一体化生物膜反应器的强化除磷技术研究

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针对农村污水分布和水质特点,小型生物膜反应器展现出经济、高效、维护简单的优势,但一般小型生物膜处理工艺除磷效果欠佳。本文采用实验室规模小型缺氧/好氧(A/O)生物膜反应器,探究电絮凝(EC)和海绵铁两种技术强化除磷的效果,并初步进行了经济成本估算,其结果如下:采用小型生物膜反应器处理模拟生活污水,稳定运行时出水总磷(TP)在3.98±0.31 mg/L,去除率小于20%。随着不断运行,发现其除磷效率在10%以下。为强化生物膜反应器除磷效果,在生物膜反应器中增加了电絮凝组件。首先研究了电絮凝静态除磷试验,得到合适的电极交换时间。其次研究多因素下生物膜串联电絮凝法的强化除磷效率,通过响应曲面法得到最佳参数为极板间距1.8cm,电流密度2.1 m A/cm~2和EC反应时间34 min,TP去除率达到90%,出水TP小于1 mg/L。通过扫描电镜(SEM)和X射线光电子谱(XPS)分析对比不交换电极和周期性交换电极两种模式,发现周期性交换电极运行模式条件比不交换电极所形成的絮体更为为紧实。周期性交换电极使TP去除率提高了10%。进一步研究了生物膜结合电絮凝强化除磷工艺(将电絮凝组件置于生物膜反应器好氧1区中)的效果。结果表明电流密度在0.36 m A/cm~2时除磷效率可达到90%以上,单位除磷能耗和电流密度均低于生物膜串联电絮凝法。0.06~0.36m A/cm~2的电流密度范围对COD的去除率影响不大,均能达到90%以上。电絮凝反应对氨氮去除有抑制,抑制作用在电流密度超过0.12 m A/cm~2更为明显。低电流密度对总氮去除有促进,但电流密度高于0.12 m A/cm~2时,总氮去除率显著减低。利用高通量分析各反应区群落多样性,结果显示电流增加了好氧区的群落丰度,却降低了缺氧区的丰度。好氧1区中变形菌门在施加电流后显著减少,放线菌门受电流影响较小。电流通过改变厚壁菌门在缺氧区比例来影响生物系统的脱氮效率。电流一定程度减少了聚磷菌数量,抑制了好氧2区的芽孢杆菌属菌。通过研究海绵铁除磷的规律,结果得出将海绵铁投入水中,其铁离子溶出是吸氧和生物腐蚀共同作用,且主要存在絮体和沉淀中。对比分析海绵铁法和电絮凝强化生物处理技术,电絮凝结合生物膜法在电流密度为0.36 m A/cm~2的出水总磷达到0.5 mg/L以下,相应成本(0.042元/g P)仅为海绵铁的1/5(0.246元/g P)。研究显示,电絮凝生物膜法强化除磷工艺具有较高去除率及较低能耗,因此在实际污水处理过程中可考虑在生物处理阶段增设电絮凝以提高对污水的除磷效果。
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