雙污泥誘導(dǎo)結(jié)晶磷回收機(jī)理與工藝節(jié)能減排研究.pdf

1、可持續(xù)發(fā)展理念下的現(xiàn)代水處理技術(shù)應(yīng)同時(shí)具有水質(zhì)改善、低能耗和實(shí)現(xiàn)污染物資源化等功能。傳統(tǒng)城市污水脫氮除磷工藝由于存在碳源競爭、泥齡矛盾以及節(jié)能與減排目標(biāo)相對(duì)立等問題，其出水水質(zhì)難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。另一方面，磷是造成水體富營養(yǎng)化的主要元素，但也屬于稀缺資源，而城鎮(zhèn)生活污水中含有“較豐富”磷，回收潛力巨大。如果能將污水中的磷回收再利用，不僅能避免水體富營養(yǎng)化，還能實(shí)現(xiàn)磷資源的循環(huán)利用，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益。
　　由生物脫氮除磷和誘導(dǎo)結(jié)

2、晶磷回收耦合的污水處理工藝(A2N-IC)不僅具有較好的脫氮除磷特性，還能實(shí)現(xiàn)磷資源的回收。然而，該組合工藝運(yùn)行過程中存在以下幾個(gè)問題:誘導(dǎo)結(jié)晶單元發(fā)生均相沉淀而導(dǎo)致磷回收效率較低;生物脫氮除磷和化學(xué)除磷相互作用機(jī)理尚未闡明;誘導(dǎo)結(jié)晶單元的引入，增加了系統(tǒng)的曝氣量和藥劑消耗，使得工藝能耗較高。因此，采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗蕴岣呦到y(tǒng)磷的回收效率、揭示化學(xué)誘導(dǎo)結(jié)晶單元的引入對(duì)工藝性能及活性污泥系統(tǒng)影響機(jī)理、降低組合工藝運(yùn)行能耗，具有重要意義。

3、r>　　溶液處于介穩(wěn)區(qū)是結(jié)晶反應(yīng)的重要條件，也是獲得高品質(zhì)結(jié)晶產(chǎn)物的保證。考察不同影響因素對(duì)羥基磷酸鈣(Hydroxyapatite，HAP)結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)特性的影響，為基于HAP結(jié)晶回收污水中磷的研究提供理論指導(dǎo)。根據(jù)Kubota方程，HAP介穩(wěn)區(qū)寬度與降溫速率呈線性關(guān)系，且隨著降溫速率的增大而增加;晶種的存在可降低HAP溶液過飽和度，擴(kuò)寬其介穩(wěn)區(qū)寬度;高的攪拌速率可以縮短成核時(shí)間，減小介穩(wěn)區(qū)寬度，因此攪拌強(qiáng)度越大HAP介穩(wěn)區(qū)寬度越小;雜

4、質(zhì)離子的存在也能增加HAP結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)的寬度，影響順序?yàn)?CO32-＞Fe3+＞Cu2+＞SO42-。
　　由于HAP結(jié)晶反應(yīng)體系過飽和度較高，易發(fā)生均相沉淀，產(chǎn)生大量沉降性差的微晶，這些微晶會(huì)隨水流流出，影響磷的回收效率。針對(duì)上述問題，研究采用多點(diǎn)加藥、回流比和多級(jí)誘導(dǎo)結(jié)晶策略來提高誘導(dǎo)結(jié)晶單元磷回收效率。與傳統(tǒng)多點(diǎn)加藥和回流比策略相比，多級(jí)誘導(dǎo)結(jié)晶策略能有效提高工藝磷回收效率和降低微晶產(chǎn)率，且可廣泛應(yīng)用于處理不同濃度的含磷廢水;

5、運(yùn)用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy SEM)、能量色散譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)和X射線衍射儀（X-ray Diffraction，XRD）對(duì)結(jié)晶產(chǎn)物表征，表明磷主要以HAP及其前驅(qū)物形態(tài)回收;不同結(jié)晶柱中微晶的粒徑分布表明，多級(jí)誘導(dǎo)結(jié)晶系統(tǒng)有利于微晶的生長和聚集。
　　傳統(tǒng)反硝化聚磷污泥馴化方法存在周期長、同步脫氮除磷效率低等問題，本研究

6、以混合NO3--N和NO2--N為電子受體(NO3-/NO2-為8/37)，采用一步法（厭氧/缺氧/短時(shí)后置曝氣）馴化反硝化聚磷污泥，經(jīng)過28天操作成功富集到反硝化聚磷菌(Denitrifying Phosphate-Accumulating Organisms，DPAOs)。基于16S rRNA高通量測(cè)序微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明:Dechloromonas是缺氧反硝化聚磷反應(yīng)的功能微生物群，Candidatus Accumulibact

7、er為普通好氧聚磷微生物(Phosphate-Accumulating Organisms，PAOs);增加短時(shí)后置曝氣不影響反硝化聚磷污泥中功能微生物群落結(jié)構(gòu)，但可降低其致病菌的相對(duì)豐度，減輕公共衛(wèi)生健康風(fēng)險(xiǎn)。
　　為了使A2N-IC工藝中化學(xué)磷回收系統(tǒng)和生物營養(yǎng)物去除系統(tǒng)更好地耦合，研究考察了不同側(cè)流比條件下工性性能和活性污泥特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)側(cè)流比為0.3時(shí)，系統(tǒng)工藝性能最優(yōu)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)出水達(dá)標(biāo)排放和資源回收;硝化污泥和反

8、硝化聚磷污泥中胞外多聚物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)的含量均隨著側(cè)流比的增加而升高，其中多糖/蛋白(PS/PN)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，推斷出PS在微生物細(xì)胞抵抗重金屬離子毒性方面起到了重要的作用;SVI和MLVSS/MLSS指標(biāo)與側(cè)流比成正比，可能是由于過高Ca2+的引入導(dǎo)致了活性污泥菌膠團(tuán)分解，釋放更多可降解有機(jī)物，導(dǎo)致MLVSS/MLSS比值和SVI值升高。
　　基于宏基因組學(xué)和代謝

9、組學(xué)研究誘導(dǎo)結(jié)晶單元引入前后活性污泥系統(tǒng)的變化，結(jié)果表明:誘導(dǎo)結(jié)晶單元的引入改變了活性污泥系統(tǒng)中微生物的群落結(jié)構(gòu)、功能潛力、關(guān)鍵酶豐度和代謝狀態(tài);硝化反應(yīng)相關(guān)微生物和關(guān)鍵酶的豐度變化較小，磷代謝相關(guān)微生物和關(guān)鍵酶的豐度變化較大;系統(tǒng)內(nèi)微生物細(xì)胞通過相應(yīng)代謝活動(dòng)增強(qiáng)氨基酸及蛋白質(zhì)類物質(zhì)的合成，來抵抗生境中Ca2+的影響;微生物細(xì)胞內(nèi)3-hydroxybutyrate含量降低說明誘導(dǎo)結(jié)晶單元的引入能抑制反硝化聚磷污泥碳源和能源的貯存;代謝組

10、學(xué)分析揭示的代謝輪廓變化可以很好的與宏基因組學(xué)分析結(jié)果相互印證。
　　根據(jù)A2N工藝硝化污泥和反硝化聚磷污泥分別存在于不同構(gòu)筑物中的特性，在其模型校正時(shí)，采用“化整為零”的思想，即結(jié)合A2N-SBR三個(gè)階段:厭氧釋磷階段、好氧硝化階段和反硝化聚磷階段，分別進(jìn)行模擬校正。這些階段過程不僅可以真實(shí)反映CF-A2N工藝運(yùn)行狀態(tài)，還可以提高工藝參數(shù)的可識(shí)別性，提高模型的校正效率;校正后的A2N-SBR和CF-A2N工藝模型都能夠較好地模擬

11、出水水質(zhì)的動(dòng)態(tài)性;校正后模型的平均相對(duì)偏差(Average Relative Deviation，ARD)、平均絕度誤差(Mean Absolute Error，MAE)、均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)評(píng)估值普遍小于模型校正前的評(píng)估值，表明校正后模型的預(yù)測(cè)能力有所提高。
　　A2N-IC工藝中由于誘導(dǎo)結(jié)晶單元的加入，增加了系統(tǒng)的曝氣量和藥劑消耗，使得工藝能耗較高，研究采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)A2N

12、-IC工藝出水水質(zhì)、運(yùn)行能耗和構(gòu)筑物總體積之間的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并提出改進(jìn)策略，不僅能達(dá)到節(jié)能減排的目的，還可以為決策者提供多種選擇和評(píng)價(jià)不同工藝或運(yùn)行策略優(yōu)劣的依據(jù)。優(yōu)化結(jié)果顯示:隨著出水超標(biāo)指數(shù)的減小，工藝運(yùn)行能耗的逐漸增大;優(yōu)化策略的出水COD、TN、NH4+-N和TP都要優(yōu)于原策略，出水平均濃度值分別降低了2.22mg/L、0.47mg/L、0.13mg/L和0.02mg/L;經(jīng)優(yōu)化后系統(tǒng)總能耗指數(shù)(Operation Cos