在全國實(shí)施“控源減排”后,廢水有機(jī)污染得到有效治理,氮磷污染上升為主要環(huán)境問題,針對(duì)廢水低C：N：P的限制,亟需開發(fā)自養(yǎng)脫氮除磷技術(shù)。以二價(jià)鐵為電子供體、以硝酸鹽為電子受體的硝酸鹽型厭氧鐵氧化(NAFO)是環(huán)境領(lǐng)域和微生物領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。它不僅能將硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮?dú)?提供一種廢水生物自養(yǎng)脫氮技術(shù),而且能將二價(jià)鐵轉(zhuǎn)化成三價(jià)鐵,提供更為經(jīng)濟(jì)高效的化學(xué)除磷沉淀劑。有鑒于此,本文分別研發(fā)了厭氧鐵氧化脫氮技術(shù)和強(qiáng)化鐵鹽除磷技術(shù),考察了兩種技術(shù)的運(yùn)行性能和過程特征,并以厭氧鐵氧化為紐帶,探索了新型鐵鹽脫氮除磷復(fù)合技術(shù),主要結(jié)論如下：1)研發(fā)厭氧鐵氧化脫氮工藝,探明了運(yùn)行性能和控制條件。厭氧鐵氧化脫氮工藝可成功應(yīng)用于廢水脫氮。經(jīng)過長期運(yùn)行,厭氧鐵氧化脫氮系統(tǒng)的硝氮容積負(fù)荷和容積去除率分別穩(wěn)定于0.161+0.008 kg-N/(m3·d)和0.076±0.006　kg-N/(m3·d),達(dá)到了文獻(xiàn)報(bào)道水平。溫度、出水pH、硝酸鹽濃度和有機(jī)物等環(huán)境條件對(duì)厭氧鐵氧化脫氮工藝具有不同的影響。適宜溫度為30.15℃,適宜pH高于6.0,適宜進(jìn)水硝氮濃度低于130 mg/L,有機(jī)物的短期沖擊對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)沒有顯著影響。反應(yīng)系統(tǒng)的出水pH和硝酸鹽去除率之間有較好的相關(guān)性,可考慮用作脫氮性能的指示參數(shù)。2)觀測(cè)厭氧鐵氧化脫氮污泥的形貌、密度、元素組成、微生物群落等性狀,探明了污泥特性和菌群組成。厭氧鐵氧化脫氮污泥具有良好的沉降性能。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的厭氧鐵氧化脫氮反應(yīng)器中,污泥表面積平均粒徑和體積平均粒徑、濕密度、沉降速度較接種污泥均顯著增大,分別達(dá)到1468.98±64.53μm和2389.00±31.52μm,1580±80 kg/m3、 390.07±161.31m/h。厭氧鐵氧化脫氮污泥具有獨(dú)特的形貌。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的厭氧鐵氧化脫氮反應(yīng)器中,污泥表觀上呈團(tuán)聚體和特征性黃色；微觀上細(xì)胞表面粗糙度增大。厭氧鐵氧化脫氮污泥具有較高的鐵素含量。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的厭氧鐵氧化脫氮反應(yīng)器中,污泥Fe元素含量高達(dá)51.73%(m/m),主要以赤鐵礦、磁鐵礦和氧化鐵等形式存在。厭氧鐵氧化脫氮污泥菌群變化顯著。厭氧鐵氧化馴化后,污泥中物種多樣性提高,優(yōu)勢(shì)菌群主要分布于變形菌門的a-Proteobacteria、 P-Proteobacteria 和 y-Proteobacteria,厚壁菌門的Clostridia和放線菌門的Thermoleophilia 和 Actinobacteria。3)試驗(yàn)操作條件對(duì)傳統(tǒng)鐵鹽除磷工藝的影響,探明了傳統(tǒng)工藝的適宜條件和運(yùn)行性能,并揭示了過程特征。“優(yōu)先/聯(lián)合”優(yōu)化控制模式適用于亞鐵鹽除磷工藝。各工藝條件對(duì)廢水除磷效率的貢獻(xiàn)大小排序?yàn)椋篎e(Ⅱ)/PpHFMS;工藝條件之間的復(fù)合效應(yīng)為負(fù)效應(yīng),其大小排序?yàn)椋篎e(Ⅱ)/P-FMS pH-FMS Fe(Ⅱ)/P-pH,操作中應(yīng)當(dāng)抑制復(fù)合作用產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)。對(duì)于濃度為100 mg/L的含磷廢水,通過模型分析所確定的優(yōu)化操作參數(shù)為：Fe(Ⅱ)/P為3.32,pH值為7.49,FMS為182r/min。傳統(tǒng)鐵鹽除磷工藝中需要投加過量藥劑使廢水磷達(dá)標(biāo)排放,隨著出水磷濃度降低,去除單位磷酸鹽的藥劑投加量增加。對(duì)于濃度為100 mg/L的含磷廢水,出水磷濃度達(dá)標(biāo)所需的鐵鹽投加量為4.12-5.83 kg-Fe(Ⅱ)/kg-P。傳統(tǒng)鐵鹽除磷過程屬于偏衡反應(yīng)。要維持較低的出水磷濃度,需要在液相留存較高的亞鐵鹽濃度；水解反應(yīng)形成Fe(OH)2與Fe3(PO4)2產(chǎn)生競爭,降低了沉淀劑的有效性；兩者都是導(dǎo)致傳統(tǒng)鐵鹽除磷工藝中藥劑投加量過大的重要原因。4)研發(fā)強(qiáng)化鐵鹽除磷工藝,探明了運(yùn)行性能,揭示了過程特征。強(qiáng)化鐵鹽除磷工藝具有高效性和經(jīng)濟(jì)性,適用于低、中、高濃度含磷廢水處理。在穩(wěn)態(tài)工況下,容積去除速率最高為2.86±0.04 kg-P/(m3·d) (2.60-2.76 kg-Fe(Ⅱ)/kg-P),磷去除率達(dá)到97%以上,沉淀劑有效利用率高達(dá)97%以上,單位處理成本為＄0.632-0.673/kg-P,優(yōu)于同類研究。強(qiáng)化鐵鹽除磷工藝可加速混凝除磷反應(yīng)。通過在反應(yīng)器設(shè)置內(nèi)構(gòu)件限制跨域返混,可在反應(yīng)區(qū)Ⅰ形成局域高反應(yīng)物濃度,加速除磷反應(yīng)；通過反應(yīng)區(qū)Ⅱ反應(yīng)產(chǎn)物的內(nèi)循環(huán),可維持反應(yīng)區(qū)Ⅰ的局域高反應(yīng)物濃度,有利于后續(xù)絮凝沉淀和過濾分離除磷。強(qiáng)化鐵鹽除磷工藝可強(qiáng)化絮凝沉淀分離過程。通過在反應(yīng)器內(nèi)形成“絮凝物濾器”,可促進(jìn)新生磷酸亞鐵鹽沉淀,強(qiáng)化絮凝沉淀和過濾分離過程,提高廢水除磷效率和亞鐵鹽有效利用率。強(qiáng)化鐵鹽除磷工藝可強(qiáng)化沉淀物中磷資源的回收利用。在強(qiáng)化工藝“絮凝物濾器”沉淀物中,磷含量最高達(dá)30.44%(以P205計(jì)),具有回收利用價(jià)值。5)試驗(yàn)厭氧鐵氧化污泥和出水的除磷性能,探討了新型鐵鹽脫氮除磷復(fù)合工藝的裝置和組建。厭氧鐵氧化脫氮工藝污泥可用于廢水除磷。其容積去除速率為1.48kg-P/(m3·d) (18.46 mg-P/g-VS),優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的同類研究結(jié)果,并達(dá)到了化學(xué)除磷工藝水平。厭氧鐵氧化脫氮工藝出水可用于廢水除磷。出水中同時(shí)存在亞鐵鹽和高鐵鹽是其經(jīng)濟(jì)高效性的重要致因,其除磷效能為342 kg-Fe/kg-P�！白陨哞F化學(xué)除磷-厭氧鐵氧化生物脫氮一體化裝置”可用于鐵鹽脫氮除磷復(fù)合工藝,其中厭氧鐵氧化生物脫氮是復(fù)合工藝的瓶頸環(huán)節(jié),需進(jìn)一步強(qiáng)化。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：X703.1
【文章目錄】：
致謝
序言
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    1.1 氮磷污染的現(xiàn)狀及危害
    1.2 廢水生物脫氮技術(shù)
        1.2.1 傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)
        1.2.2 新型生物脫氮技術(shù)
        1.2.3 生物脫氮技術(shù)瓶頸
    1.3 廢水鐵鹽除磷技術(shù)
        1.3.1 鐵鹽除磷技術(shù)概述
        1.3.2 鐵鹽除磷技術(shù)對(duì)比
        1.3.3 鐵鹽除磷技術(shù)瓶頸
    1.4 厭氧鐵氧化脫氮技術(shù)的研究進(jìn)展
        1.4.1 厭氧鐵氧化菌
        1.4.2 厭氧鐵氧化脫氮研究
        1.4.3 厭氧鐵氧化脫氮技術(shù)的應(yīng)用
    1.5 本課題研究的意義和內(nèi)容
第二章 厭氧鐵氧化脫氮工藝的運(yùn)行性能與條件控制
    2.1 材料與方法
        2.1.1 接種污泥
        2.1.2 試驗(yàn)廢水
        2.1.3 試驗(yàn)裝置
        2.1.4 溫度影響試驗(yàn)
        2.1.5 有機(jī)物影響試驗(yàn)
        2.1.6 分析方法
    2.2 結(jié)果與討論
        2.2.1 厭氧鐵氧化脫氮工藝的運(yùn)行性能
        2.2.2 厭氧鐵氧化脫氮工藝的控制條件
    2.3 小結(jié)
第三章 厭氧鐵氧化脫氮污泥及其菌群的研究
    3.1 材料與方法
        3.1.1 污泥來源
        3.1.2 活性污泥物理性狀
        3.1.3 活性污泥形貌觀察
        3.1.4 活性污泥元素測(cè)定
        3.1.5 活性污泥菌群分析
    3.2 結(jié)果與討論
        3.2.1 厭氧鐵氧化脫氮污泥的物理性狀
        3.2.2 厭氧鐵氧化脫氮污泥的形態(tài)和結(jié)構(gòu)
        3.2.3 厭氧鐵氧化脫氮污泥的元素組成
        3.2.4 厭氧鐵氧化脫氮污泥的菌群分析
    3.3 小結(jié)
第四章 傳統(tǒng)鐵鹽除磷工藝的運(yùn)行性能及過程特征
    4.1 材料與方法
        4.1.1 試驗(yàn)廢水
        4.1.2 試驗(yàn)方法
        4.1.3 試驗(yàn)裝置
        4.1.4 分析方法
    4.2 結(jié)果與討論
        4.2.1 傳統(tǒng)鐵鹽除磷工藝的運(yùn)行性能
        4.2.2 傳統(tǒng)鐵鹽除磷工藝的過程特征
    4.3 小結(jié)
第五章 強(qiáng)化鐵鹽除磷工藝的運(yùn)行性能及過程特征
    5.1 材料與方法
        5.1.1 試驗(yàn)廢水
        5.1.2 試驗(yàn)方法和裝置
        5.1.3 掃描電鏡（SEM）觀察
        5.1.4 能量彌散X射線譜（EDS）檢測(cè)
        5.1.5 分析方法
    5.2 結(jié)果與討論
        5.2.1 強(qiáng)化鐵鹽除磷工藝的運(yùn)行性能
        5.2.2 強(qiáng)化鐵鹽除磷工藝的過程特征
    5.3 小結(jié)
第六章 鐵鹽脫氮除磷復(fù)合工藝的探索研究
    6.1 材料與方法
        6.1.1 試驗(yàn)廢水
        6.1.2 試驗(yàn)方法
        6.1.3 試驗(yàn)裝置
        6.1.4 分析方法
    6.2 結(jié)果與討論
        6.2.1 NAFO污泥的除磷性能
        6.2.2 厭氧鐵氧化脫氮出水的除磷性能
        6.2.3 鐵鹽脫氮除磷復(fù)合工藝的構(gòu)建
    6.3 小結(jié)
第七章 結(jié)論和展望
    7.1 主要結(jié)論
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 不足與展望
參考文獻(xiàn)
個(gè)人簡介
攻讀博士學(xué)位期間取得的科研成果

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