面向小微型乡村生活污水处理的序批式移动过滤床工艺及机理研究

Based on combining the advantages of sequencing batch reactor (SBR) and moving bed biofilm reactor (MBBR) and overcoming their deficiencies, the miniature sequencing batch moving bed filtration biofilm reactor (SB-MBFBR) is designed in this study for decentralized treatment of rural sewage. The suspended carrier used for the biofilm carrier and filter medium, as well as the novel fractal hollow agitator used for the mechanical stirring and aeration will be applied to effectively reduce the whole size of the reactor. To enhance the scientific characters of reactor design, the experimental and numerical modeling (CFD-DEM) methods will be adopted to study the reactor. In the biological treatment process, the removal characteristics of carbon (chemical oxygen demand) and nitrogen (ammonia nitrogen and nitrate nitrogen) by SB-MBFBR will be comprehensively studied to obtain the optimum strategy. In the liquid-solid separation process, the water qualities and biofilm carrier morphology will be analyzed to explore the filtration mechanism that can provide theoretical guidance for process optimization. This comprehensive study will provide solid strong theoretical basis and data support for the development and application of SB-MBFBR in decentralized treatment of rural sewage.

本项目拟结合序批式反应器（SBR）和移动床生物膜反应器（MBBR）的技术优势，并克服二者的不足，开发适应于我国乡村小微型生活污水处理需求的序批式移动过滤床生物膜反应器（SB-MBFBR）。在反应器设计上，创新地引入兼具移动床生物膜载体和深床过滤介质功能的悬浮填料，以及兼具机械搅拌和曝气作用的分形式中空搅拌器，有效降低反应器的体积；同时采用实验和数值模拟（CFD-DEM）相结合的方法，提高反应器设计的科学性。在污水生物处理中，研究SB-MBFBR的除碳脱氮特性，提出处理生活污水实现稳定除碳脱氮的策略；同时尝试通过污泥颗粒化来强化除碳脱氮效果和改善污泥的沉降性能。在固液分离阶段，考察过滤前后的水质特性、填料床层生物膜表面的形态和组成变化，分析过滤去除悬浮物的作用机理，为工艺优化提供理论依据。本项目理论和实验并重，旨在为面向小微型乡村污水处理的SB-MBFBR的开发提供坚实的理论基础和数据支持。

向现代化目标迈进的过程中，城乡失衡发展带来的后患逐渐突显，着力发展乡村将成为实现现代目标的重要环节。乡村生活污水治理作为发展乡村的重要项目将势在必行。考虑到我国国情，以户或村组为单位开展污水分散处理是乡村生活污水治理的主要形式。因此，在我国人口密集、经济发达的乡村地区，采用小微型的一体化装置处理污水，将是未来技术发展的重点方向。研发一套能够贴切地适用于小微型一体化装置的污水处理技术是本项目的主要研究内容。通过小试与中试来验证技术的可行性，探究不同条件下的最优运行参数，总结装置的运行问题及解决方案，阐述工艺的作用机理。完成了一体化好氧/缺氧耦合生物移动床反应器与单户一体化2级缺氧/好氧生物膜反应器两款技术的工艺设计与可行性验证，分别满足了村组集中处理与单户分散处理的技术需求；通过单因素优化实验，完成了反应器不同功能单元的尺寸与运行参数的优化，为反应器的定制化设计提供理论依据；通过解决因不同原因导致的处理效果恶化问题，得到了装置的运行与维护策略；以实验设计与数据分析为支撑，阐述了两款反应器针对我国乡村低碳氮比生活污水进行脱氮处理的作用机理。本项目所研发的两款污水处理技术，贴切地适用于小微型一体化装置，完整地满足了以户或村组为单位开展污水分散处理的技术需求；最优设计参数与运行参数的获得为乡村污水处理技术工艺设计的合理性与处理设备运行维护的规范性提供了科学指南；证实了提高低碳氮比生活污水脱氮效率方法的可行性，为该方法运用到工艺设计中提供数据支撑。