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城市污水处理连续流一体化生物反应器工艺研究与能效分析

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针对我国南方城市污水水质特征及污水处理工艺存在的问题，从简易污水处理思想出发，以倒置A2/O 及经典SBR 工艺过程及时空关系为基础，并在一体化氧化沟固液分离基础上，创造性的将三相分离器概念引入一体化同步脱氮除磷反应器，开发出新型连续流一体化生物反应器(CIBR)。CIBR 通过三相分离器将反应区与沉淀区有机结合在一起，不仅实现了单池连续流恒水位进出水运行、节省污泥回流能耗，还从构造上解决一体化脱氮反应器固液分离不彻底等问题，提高了出水稳定性。研究表明：
　　 (1)CIBR 兼性生化模式处理效果受水温影响较大，当水温低于12℃时，处理效果会明显下降且污泥流失严重。在低温条件下采用化学兼性生化模式，可改善污泥沉降性能，减少污泥流失，但无法改善系统硝化及脱氮效果。当水温偏低或进水NH3-N浓度较高时，单独采用兼性生化模式或化学辅助兼性生化难以满足处理要求，需要变换运行模式以提高系统硝化效果及出水稳定性。
　　 (2)CIBR间歇曝气模式最佳工艺参数为HRT为12h、MLSS为3000mg/L、SRT为15d。CIBR 间歇曝气模式处理效果受到曝气/搅拌/静沉时间、曝气比、曝气功率、碳源、污泥负荷Ns 及平均能耗等影响。虽然进水COD 浓度较低，但由于采用连续进水方式运行，在保证充分的好氧硝化及缺氧反硝化时间条件下，控制各阶段合理的时间比例、提高平均能耗有利于获得较好的同步脱氮除磷效果。CIBR 化学辅助间歇曝气模式在有机物去除上未表现出协同作用，但在脱氮除磷方面表现出一定的协同作用，并提高了出水稳定性；投加絮凝剂能在一定程度上促进了亚硝化反应，并在一定程度上提高NH3-N 去除效果。
　　 (3)通过CIBR 间歇曝气模式三种典型工况条件下氮形态、MLSS、COD/MLSS、COD/NOX-N 及COD、NH3-N、NO3--N、NO2--N、TN、TP 等时空分布规律研究表明，曝气及搅拌状态下反应器整体为完全混合状态，静沉阶段为推流流态；充分的好氧曝气与缺氧搅拌是高效脱氮的前提与保证；连续进出水不但有利于减少好氧阶段有机物异养菌对硝化自养菌的抑制作用，还可以为缺氧反硝化补充碳源，缓解进水C/N 偏低对脱氮效果的不利影响；揭示了CIBR 间歇曝气模式在碳源不足情况下获得高效同步脱氮除磷的理论根据。
　　 (4)受连续进水影响，CIBR 间歇曝气与SBR 脱氮除磷工艺在线参数变化规律有一定的区别，但CIBR 间歇曝气模式有机物降解及同步脱氮除磷过程可以通过在线DO/ORP/pH 曲线及dORP/dt 及dpH/dt 辅助曲线联合进行判断并可获得三个特征点，即易降解有机物完成点与硝化反应开始点(A 点)、硝化反应完成点或停止点(B 点)及反硝化反应完成点与厌氧释磷开始点(C 点)。
　　 (5)多种模式交互过程易出现硝化效果下降、脱氮效率降低、释磷等现象及出水不稳定等问题，采用化学辅助间歇曝气模式可以加快系统TP 去除效果恢复速度，但COD、NH3-N 及TN 去除效果几天内难以恢复。而采用CIBR 间歇曝气模式变工况运行时，COD、NH3-N、TN 及TP 去除率平均值依次为76.40[％]、82.33[％]、66.24[％]、及70.18[％]，系统稳定性远远高于CIBR 变模式运行。采用CIBR 生物-波形潜流人工湿地生态处理组合工艺进行城市污水处理，根据季节性水质及生态单元处理功能变化调整CIBR 生物单元运行工况，以进一步提高处理效果及稳定性，并降低运行能耗。CIBR生物单元四季分别采用工况II(2-1-1)、工况V(2-0-2)、工况VIII(3-1-2)及工况VII(3-2-1)运行，系统总体出水稳定达到GB18918-2002 一级A 排放标准。
　　 (6)为揭示CIBR 生物处理工艺节能原理，建立了CIBR 生物处理单元能量衡算黑箱模型和火用平衡分析灰箱模型，对CIBR 生物单元用能结构和用能效率进行了研究。
　　 首次引入了火用分配系数λ概念，可以根据污水处理厂污泥处理单元需求灵活调整工艺运行参数来调节剩余污泥产量与耗散火用之间的比例，以达到降低总体运行能耗目标。
　　 在传统能量评价指标基础上，首次提出了比火用耗概念，节能的主要目的在于降低比火用耗，节省外界投入作为推动力的化学火用。通过CIBR 生物单元四季比能耗、热效率、热力学效率及比火用耗指标对比分析可知，比火用耗较之比能耗、能量利用率及目的火用效率评价指标更为客观和严密。通过比火用耗及能耗折算分析表明，生物生态组合工艺节火用效率高，相比于A2/O 工艺及Bardenpho 工艺吨水处理电耗分别节省了37.59[％]及57.84[％]。由此可见，CIBR 生物/波形潜流人工湿地生态组合处理工艺节能效率是建立在生态单元低耗脱氮除磷及CIBR 生物单元变工况节能运行共同作用的基础上。

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