优化改良的CAST工艺高效低能耗脱氮除磷性能研究

中文图书分类号：X703.1密级：公开UDC：628.3学校代码：10005硕士学位论文MASTERALDISSERTATION论文题目：优化改良的CAST工艺高效低能耗脱氮除磷性能研究论文作者：徐立杰学科：环境科学与工程指导教师：彭永臻教授论文提交日期：2011年5月UDC：628.3学校代码：10005中文图书分类号：X703.1学号：S200805078密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文题目：优化改良的CAST工艺高效低能耗脱氮除磷性能研究英文题目：STUDYONPERFORMANCEOFTHEMODIFIEDCASTPROCESSWITHHIGHEFFICIENCYANDLOWENERGYCONSUMPTIONINNITROGENANDPHOSPHORUSREMOVAL论文作者：徐立杰学科：环境科学与工程研究方向：污水处理与水污染控制工程申请学位：工学硕士指导教师：彭永臻教授所在单位：环境与能源工程学院答辩日期：2011年6月授予学位单位：北京工业大学DissertationSubmittedtoBeijingUniversityofTechnologyforMasterDegreeofEngineeringSTUDYONPERFORMANCEOFTHEMODIFIEDCASTPROCESSWITHHIGHEFFICIENCYANDLOWENERGYCONSUMPTIONINNITROGENANDPHOSPHORUSREMOVALXULIJIESupervisedbyProfessorPENGYONGZHENMajorinEnvironmentalScienceandEngineeringBeijingUniversityofTechnologyJune,2011独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：徐立杰日期：2011-6-10关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：徐立杰导师签名：彭永臻日期：2011-6-10摘要-I-摘要循环式活性污泥法（Cyclicactivatedsludgetechnology，CAST）因具有投资及运行费用低、运行简单灵活及其选择器能防止污泥膨胀和脱氮除磷效果较好等优点广泛应用于国内外各种规模城镇污水处理厂。但在实际运行中常因工艺本身缺少独立有效的缺氧过程，使得氮磷的去除受到限制，很难达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。为提高传统CAST工艺的氮磷去除效率并节省污水处理过程中的电耗，以实际规模的污水处理厂为研究对象，结合传统CAST工艺的运行效果及运行中存在的问题对工艺进行改良优化。在主反应区中增加推流器引入独立的缺氧搅拌过程，以充分利用CAST工艺的空间结构和每周期的时间分配。通过对传统CAST工艺和改良的CAST工艺进行横向和纵向地比较并对运行中出现的各种问题进行分析研究，为现有污水处理厂提标改造和待建污水处理厂运行优化提供参考。分析了工艺改良前传统CAST工艺对污染物的去除情况以及传统运行模式存在的问题，作为对工艺作出客观评价并提出优化方案的基础。结果表明，传统CAST工艺在6h周期和3h曝气条件下，对COD、BOD5和NH4+-N去除彻底，出水浓度均充分满足一级A标准。但缺氧环境不充分导致反硝化受限，TN去除率平均为42%；系统运行环境对聚磷菌竞争不利，TP去除率平均为77.4%。污泥沉降性能良好，SS去除效果好，出水清澈。系统SVI偏低，污泥中无机成份较高，污泥活性较低，系统存在过曝气情况，浪费较多电能。改良的CAST工艺分四个阶段逐步推进，通过逐步缩短曝气时间延长缺氧搅拌时间强化系统脱氮除磷效果。曝气时间缩短45min系统硝化仍能够进行彻底（出水NH4+-N＜1mg/L），当水温降至10℃时，改良的CAST工艺硝化速率明显减慢，硝化难以进行完全，实际运行中适当增加微生物浓度可缓解低温硝化速率下降的问题。通过在主反应区增加独立缺氧过程，采用第三阶段的运行模式，TN去除率最多可比传统CAST工艺提高21%。当水温降至12℃左右时，反硝化较硝化过程影响显著，通过增加一台搅拌器相当于增加微生物浓度反硝化效果得到明显改善。出水TP在启动一周后稳定达到1mg/L以下，在第二阶段稳定小于0.5mg/L。低温条件有利于聚磷菌竞争，两种工艺的除磷效果都比较好，出水TP均在1mg/L以下。针对冬季低温条件下出现的硝化难以进行彻底、污泥沉降性差的问题提出适合冬季运行的时序模式，通过实际运行调试获得较好的出水水质，能够满足出水TN、TP达到一级A标准，并且系统维持较好的硝化和沉降性能。针对冬季低温出现的污泥沉降性变差的问题进行研究，结果表明不同系统污北京工业大学工学硕士学位论文-II-泥的胞外多糖含量冬季均高于夏季，并且由于改良的CAST系统低温条件下曝气时间较短硝化进行不彻底，曝气过程中溶解氧持续处于较低水平，丝状菌比例要明显多于传统CAST工艺，实际运行中通过增加曝气量、降低污泥浓度可以改善系统沉降性能。此外，对系统中的碱度进行核算，结果表明该污水处理厂传统CAST工艺系统中碱度比较充足，能够满足硝化反应和微生物正常代谢的碱度需求。通过前置缺氧搅拌过程可为后续硝化阶段提供更充足的碱度，理论上至少可以满足进水氨氮浓度达到38.5mg/L的碱度需求。最后通过对泉水污水处理厂各单元的电耗情况进行分析，证明鼓风机是最大的耗能设备，能耗占全厂总能耗的54.31%，改良的CAST工艺通过减少鼓风机的用量最多可节省曝气电耗16.7%。关键词循环式活性污泥法；脱氮；除磷；低温；能耗Abstract-III-AbstractCyclicactivatedsludgetechnology(CAST)hasbeenwidelyusedinmunicipalwastewatertreatmentbecauseofitslowinvestmentandoperationalcost,easyandflexibleoperation,itscapabilitytoavoidsludgebulkingandgoodabilitytoremovenitrogenandphosphorus.Nitrogenandphosphorusremovalcapability,however,islimitedbytheprocessitselfwhichlacksanefficientanoxicperiod,hardlyreachingthePrimaryAoftheSewageDischargeStandard.Inordertoimprovenitrogenandphosphorusremovalperformanceandcutdownenergyconsumptionduringthetreatmentprocess,astudybasedonthefullscalewastewatertreatmentplant(WWTP),DalianQuanShuiSewageTreatmentPlant,wasconducted.ThetraditionalCASTprocesswasoptimizedbyaddingananoxicstirringprocessinthemainreactionzoneanddistributingthecycletimejustlyonthebasisofanalyzingtheactualoperationperformanceandexistingproblemsoftraditionalCASTprocess.Particularly,thedifferenceofBNR(Biologicalnutrientremoval)betweentraditionalandmodifiedCASTprocesswasdiscussed,andtheenergysavingeffectswerealsoanalyzed.ThisstudywasanattempttoexploreasetofoptimaloperationalmodesforthemodifiedCASTprocessandprovidesomeexperienceforotherWWTPsaswell.Firstly,theBNRperformanceofthesystembeforemodificationandtheproblemsoftraditionaloperationalmodewereanalyzed,whichshouldbethefoundationofobjectiveevaluationforthemodifiedCASTprocess.Theresultshowedthat,COD、BOD5andNH4+-Ncouldberemovedthoroughlywith6heachcycleand3haeration,theeffluentconcentrationofwhichcouldmeetPrimaryAStandard.Denitrificationandphosphorusremovalwerelimitedduetodeficientanoxicenvironment.TNandTPremovalefficienciesaveragedat42%and77.4%,respectively.ThesludgesettlingperformancewasfineandSScouldberemovednearlycompletely.Nevertheless,theinorganicconstituentinthesludgewashigh,resultinginlowactivityofsludge.Furthermore,aerationtimewastoomuchtowasteenergy.TheCASTmodificationwasimplementedinfourstagesandthenitrogenandphosphorusremovalperformancewereenhancedbyshorteningaerationdurationandprolonginganoxicblendingtime.NitrificationreactedthoroughlywitheffluentNH4+-Nconcentrationlessthan1mg/L.However,nitrificationrateofthemodifiedprocessdroppeddownsignificantlywhentemperaturewasbelow10℃and北京工业大学工学硕士学位论文-IV-nitrificationcouldbeimprovedthroughincreasingtheMLSSwhentemperaturewaslow.TNremovalefficiencycouldbeincreasedby21%atmostunderthemodeusedinthethirdstagebyaddinganindependentanoxicblendingphaseinthemainreactionzone.Whentemperaturedroppeddownto12℃,denitrificationratewasinfluencedremarkably,wh