氮、有机氮和硝态氮等形式存在,若未经有效处理直接排放,会导致受纳水体富营养化,引发藻类过度繁殖、水体溶解氧降低、水质恶化等一系列生态环境问题,严重威胁水生态系统的平衡和人类的健康。比如,一些城市周边的湖泊、河流因氮污染而频繁出现水华现象,不仅影响了水体的景观价值,还使得水中生物的生存空间受到挤压,生物多样性锐减。

传统的单一污泥悬浮生长脱氮工艺,如A/O(厌氧/好氧)、A2/O(厌氧/缺氧/好氧)等,在污水处理中应用广泛。但这些工艺存在着明显的缺陷,由于是利用同一混合微生物种群来完成有机物氧化、硝化、反硝化等多种功能,微生物功能之间存在耦合现象。这就导致在实际运行中,很难同时满足不同微生物对溶解氧、碳源、泥龄等生长环境的要求,使得工艺的运行稳定性较差,脱氮效率也受到很大限制。例如,硝化细菌生长缓慢,需要较长的泥龄和充足的溶解氧;而反硝化细菌则需要在缺氧环境下利用碳源进行反硝化作用,当泥龄和溶解氧条件难以平衡时,就会影响整个脱氮效果。

BICT工艺作为一种新型的分相培养工艺,为解决上述问题提供了新的思路和方法。该工艺巧妙地将悬浮生长主反应器与附着生长生物膜反应器相结合,实现了硝化与反硝化功能的有效分离。在悬浮生长主反应器中,通过合理控制曝气和搅拌条件,主要培养异养微生物,如聚磷菌和反硝化菌,以实现有机物的去除、反硝化和摄磷等功能;而附着生长生物膜反应器则通过连续曝气和长泥龄,为硝化细菌创造了适宜的生长环境,使其能够高效地进行硝化反应。这种分相培养的方式,避免了微生物功能的耦合,提高了系统对不同环境条件的适应性和处理效率。

开展BICT工艺脱氮特性与运行控制的中试研究,具有重要的现实意义和工程应用价值。一方面,通过中试研究可以深入揭示BICT工艺在实际运行中的脱氮特性,包括对不同形态氮污染物的去除能力、去除机制以及影响因素等,为进一步优化工艺设计和运行参数提供理论依据;另一方面,明确关键运行参数对脱氮性能的影响规律,有助于制定出一套科学合理、切实可行的运行控制策略,提高工艺的运行稳定性和脱氮效率,降低运行成本,从而推动BICT工艺在污水处理工程中的广泛应用,为解决城市污水氮污染问题提供有力的技术支持。

(二)研究目标与内容

本研究旨在通过中试实验,全面、系统地探究BICT工艺在不同工况下的脱氮效率及影响机制,明确关键运行参数对脱氮性能的影响规律,并形成适用于中试规模的运行控制策略,为该工艺的工程化应用提供坚实的技术支撑。

具体研究内容如下:

探究BICT工艺的脱氮效率及影响机制:通过对中试装置进出水水质的监测,分析BICT工艺对氨氮、有机氮、硝态氮等不同形态氮污染物的去除效率,研究其在不同运行阶段的脱氮变化规律。同时,结合微生物学分析方法,研究硝化细菌和反硝化细菌的数量、活性以及群落结构变化,深入揭示BICT工艺的脱氮机制。

明确关键运行参数对脱氮性能的影响规律:重点研究硝化液回流比、泥龄、碳氮比等关键运行参数对BICT工艺脱氮性能的影响。通过改变这些参数的值,观察脱氮效率的变化情况,建立各参数与脱氮效率之间的定量关系,确定最佳的运行参数范围。例如,研究不同硝化液回流比下,系统的硝化和反硝化效果,以及对总氮去除率的影响;分析泥龄的长短对微生物生长代谢和脱氮性能的影响;探讨碳氮比对反硝化过程中碳源利用和脱氮效率的影响等。

形成适用于中试规模的运行控制策略:基于上述研究结果,结合中试装置的实际运行情况,制定一套完整的运行控制策略。包括根据进水水质和水量的变化,如何合理调整运行参数,以保证系统稳定高效地运行;如何优化操作流程,提高设备的利用率和处理效果;以及如何应对突发情况,如水质冲击、设备故障等,确保出水水质达标。同时,对运行控制策略的可行性和经济性进行评估,为BICT工艺的工程化应用提供参考依据。

二、BICT工艺脱氮原理与系统构成

(一)工艺核心原理

BICT工艺的核心建立在分相培养理论之上,通过巧妙构建“悬浮生长主反应器-生物膜反应器-生物选择器”三元系统,实现了污水处理中脱氮功能的高效运作。

主反应器在整个工艺中扮演着至关重要的角色,其运行模式为厌氧/缺氧/好氧交替。在厌氧阶段,聚磷菌处于压抑环境,通过分解细胞内的聚磷酸盐释放出磷,并摄取污水中的挥发性脂肪酸(VFAs)合成聚-β-羟基烷酸(PHAs)储存起来,同时部分有机物被吸附去除。进入缺氧阶段,反硝化菌利用污水中的碳源和回流硝化液中的硝态氮进行反硝化作用,将硝态氮转化为氮气释放到大气中,实现脱氮;而在好氧阶段

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